JP4550957B2 - Photodetector - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光した光の光量に応じた信号をデジタル信号として出力する光検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光検出装置は、受光した光の光量に応じた電流信号を出力する受光素子と、この受光素子から出力された電流信号に応じて電荷を蓄積して該電荷の量に応じた積分信号を出力する積分回路と、を備えている。この光検出装置を用いれば、積分回路から出力される積分信号に基づいて、受光素子が受光した光の光量を求めることができる。また、光検出装置は、積分回路から出力される積分信号(アナログ信号)をA/D変換回路によりA/D変換して、デジタル信号を出力する場合がある。このような光検出装置は、光検出のダイナミックレンジ(デジタル信号のビット数)を大きくすることが課題の1つとされている。
【0003】
例えば、特開平5−215607号公報に開示された光検出装置は、Δ変調方式を採用してダイナミックレンジの向上を図っている。この光検出装置は、積分回路の後段に設けられた比較回路により積分信号の値と基準電圧値とを大小比較して、前者が後者より大きいと判断されたときには、受光素子から積分回路に入力する電荷をダンプするとともに、この事象を計数する。そして、この計数値(デジタル信号)に基づいて、受光素子が受光した光の光量を求めるものである。
【0004】
また、特開平9−298690号公報に開示された光検出装置は、ΣΔ変調方式を採用してダイナミックレンジの向上を図っている。この光検出装置は、積分回路の後段に設けられた比較回路により積分信号の値と基準電圧値とを大小比較して、両者が等しくなるように、受光素子から出力される電流信号に基づいて積分回路に蓄積される電荷に対して一定量の電荷を加算または減算するとともに、この一定量の電荷を加算する事象を計数する。そして、この計数値(デジタル信号)に基づいて、受光素子が受光した光の光量を求めるものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の何れの従来技術も以下のような問題点を有している。すなわち、積分回路に蓄積される電荷をダンプする為に用いられるスイッチング回路の動作時にスイッチングノイズが生じ易いことから、光検出精度が悪く、微弱光の光量を検出するのには適していない。積分回路に蓄積される電荷をダンプする為に必要な回路の規模が大きく、したがって、コストが高く、また、消費電力が大きい。
【0006】
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、光検出のダイナミックレンジが大きく、光検出精度が優れ、回路規模が小さい光検出装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第1の光検出装置は、(1) 受光した光の光量に応じた電流信号を出力する受光素子と、(2) 受光素子から出力された電流信号に応じて電荷を容量素子に蓄積して、その容量素子に蓄積された電荷の量に応じた積分信号を出力するとともに、外部から入力される制御信号に基づいて容量素子に蓄積されている電荷をリセットし、当該リセット状態であるときにリセットレベルを示す第1基準電圧値を積分信号として出力する積分回路と、(3) 積分信号の値と第2基準電圧値とを大小比較して、積分信号の値が第2基準電圧値以上であれば、その旨を示す飽和信号を出力する比較回路と、(4) 飽和信号に基づいて、積分信号の値が第2基準電圧値以上であるときに、積分回路の容量素子に蓄積されている電荷を相殺するだけの一定量の電荷を該容量素子に注入することで、積分回路の容量素子に蓄積されている電荷をリセットするリセット手段と、(5) 飽和信号に基づいて、積分信号の値が第2基準電圧値以上となった事象を計数して、その計数値を第1のデジタル信号として出力する計数回路と、(6) 第2基準電圧値から第1基準電圧値を減算して得られる第3基準電圧値をA/D変換レンジとして積分信号をA/D変換して、そのA/D変換の結果を第1のデジタル信号より下位のビットの第2のデジタル信号として出力するA/D変換回路と、を備えることを特徴とする。
さらに、リセット手段は、リセット用容量素子を含み、飽和信号に基づいて、積分信号の値が第2基準電圧値に達する前にリセット用容量素子に上記一定量の電荷を蓄積しておき、積分信号の値が第2基準電圧値以上となったときにリセット用容量素子に蓄積されていた上記一定量の電荷を積分回路の容量素子に注入することを特徴とする。
【0008】
この光検出装置によれば、受光した光の光量に応じて受光素子より出力された電流信号は積分回路に入力し、この積分回路では、その電流信号に応じた電荷が容量素子に蓄積され、その容量素子に蓄積された電荷の量に応じた積分信号が出力される。また、この積分回路では、外部から入力される制御信号に基づいて容量素子に蓄積されている電荷がリセットされて、当該リセット状態であるときにリセットレベルを示す第1基準電圧値が積分信号として出力される。比較回路では、積分回路から出力された積分信号の値と第2基準電圧値とが大小比較され、積分信号の値が第2基準電圧値以上であれば、その旨を示す飽和信号が出力される。そして、リセット手段により、比較回路から出力される飽和信号に基づいて、積分信号の値が第2基準電圧値以上であるときに、積分回路の容量素子に蓄積されている電荷を相殺するだけの電荷が該容量素子に注入されることで、積分回路の容量素子に蓄積されている電荷がリセットされる。計数回路により、この飽和信号に基づいて、積分信号の値が第2基準電圧値以上となった事象が計数されて、その計数値が第1のデジタル信号として出力される。また、積分回路から出力された積分信号は、第2基準電圧値から第1基準電圧値を減算して得られる第3基準電圧値をA/D変換レンジとするA/D変換回路によりA/D変換されて、そのA/D変換の結果が第1のデジタル信号より下位のビットの第2のデジタル信号として出力される。第1および第2のデジタル信号が、この光検出装置の出力信号となる。
【0009】
また、本発明に係る第1の光検出装置は、(1) 受光素子、積分回路、比較回路、リセット手段および計数回路を複数組備え、この複数組に対してA/D変換回路を1つ備え、(2) 複数組それぞれに設けられ、各積分回路から出力される積分信号を保持してA/D変換回路へ順次に出力するホールド回路を更に備える、ことを特徴とする。この場合には、各組それぞれの受光素子が受光した光の光量に応じた第1および第2のデジタル信号が順次に出力されるので、1次元または2次元の光像を撮像することができる。
【0010】
本発明に係る第2の光検出装置は、(1) 受光した光の光量に応じた電流信号を出力する受光素子と、(2) 受光素子から出力された電流信号に応じて電荷を容量素子に蓄積して、その容量素子に蓄積された電荷の量に応じた積分信号を出力するとともに、外部から入力される制御信号に基づいて容量素子に蓄積されている電荷をリセットする積分回路と、(3) 積分信号の値の変化量に応じた値のCDS信号を出力するとともに、外部から入力される制御信号に基づいてリセット状態となってリセットレベルを示す第1基準電圧値をCDS信号として出力するCDS回路と、(4) CDS信号の値と第2基準電圧値とを大小比較して、CDS信号の値が第2基準電圧値以上であれば、その旨を示す飽和信号を出力する比較回路と、(5) 飽和信号に基づいて、CDS信号の値が第2基準電圧値以上であるときに、積分回路の容量素子に蓄積されている電荷を相殺するだけの一定量の電荷を該容量素子に注入することで、積分回路の容量素子に蓄積されている電荷をリセットするリセット手段と、(6) 飽和信号に基づいて、CDS信号の値が第2基準電圧値以上となった事象を計数して、その計数値を第1のデジタル信号として出力する計数回路と、(7) 第2基準電圧値から第1基準電圧値を減算して得られる第3基準電圧値をA/D変換レンジとしてCDS信号をA/D変換して、そのA/D変換の結果を第1のデジタル信号より下位のビットの第2のデジタル信号として出力するA/D変換回路と、を備えることを特徴とする。
さらに、リセット手段は、リセット用容量素子を含み、飽和信号に基づいて、積分信号の値が第2基準電圧値に達する前にリセット用容量素子に上記一定量の電荷を蓄積しておき、積分信号の値が第2基準電圧値以上となったときにリセット用容量素子に蓄積されていた上記一定量の電荷を積分回路の容量素子に注入することを特徴とする。
【0011】
この光検出装置によれば、受光した光の光量に応じて受光素子より出力された電流信号は積分回路に入力し、この積分回路では、その電流信号に応じた電荷が容量素子に蓄積され、その容量素子に蓄積された電荷の量に応じた積分信号が出力される。また、積分回路では、外部から入力される制御信号に基づいて容量素子に蓄積されている電荷がリセットされる。CDS(相関二重サンプリング、Correlated Double Sampling)回路では、積分信号の値の変化量に応じた値のCDS信号が出力される。また、CDS回路では、外部から入力される制御信号に基づいてリセット状態となってリセットレベルを示す第1基準電圧値がCDS信号として出力される。比較回路では、CDS回路から出力されたCDS信号の値と第2基準電圧値とが大小比較され、CDS信号の値が第2基準電圧値以上であれば、その旨を示す飽和信号が出力される。そして、リセット手段により、比較回路から出力される飽和信号に基づいて、CDS信号の値が第2基準電圧値以上であるときに、積分回路の容量素子に蓄積されている電荷がリセットされる。計数回路により、この飽和信号に基づいて、CDS信号の値が第2基準電圧値以上となった事象が計数されて、その計数値が第1のデジタル信号として出力される。また、CDS回路から出力されたCDS信号は、第2基準電圧値から第1基準電圧値を減算して得られる第3基準電圧値をA/D変換レンジとするA/D変換回路によりA/D変換されて、そのA/D変換の結果が第1のデジタル信号より下位のビットの第2のデジタル信号として出力される。第1および第2のデジタル信号が、この光検出装置の出力信号となる。
【0012】
また、本発明に係る第2の光検出装置は、(1) 受光素子、積分回路、CDS回路、比較回路、リセット手段および計数回路を複数組備え、この複数組に対してA/D変換回路を1つ備え、(2) 複数組それぞれに設けられ、各CDS回路から出力されるCDS信号を保持してA/D変換回路へ順次に出力するホールド回路を更に備える、ことを特徴とする。この場合には、各組それぞれの受光素子が受光した光の光量に応じた第1および第2のデジタル信号が順次に出力されるので、1次元または2次元の光像を撮像することができる。
【0013】
本発明に係る第1または第2の光検出装置では、リセット手段は、積分回路に蓄積されている電荷を相殺するだけの電荷を注入することで、積分回路に蓄積されている電荷をリセットする、ことを特徴とする。この場合には、積分回路のリセット動作の後に直ちに積分動作が再開されるので、光検出時間を短くすることができ、或いは、高感度の光検出結果を得ることができる。
【0014】
なお、第1の光検出装置において、受光素子と積分回路との接続の態様によっては、受光素子が光を受光すると積分信号の値が小さくなっていく場合があるが、この場合には、積分信号の減少幅と基準電圧値とが比較回路により大小比較される。
【0015】
同様に、第2の光検出装置において、受光素子と積分回路との接続の態様によっては、受光素子が光を受光するとCDS信号の値が小さくなっていく場合があるが、この場合には、CDS信号の減少幅と基準電圧値とが比較回路により大小比較される。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施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。
【0017】
(第1の実施形態)
先ず、本発明に係る光検出装置の第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態に係る光検出装置1の回路図である。第1の実施形態に係る光検出装置1は、フォトダイオード(受光素子)PD、積分回路10、CDS回路20、比較回路30、計数回路40、A/D変換回路50および論理和回路(リセット手段)61を備えている。
【0018】
フォトダイオードPDは、カソード端子が電源電位Vddとされ、アノード端子が積分回路10の入力端子に接続されている。フォトダイオードPDは、受光した光の光量に応じた電流信号をアノード端子から積分回路10の入力端子へ出力する。
【0019】
積分回路10は、入力端子と出力端子との間に互いに並列にアンプA1、容量素子C1およびスイッチ素子SW1が接続されている。アンプA1は、その反転入力端子がフォトダイオードPDのアノード端子と接続され、非反転入力端子が基準電圧値Vinp1とされている。容量素子C1およびスイッチ素子SW1は、アンプA1の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。積分回路10は、スイッチ素子SW1が閉じているときには、容量素子C1を放電して初期化する。一方、積分回路10は、スイッチ素子SW1が開いているときには、フォトダイオードPDから入力端子に入力した電荷を容量素子C1に蓄積して、その蓄積された電荷に応じた電圧信号(これを積分信号と呼ぶ。)を出力端子から出力する。この積分信号は、フォトダイオードPDが受光した光の光量に応じたものであり、アンプA1の非反転入力端子に入力する基準電圧値Vinp1をリセットレベルとして示される。スイッチ素子SW1は、論理和回路61から出力される信号に基づいて開閉する。
【0020】
CDS回路20は、入力端子と出力端子との間に順に容量素子C21およびアンプA2を有している。また、アンプA2の入出力間にスイッチ素子SW2および容量素子C22が互いに並列的に接続されている。アンプA2は、その反転入力端子が容量素子C21と接続され、非反転入力端子が基準電圧値Vinp2とされている。
容量素子C22およびスイッチ素子SW2は、アンプA2の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。CDS回路20は、スイッチ素子SW2が閉じているときには、容量素子C22を放電して初期化する。一方、CDS回路20は、スイッチ素子SW2が開いているときには、入力端子から容量素子C21を経て入力した電荷を容量素子C22に蓄積して、その蓄積された電荷に応じた電圧信号(これをCDS信号と呼ぶ。)を出力端子から出力する。このCDS信号は、積分回路10から出力される積分信号の変化量に応じたものであり、アンプA2の非反転入力端子に入力する基準電圧値Vinp2をリセットレベルとして示される。スイッチ素子SW2はVclamp制御信号に基づいて開閉する。
【0021】
比較回路30は、CDS回路20から出力されるCDS信号を反転入力端子に入力し、基準電圧値(Vinp2+Vmax)を非反転入力端子に入力して、両者の値を大小比較し、CDS信号の値が基準電圧値(Vinp2+Vmax)以上であれば、その旨を示す論理値Hの飽和信号を出力する。CDS信号の値が基準電圧値(Vinp2+Vmax)未満であれば、飽和信号は論理値Lである。なお、比較回路30の非反転入力端子に入力する基準電圧値(Vinp2+Vmax)は、CDS回路20のアンプA2の非反転入力端子に入力する基準電圧値Vinp2(すなわち、CDS信号のリセットレベル)と、A/D変換回路50のA/D変換レンジを規定する基準電圧値Vmaxとの和である。
【0022】
計数回路40は、比較回路30から出力される飽和信号を入力し、この飽和信号が論理値Lから論理値Hへ変化する事象を計数し、その計数値を第1のデジタル信号として出力する。A/D変換回路50は、基準電圧値VmaxをA/D変換レンジとし、CDS回路20から出力されるCDS信号を入力して、このCDS信号をA/D変換し、そのA/D変換の結果を第2のデジタル信号として出力する。ここで、計数回路40から出力される第1のデジタル信号がMビットであるとし、A/D変換回路50から出力される第2のデジタル信号がNビットであるとすると、計数回路40およびA/D変換回路50からは、上位Mビットの第1のデジタル信号(DM+N-1〜DN)と、下位Nビットの第2のデジタル信号(DN-1〜D0)とからなる、(M+N)ビットのデジタル信号(DM+N-1〜D0)が、光検出装置1の出力信号として出力される。
【0023】
論理和回路61は、比較回路30から出力される飽和信号とVreset制御信号とを入力して、両者の論理和を示す論理信号を出力し、この論理信号により積分回路10のスイッチ素子SW1の開閉を制御する。なお、Vreset制御信号、Vclamp制御信号、計数回路40の計数動作をリセットするための制御信号、および、A/D変換回路50のA/D変換動作を指示するための制御信号は、この光検出回路1の動作を制御するタイミング制御回路(図示せず)から所定のタイミングで出力される。
【0024】
次に、第1の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2は、第1の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。また、図3は、特に時刻t2付近における動作を説明するために時間軸を拡大したタイミングチャートである。なお、以下では、第1のデジタル信号のビット数Mを4とし、第2のデジタル信号のビット数Nも4として説明する。
【0025】
初めに、時刻t0に、積分回路10のスイッチ素子SW1が閉じて、容量素子C1の電荷が放電され、積分回路10から出力される積分信号の値はリセットレベルVinp1とされる。また、この時刻t0に、CDS回路20のスイッチ素子SW2が閉じて、容量素子C22の電荷が放電され、CDS回路20から出力される積分信号の値はリセットレベルVinp2とされる。また、この時刻t0に、計数回路40の計数動作がリセットされ、第1のデジタル信号は値00002となる。
【0026】
時刻t1に、積分回路10のスイッチ素子SW1が開き、CDS回路20のスイッチ素子SW2も開く。この時刻t1以降、積分回路10では、フォトダイオードPDから出力された電荷が容量素子C1に蓄積され、この容量素子C1に蓄積されている電荷に応じた積分信号が出力される。また、CDS回路20では、積分回路20から出力された積分信号の変化量に応じた電荷が容量素子C22に蓄積され、この容量素子C22に蓄積されている電荷に応じたCDS信号が出力される。すなわち、時刻t1以降、積分信号の値は、時刻t1当初のリセットレベルVinp1から次第に小さくなっていき、CDS信号の値は、時刻t1当初のリセットレベルVinp2から次第に大きくなっていく。
【0027】
やがて時刻t2に、CDS信号の値が比較回路30における基準電圧値(Vinp2+Vmax)以上になると、比較回路30から出力される飽和信号は、これまでの論理値Lから論理値Hへ変化する。また、この飽和信号が論理値Lから論理値Hへ変化した事象に基づいて、計数回路40から出力される第1のデジタル信号は1増されて値00012となる。
【0028】
また、図3に示すように、時刻t2に飽和信号が論理値Hになると、論理和回路61から出力される論理信号も論理値Hとなり、積分回路10のスイッチ素子SW1が閉じて、容量素子C1の電荷が放電され、積分回路10から出力される積分信号の値がリセットレベルVinp1となり、CDS回路20から出力されるCDS信号の値がリセットレベルVinp2となる。そして、時刻t2’に、比較回路30から出力される飽和信号が論理値Lとなり、論理和回路61から出力される論理信号も論理値Lとなる。すると、再び、積分回路10のスイッチ素子SW1が開いて、フォトダイオードPDから出力された電荷が容量素子C1に新たに蓄積され、この容量素子C1に蓄積されている電荷に応じた積分信号が出力される。
【0029】
時刻t3,t4およびt5それぞれでも、上記の時刻t2での動作と同様の動作が起こる。すなわち、これらの各時刻において、計数回路40から出力される第1のデジタル信号は1増するとともに、積分回路10のスイッチ素子SW1が一旦閉じて開いた後に、積分回路10から出力される積分信号の値はリセットレベルVinp1から次第に小さくなっていき、CDS回路20から出力されるCDS信号の値はリセットレベルVinp2から次第に大きくなっていく。そして、CDS信号の値が比較回路30における基準電圧値(Vinp2+Vmax)以上になると、同様の動作を改めて繰り返す。
【0030】
図2に示すタイミングチャートでは、時刻t5を経過した時点で計数回路40から出力される第1のデジタル信号は01002となっている。そして、時刻t6で所定の積分期間が終了するとすれば、この時刻t6における第1のデジタル信号(D7,D6,D5,D4)、および、この時刻t6においてCDS回路20から出力されているCDS信号がA/D変換回路50によりA/D変換された結果である第2のデジタル信号(D3,D2,D1,D0)が、この光検出装置1の出力信号として出力される。この光検出装置1から出力される出力信号は、第1のデジタル信号(D7,D6,D5,D4)を上位4ビットとし、第2のデジタル信号(D3,D2,D1,D0)を下位4ビットとして、計8ビットのデジタル信号(D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0)である。
【0031】
以上のように本実施形態に係る光検出装置1では、積分期間(時刻t1〜時刻t6)に亘ってフォトダイオードPDが受光した光の光量に応じた値のデジタル信号として、その上位Mビット分が計数回路40から第1のデジタル信号として出力され、下位Nビット分がA/D変換回路50から第2のデジタル信号として出力される。したがって、A/D変換回路50のみを設ける場合と比較して、A/D変換回路50に加えて比較回路30や計数回路40を設けた本実施形態では、光検出のダイナミックレンジ(デジタル信号のビット数)を大きくすることができる。
【0032】
また、本実施形態に係る光検出装置1では、積分回路10に蓄積される電荷をダンプすることが無いので、スイッチングノイズの問題が生じることなく、光検出精度が優れ、微弱光の光量を検出するのにも好適である。また、比較回路30、計数回路40および論理和回路61の回路規模が小さく、したがって、コストが安く、また、消費電力が小さい。さらに、本実施形態に係る光検出装置1は、CDS回路20を備えていることにより、積分回路10から出力される積分信号に含まれるオフセット変動の影響を除去することができる。
【0033】
(第2の実施形態)
次に、本発明に係る光検出装置の第2の実施形態について説明する。図4は、第2の実施形態に係る光検出装置2の回路図である。第2の実施形態に係る光検出装置2は、第1の実施形態に係る光検出装置1(図1)と比較すると、論理和回路61に替えてリセット回路(リセット手段)62を備えている点で異なる。
【0034】
リセット回路62は、スイッチ素子SW61〜SW64、容量素子C6および論理反転素子INVを備える。スイッチ素子SW61、容量素子C6およびスイッチ素子SW62は、この順に直列的に接続されており、スイッチ素子SW61の他端は積分回路10の入力端子に接続され、スイッチ素子SW62の他端は基準電圧値Vmaxとされている。スイッチ素子SW61と容量素子C6との間の接続点はスイッチ素子SW63を介して接地されており、容量素子C6とスイッチ素子SW62との間の接続点はスイッチ素子SW64を介して接地されている。スイッチ素子SW61およびSW64それぞれは、比較回路30から出力される飽和信号に基づいて開閉する。また、スイッチ素子SW62およびSW63それぞれは、比較回路30から出力される飽和信号が論理反転素子INVにより論理反転された信号に基づいて開閉する。
【0035】
本実施形態に係る光検出装置2の動作は、第1の実施形態に係る光検出装置1の動作(図2)と略同様である。ただし、時刻t2,t3,t4およびt5それぞれにおける積分回路10のリセット動作が異なる。図5は、第2の実施形態に係る光検出装置の時刻t2付近における動作を説明するために時間軸を拡大したタイミングチャートである。なお、本実施形態では、時刻t1以降、積分回路10のスイッチ素子SW1は開いたままである。
【0036】
時刻t1以降であって時刻t2前では、比較回路30から出力される飽和信号が論理値Lであるので、リセット回路62のスイッチ素子SW61およびSW64は開き、スイッチ素子SW62およびSW63は閉じている。この間、リセット回路62の容量素子C6に電荷が蓄積されている。
【0037】
時刻t2に、比較回路30から出力される飽和信号が論理値Hに変化すると、リセット回路62のスイッチ素子SW61およびSW64は閉じて、スイッチ素子SW62およびSW63は開く。これにより、積分回路10の容量素子C1に蓄積されていた電荷は、リセット回路62の容量素子C6に蓄積されていた電荷と相殺されて、積分回路10から出力される積分信号の値がリセットレベルVinp1となり、CDS回路20から出力されるCDS信号の値がリセットレベルVinp2となる。その後、直ちに、フォトダイオードPDから出力された電荷が容量素子C1に新たに蓄積され、この容量素子C1に蓄積されている電荷に応じた積分信号が出力される。
【0038】
時刻t2’に、比較回路30から出力される飽和信号が論理値Lに変化すると、リセット回路62のスイッチ素子SW61およびSW64は開き、スイッチ素子SW62およびSW63は閉じて、リセット回路62の容量素子C6に電荷が蓄積される。
【0039】
時刻t3,t4およびt5それぞれでも、上記の時刻t2での動作と同様の動作が起こる。すなわち、これらの各時刻において、計数回路40から出力される第1のデジタル信号は1増するとともに、積分回路10の容量素子C1は初期化され、その後、直ちに、積分回路10から出力される積分信号の値はリセットレベルVinp1から次第に小さくなっていき、CDS回路20から出力されるCDS信号の値はリセットレベルVinp2から次第に大きくなっていく。そして、CDS信号の値が比較回路30における基準電圧値(Vinp2+Vmax)以上になると、同様の動作を改めて繰り返す。
【0040】
本実施形態に係る光検出装置2は、第1の実施形態に係る光検出装置1が奏する効果と同様の効果を奏する他、以下のような効果をも奏する。すなわち、本実施形態では、時刻t2,t3,t4およびt5それぞれにおいて、積分回路10のスイッチ素子SW1は開いたままであって、積分回路10の容量素子C6に蓄積されていた電荷がリセット回路62からの電荷により相殺されることにより、積分回路10のリセット動作が行われる。すなわち、第1の実施形態に係る光検出装置1では、積分回路10のリセット動作から積分動作開始まで一定の時間(図3における時刻t2から時刻t2’までの時間)を要するのに対して、本実施形態に係る光検出装置2では、積分回路10のリセット動作の後に直ちに積分動作が再開される。したがって、第1の実施形態では、図3の時刻t2から時刻t2’までの期間では積分作用が休止するのに対して、この第2の実施形態では、そのような積分作用休止期間が存在せず、連続して積分を行うことができる。
【0041】
(第3の実施形態)
次に、本発明に係る光検出装置の第3の実施形態について説明する。図6は、第3の実施形態に係る光検出装置3の回路図である。第3の実施形態に係る光検出装置3は、第2の実施形態に係る光検出装置2(図4)と比較すると、CDS回路20が設けられていない点で異なる。
【0042】
本実施形態では、比較回路30は、積分回路10から出力される積分信号を反転入力端子に入力し、基準電圧値(Vinp1+Vmax)を非反転入力端子に入力して、両者の値を大小比較する。なお、フォトダイオードPDと積分回路10との接続の態様が図示のとおりである場合、フォトダイオードPDが光を受光すると積分信号の値が小さくなっていく。そこで、本実施形態では、リセットレベルVinp1からの積分信号の減少幅が値Vmax以上であれば、その旨を示す論理値Hの飽和信号を出力する。そうでなければ、飽和信号は論理値Lである。なお、比較回路30の非反転入力端子に入力する基準電圧値(Vinp1+Vmax)は、積分回路10のアンプA1の非反転入力端子に入力する基準電圧値Vinp1(すなわち、積分信号のリセットレベル)と、A/D変換回路50のA/D変換レンジを規定する基準電圧値Vmaxとの和である。また、A/D変換回路50は、基準電圧値VmaxをA/D変換レンジとし、積分回路10から出力される積分信号を入力して、この積分信号をA/D変換し、そのA/D変換の結果を第2のデジタル信号として出力する。
【0043】
本実施形態に係る光検出装置3は、第2の実施形態に係る光検出装置2の動作と略同様に動作し、第2の実施形態に係る光検出装置2が奏する効果と略同様の効果を奏する。ただし、本実施形態では、CDS回路20が設けられていないので、積分回路10から出力される積分信号にオフセット変動が含まれていたとしても、この影響を除去することができないが、更に回路規模が小さく、コストが安く、消費電力が小さくなる。
【0044】
(第4の実施形態)
次に、本発明に係る光検出装置の第4の実施形態について説明する。図7は、第4の実施形態に係る光検出装置4の回路図である。第4の実施形態に係る光検出装置4は、A/D変換回路50を除いて第2の実施形態に係る光検出装置2(図4)をアレイ化したものである。
【0045】
本実施形態に係る光検出装置4は、L組(L≧2)のユニット1001〜100L、シフトレジスタ200およびA/D変換回路50を備える。各ユニット1001〜100Lそれぞれは、フォトダイオードPD、積分回路10、CDS回路20、比較回路30、計数回路40、リセット回路62、ホールド回路70およびスイッチ素子列80を備える。
【0046】
ホールド回路70は、図8に回路図を示すように、入力端子と出力端子との間に順にスイッチ素子SW7およびアンプA7を有しており、スイッチ素子SW7とアンプA7との間の接続点が容量素子C7を介して接地されている。このホールド回路70は、スイッチ素子SW7が閉じているときに入力端子に入力したCDS信号を容量素子C7に記憶し、スイッチ素子SW7が開いた後も、容量素子C7に記憶されているCDS信号を保持し、このCDS信号をアンプA7を介して出力端子から出力する。
【0047】
スイッチ素子列80は、計数回路40から出力される第1のデジタル信号のビット数Mに値1を加えた個数のスイッチ素子が並列的に設けられたものであって、これら(M+1)個のスイッチ素子が同時に開閉する。このスイッチ素子列80は、閉じているときに、計数回路40から出力されるMビットの第1のデジタル信号を出力し、また、ホールド回路70により保持され出力されるCDS信号をA/D変換回路50へ出力する。
【0048】
シフトレジスタ200は、L組のユニット1001〜100Lそれぞれのスイッチ素子列80を順次に閉じる。A/D変換回路50は、L組のユニット1001〜100Lのうち何れかのユニットから出力されるCDS信号を入力して、このCDS信号をA/D変換し、そのA/D変換の結果をNビットの第2のデジタル信号として出力する。
【0049】
本実施形態に係る光検出装置4では、L組のユニット1001〜100LそれぞれのフォトダイオードPD、積分回路10、CDS回路20、比較回路30、計数回路40およびリセット回路62は、図2に示したタイミングチャートの時刻t6までは同様に動作する。
【0050】
本実施形態では、L組のユニット1001〜100Lそれぞれにおいて、ホールド回路70のスイッチ素子SW7は、時刻t6前に一旦閉じて時刻t6に開く、これにより、時刻t6にCDS回路20から出力されているCDS信号がホールド回路70の容量素子C7に保持され、時刻t6以降、このCDS信号はアンプA7を介して出力端子から出力される。
【0051】
時刻t6以降、先ず、第1番目のユニット1001のスイッチ素子列80のみがシフトレジスタ200の制御により閉じる。そして、第1番目のユニット1001の計数回路40から出力されたMビットの第1のデジタル信号が第1番目のユニット1001より出力される。また、第1番目のユニット1001のホールド回路70により保持され出力されたCDS信号がA/D変換回路50によりA/D変換され、Nビットの第2のデジタル信号がA/D変換回路50より出力される。すなわち、第1番目のユニット1001のスイッチ素子列80が閉じている間に、第1番目のユニット1001のフォトダイオードPDが受光した光量に応じたデジタル信号(上位Mビットの第1のデジタル信号+下位Nビットの第2のデジタル信号)が、この光検出装置4の出力信号として出力される。
【0052】
続いて、第2番目のユニット1002のスイッチ素子列80のみがシフトレジスタ200の制御により閉じる。そして、第2番目のユニット1002の計数回路40から出力されたMビットの第1のデジタル信号が第2番目のユニット1002より出力される。また、第2番目のユニット1002のホールド回路70により保持され出力されたCDS信号がA/D変換回路50によりA/D変換され、Nビットの第2のデジタル信号がA/D変換回路50より出力される。すなわち、第2番目のユニット1002のスイッチ素子列80が閉じている間に、第2番目のユニット1002のフォトダイオードPDが受光した光量に応じたデジタル信号(上位Mビットの第1のデジタル信号+下位Nビットの第2のデジタル信号)が、この光検出装置4の出力信号として出力される。
【0053】
以降も同様にして、ユニット1003〜100LそれぞれのフォトダイオードPDが受光した光量に応じたデジタル信号(上位Mビットの第1のデジタル信号+下位Nビットの第2のデジタル信号)が、この光検出装置4の出力信号として順次に出力される。
【0054】
本実施形態に係る光検出装置4は、第2の実施形態に係る光検出装置2が奏する効果と同様の効果を奏する他、以下のような効果をも奏する。すなわち、本実施形態に係る光検出装置4は、複数のフォトダイオードPDが1次元状または2次元状にアレイ配置されることにより、1次元または2次元の光像を撮像することができる。しかも、各フォトダイオードPDによる光検出のダイナミックレンジ(デジタル信号のビット数)が大きいので、撮像される光像の階調数を多くすることができる。
【0055】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。
例えば、アレイ化するに際しては、第4の実施形態ではA/D変換回路50を各ユニットに含めることなく共通のものとしたが、A/D変換回路50を各ユニットに含めてアレイ化してもよい。半導体チップ上に集積化することを考えると、前者の場合には、分解能が高いA/D変換回路を実現することができるものの、撮像スピードが犠牲となるのに対して、後者の場合には、高速撮像が可能となるものの、A/D変換回路の分解能を高めることができない。
【0056】
また、第4の実施形態では第2の実施形態に係る光検出装置をアレイ化したが、第1または第3の実施形態に係る光検出装置をアレイ化してもよい。また、第3の実施形態において、リセット回路62に替えて、第1の実施形態における論理和回路61を設けてもよい。
【0057】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、受光した光の光量に応じて受光素子より出力された電流信号は積分回路に入力し、この積分回路では、その電流信号に応じた電荷が蓄積され、その蓄積された電荷の量に応じた積分信号が出力される。比較回路では、積分回路から出力された積分信号の値と基準電圧値とが大小比較され、積分信号の値が基準電圧値以上であれば、その旨を示す飽和信号が出力される。そして、リセット手段により、比較回路から出力される飽和信号に基づいて、積分信号の値が基準電圧値以上であるときに、積分回路に蓄積されている電荷がリセットされる。計数回路により、この飽和信号に基づいて、積分信号の値が基準電圧値以上となった事象が計数されて、その計数値が第1のデジタル信号として出力される。また、積分回路から出力された積分信号は、基準電圧値をA/D変換レンジとするA/D変換回路によりA/D変換されて、そのA/D変換の結果が第2のデジタル信号として出力される。第1および第2のデジタル信号が、この光検出装置の出力信号となる。
【0058】
したがって、A/D変換回路に加えて比較回路や計数回路を設けたことにより、光検出のダイナミックレンジ(出力されるデジタル信号のビット数)を大きくすることができる。また、積分回路に蓄積される電荷をダンプすることが無いので、スイッチングノイズの問題が生じることなく、光検出精度が優れ、微弱光の光量を検出するのにも好適である。また、比較回路、計数回路およびリセット手段の回路規模が小さく、したがって、コストが安く、また、消費電力が小さい。
【0059】
また、積分回路の後段にCDS回路を備えることにより、積分回路から出力される積分信号に含まれるオフセット変動の影響をCDS回路により除去することができる。
【0060】
また、受光素子、積分回路、比較回路、リセット手段および計数回路を複数組備えることにより、各組それぞれの受光素子が受光した光の光量に応じた第1および第2のデジタル信号が順次に出力されるので、多くの階調数で1次元または2次元の光像を撮像することができる。
【0061】
また、リセット手段は、積分回路に蓄積されている電荷を相殺するだけの電荷を注入することで、積分回路に蓄積されている電荷をリセットするのが好適であり、この場合には、積分回路のリセット動作の後に直ちに積分動作が再開されるので、リセットに時間を要せず、積分作用を中断することないので、連続して積分を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る光検出装置の回路図である。
【図2】第1の実施形態に係る光検出装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図3】第1の実施形態に係る光検出装置の時刻t2付近における動作を説明するために時間軸を拡大したタイミングチャートである。
【図4】第2の実施形態に係る光検出装置の回路図である。
【図5】第2の実施形態に係る光検出装置の時刻t2付近における動作を説明するために時間軸を拡大したタイミングチャートである。
【図6】第3の実施形態に係る光検出装置の回路図である。
【図7】第4の実施形態に係る光検出装置の回路図である。
【図8】ホールド回路の回路図である。
【符号の説明】
1〜4…光検出装置、10…積分回路、20…CDS回路、30…比較回路、40…計数回路、50…A/D変換回路、61…論理和回路、62…リセット回路、70…ホールド回路、80…スイッチ素子列、200…シフトレジスタ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photodetector that outputs a signal corresponding to the amount of received light as a digital signal.
[0002]
[Prior art]
The light detection device outputs a current signal according to the amount of received light, accumulates charge according to the current signal output from the light reception element, and outputs an integration signal according to the amount of the charge And an integrating circuit. If this photodetection device is used, the amount of light received by the light receiving element can be obtained based on the integration signal output from the integration circuit. In some cases, the photodetection device performs A / D conversion on an integration signal (analog signal) output from the integration circuit by an A / D conversion circuit and outputs a digital signal. One of the problems with such a light detection device is to increase the dynamic range (number of bits of the digital signal) for light detection.
[0003]
For example, the photodetector disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-215607 employs a Δ modulation method to improve the dynamic range. This photodetection device compares the value of the integration signal with a reference voltage value by a comparison circuit provided at the subsequent stage of the integration circuit, and when the former is determined to be greater than the latter, it is input from the light receiving element to the integration circuit. This event is counted while dumping the charge. And based on this count value (digital signal), the light quantity of the light which the light receiving element received is calculated | required.
[0004]
In addition, the photodetection device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-298690 employs the ΣΔ modulation method to improve the dynamic range. This photodetection device compares the value of the integration signal with the reference voltage value by a comparison circuit provided at the subsequent stage of the integration circuit, and based on the current signal output from the light receiving element so that they are equal. A certain amount of charge is added to or subtracted from the charge accumulated in the integration circuit, and an event of adding this certain amount of charge is counted. And based on this count value (digital signal), the light quantity of the light which the light receiving element received is calculated | required.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, any of the above prior arts has the following problems. That is, switching noise is easily generated during the operation of the switching circuit used to dump the electric charge accumulated in the integration circuit, so that the light detection accuracy is poor and it is not suitable for detecting the amount of weak light. The scale of the circuit required for dumping the electric charge accumulated in the integrating circuit is large, so that the cost is high and the power consumption is large.
[0006]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a photodetection device having a large dynamic range for photodetection, excellent photodetection accuracy, and a small circuit scale.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The first photodetecting device according to the present invention includes (1) a light receiving element that outputs a current signal according to the amount of received light, and (2) a charge element according to the current signal output from the light receiving element. Output the integration signal corresponding to the amount of charge accumulated in the capacitor element, and reset the charge accumulated in the capacitor element based on the control signal input from the outside. An integration circuit that outputs the first reference voltage value indicating the reset level as an integration signal when (3), and (3) comparing the value of the integration signal with the second reference voltage value, the value of the integration signal is the second A comparison circuit that outputs a saturation signal indicating that if it is equal to or higher than the reference voltage value, and (4) the capacitance of the integration circuit when the value of the integration signal is equal to or higher than the second reference voltage value based on the saturation signal. Just cancel the charge accumulated in the deviceA certain amountResetting means for resetting the charge accumulated in the capacitive element of the integrating circuit by injecting the charge into the capacitive element; and (5) based on the saturation signal, the value of the integral signal is greater than or equal to the second reference voltage value. A counting circuit that counts the generated event and outputs the counted value as a first digital signal; and (6) a third reference voltage value obtained by subtracting the first reference voltage value from the second reference voltage value. An A / D conversion circuit that performs A / D conversion of the integrated signal as an A / D conversion range and outputs a result of the A / D conversion as a second digital signal of lower bits than the first digital signal; It is characterized by providing.
Further, the reset means includes a reset capacitance element, and based on the saturation signal, the constant amount of charge is accumulated in the reset capacitance element before the value of the integration signal reaches the second reference voltage value. When the signal value becomes equal to or higher than the second reference voltage value, the fixed amount of charge accumulated in the reset capacitor element is injected into the capacitor element of the integration circuit.
[0008]
According to this photodetection device, the current signal output from the light receiving element in accordance with the amount of received light is input to the integration circuit, and in this integration circuit, the electric charge corresponding to the current signal isCapacitance elementAccumulated, thatCapacitance elementAn integrated signal corresponding to the amount of accumulated charge is output.Further, in this integrating circuit, the charge accumulated in the capacitive element is reset based on a control signal input from the outside, and the first reference voltage value indicating the reset level when in the reset state is used as the integration signal. Is output.In the comparison circuit, the value of the integration signal output from the integration circuit andSecondThe reference voltage value is compared in magnitude, and the integrated signal value isSecondIf it is equal to or higher than the reference voltage value, a saturation signal indicating that is output. Then, based on the saturation signal output from the comparison circuit by the reset means, the value of the integral signal isSecondWhen it is above the reference voltage value,By injecting into the capacitive element enough charge to cancel the charge accumulated in the capacitive element of the integrating circuit,Integration circuitCapacitance elementThe electric charge accumulated in is reset. Based on this saturation signal, the value of the integral signal is calculated by the counting circuit.SecondEvents that exceed the reference voltage value are counted, and the counted value is output as a first digital signal. The integration signal output from the integration circuit isA third obtained by subtracting the first reference voltage value from the second reference voltage value;A / D conversion is performed by an A / D conversion circuit having a reference voltage value as an A / D conversion range, and the result of the A / D conversion isThe lower bits of the first digital signalIt is output as a second digital signal. The first and second digital signals are output signals of the photodetection device.
[0009]
The first photodetecting device according to the present invention comprises (1) a plurality of sets of light receiving elements, integrating circuits, comparison circuits, reset means and counting circuits, and one A / D conversion circuit is provided for the plurality of sets. (2) It further includes a hold circuit that is provided in each of the plurality of sets and holds the integration signal output from each integration circuit and sequentially outputs it to the A / D conversion circuit. In this case, since the first and second digital signals corresponding to the amount of light received by the light receiving elements of each group are sequentially output, a one-dimensional or two-dimensional light image can be captured. .
[0010]
The second photodetecting device according to the present invention includes (1) a light receiving element that outputs a current signal according to the amount of received light, and (2) a charge element according to the current signal output from the light receiving element. An integration circuit that outputs an integration signal corresponding to the amount of electric charge accumulated in the capacitive element and resets the electric charge accumulated in the capacitive element based on a control signal input from the outside; (3) A CDS signal having a value corresponding to the amount of change in the value of the integral signal is output, and a reset state is entered based on a control signal input from the outside, and the first reference voltage value indicating the reset level is used as the CDS signal. (4) Compare the value of the CDS signal with the second reference voltage value, and if the value of the CDS signal is greater than or equal to the second reference voltage value, output a saturation signal indicating that effect Based on the comparison circuit and (5) saturation signal When the value of the CDS signal is a second reference voltage value or more, enough to offset the charge stored in the capacitor of the integration circuitA certain amountA reset means for resetting the charge accumulated in the capacitive element of the integrating circuit by injecting the charge into the capacitive element; and (6) based on the saturation signal, the value of the CDS signal is greater than or equal to the second reference voltage value. A counting circuit that counts the generated event and outputs the counted value as a first digital signal; and (7) a third reference voltage value obtained by subtracting the first reference voltage value from the second reference voltage value. An A / D conversion circuit that performs A / D conversion on the CDS signal as an A / D conversion range, and outputs a result of the A / D conversion as a second digital signal of lower bits than the first digital signal; It is characterized by providing.
Further, the reset means includes a reset capacitance element, and based on the saturation signal, the constant amount of charge is accumulated in the reset capacitance element before the value of the integration signal reaches the second reference voltage value. When the signal value becomes equal to or higher than the second reference voltage value, the fixed amount of charge accumulated in the reset capacitor element is injected into the capacitor element of the integration circuit.
[0011]
According to this photodetection device, the current signal output from the light receiving element in accordance with the amount of received light is input to the integration circuit, and in this integration circuit, the electric charge corresponding to the current signal isCapacitance elementAccumulated, thatCapacitance elementAn integrated signal corresponding to the amount of accumulated charge is output.In the integration circuit, the charge accumulated in the capacitor element is reset based on a control signal input from the outside.A CDS (Correlated Double Sampling) circuit outputs a CDS signal having a value corresponding to the amount of change in the value of the integrated signal.In the CDS circuit, the first reference voltage value indicating the reset level is output as the CDS signal in a reset state based on a control signal input from the outside.In the comparison circuit, the value of the CDS signal output from the CDS circuit andSecondThe reference voltage value is compared in magnitude, and the CDS signal value isSecondIf it is equal to or higher than the reference voltage value, a saturation signal indicating that is output. Based on the saturation signal output from the comparison circuit by the reset means, the value of the CDS signal isSecondIntegration circuit when the reference voltage value is exceededCapacitance elementThe electric charge accumulated in is reset. Based on this saturation signal, the value of the CDS signal is calculated by the counting circuit.SecondEvents that exceed the reference voltage value are counted, and the counted value is output as a first digital signal. The CDS signal output from the CDS circuit isA third obtained by subtracting the first reference voltage value from the second reference voltage value;A / D conversion is performed by an A / D conversion circuit having a reference voltage value as an A / D conversion range, and the result of the A / D conversion isThe lower bits of the first digital signalIt is output as a second digital signal. The first and second digital signals are output signals of the photodetection device.
[0012]
The second photodetection device according to the present invention comprises (1) a plurality of sets of light receiving elements, integration circuits, CDS circuits, comparison circuits, reset means and counting circuits, and an A / D conversion circuit for these sets. (2) It further includes a hold circuit that is provided in each of a plurality of sets, holds a CDS signal output from each CDS circuit, and sequentially outputs it to the A / D conversion circuit. In this case, since the first and second digital signals corresponding to the amount of light received by the light receiving elements of each group are sequentially output, a one-dimensional or two-dimensional light image can be captured. .
[0013]
In the first or second photodetecting device according to the present invention, the reset unit resets the charge accumulated in the integration circuit by injecting charge sufficient to cancel the charge accumulated in the integration circuit. It is characterized by that. In this case, since the integration operation is resumed immediately after the reset operation of the integration circuit, the light detection time can be shortened, or a highly sensitive light detection result can be obtained.
[0014]
In the first photodetection deviceReceiveDepending on the mode of connection between the optical element and the integrating circuit, when the light receiving element receives light, the value of the integrated signal may decrease. In this case, the decrease width of the integrated signal and the reference voltage value may be reduced. The comparison circuit compares the size.
[0015]
Similarly, in the second photodetection deviceReceiveDepending on the mode of connection between the optical element and the integrating circuit, the value of the CDS signal may decrease when the light receiving element receives light. In this case, the decrease width of the CDS signal and the reference voltage value are different. The comparison circuit compares the size.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0017]
(First embodiment)
First, a first embodiment of the photodetecting device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a circuit diagram of the
[0018]
The photodiode PD has a cathode terminal at the power supply potential Vdd and an anode terminal connected to the input terminal of the integrating
[0019]
The integrating
[0020]
The
Capacitance element Ctwenty twoAnd switch element SW2Amplifier A2Between the inverting input terminal and the output terminal. The
[0021]
The
[0022]
The
[0023]
The OR
[0024]
Next, the operation of the
[0025]
First, at time t0, the switching element SW of the integrating
[0026]
At time t1, the switch element SW of the
[0027]
When the value of the CDS signal eventually becomes equal to or higher than the reference voltage value (Vinp2 + Vmax) in the
[0028]
As shown in FIG. 3, when the saturation signal becomes a logic value H at time t <b> 2, the logic signal output from the
[0029]
At each of the times t3, t4, and t5, an operation similar to the operation at the above time t2 occurs. That is, at each of these times, the first digital signal output from the
[0030]
In the timing chart shown in FIG. 2, the first digital signal output from the
[0031]
As described above, in the
[0032]
Further, in the
[0033]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the photodetecting device according to the present invention will be described. FIG. 4 is a circuit diagram of the
[0034]
The
[0035]
The operation of the
[0036]
After the time t1 and before the time t2, the saturation signal output from the
[0037]
When the saturation signal output from the
[0038]
When the saturation signal output from the
[0039]
At each of the times t3, t4, and t5, an operation similar to the operation at the above time t2 occurs. That is, at each of these times, the first digital signal output from the
[0040]
The
[0041]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the photodetecting device according to the present invention will be described. FIG. 6 is a circuit diagram of the
[0042]
In the present embodiment, the
[0043]
The
[0044]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the photodetecting device according to the present invention will be described. FIG. 7 is a circuit diagram of the photodetecting device 4 according to the fourth embodiment. The light detection device 4 according to the fourth embodiment is an array of the light detection devices 2 (FIG. 4) according to the second embodiment except for the A /
[0045]
The light detection device 4 according to the present embodiment includes L units (L ≧ 2) of units 100.1~ 100LThe shift register 200 and the A /
[0046]
As shown in the circuit diagram of FIG. 8, the
[0047]
The switch element array 80 is provided with a number of switch elements obtained by adding a
[0048]
The shift register 200 includes L sets of units 100.1~ 100LEach switch element row 80 is closed sequentially. The A /
[0049]
In the light detection device 4 according to the present embodiment, L sets of units 100 are provided.1~ 100LEach photodiode PD,
[0050]
In this embodiment, L sets of units 1001~ 100LIn each, the switch element SW of the
[0051]
After time t6, first, the first unit 1001Only the switch element array 80 is closed under the control of the shift register 200. And the first unit 1001The first digital signal of M bits output from the
[0052]
Subsequently, the second unit 1002Only the switch element array 80 is closed under the control of the shift register 200. And the second unit 1002The first digital signal of M bits output from the
[0053]
In the same manner, the unit 100Three~ 100LA digital signal corresponding to the amount of light received by each photodiode PD (first M signal of upper M bits + second digital signal of lower N bits) is sequentially output as an output signal of this photodetection device 4. The
[0054]
The photodetecting device 4 according to the present embodiment has the same effects as the effects exhibited by the
[0055]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
For example, in the fourth embodiment, the A /
[0056]
In the fourth embodiment, the photodetectors according to the second embodiment are arrayed. However, the photodetectors according to the first or third embodiment may be arrayed. In the third embodiment, the
[0057]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the current signal output from the light receiving element according to the amount of received light is input to the integrating circuit, and in this integrating circuit, the electric charge corresponding to the current signal is The accumulated signal is output according to the amount of the accumulated charge. In the comparison circuit, the value of the integration signal output from the integration circuit is compared with the reference voltage value, and if the value of the integration signal is greater than or equal to the reference voltage value, a saturation signal indicating that is output. The reset means resets the charge accumulated in the integration circuit when the value of the integration signal is equal to or higher than the reference voltage value based on the saturation signal output from the comparison circuit. Based on the saturation signal, the counting circuit counts an event in which the value of the integrated signal is equal to or higher than the reference voltage value, and outputs the counted value as a first digital signal. The integration signal output from the integration circuit is A / D converted by the A / D conversion circuit having the reference voltage value as the A / D conversion range, and the result of the A / D conversion is used as the second digital signal. Is output. The first and second digital signals are output signals of the photodetection device.
[0058]
Therefore, by providing a comparison circuit and a counting circuit in addition to the A / D conversion circuit, the dynamic range of light detection (the number of bits of the output digital signal) can be increased. In addition, since the charge accumulated in the integration circuit is not dumped, the problem of switching noise does not occur, the light detection accuracy is excellent, and it is suitable for detecting the amount of weak light. Further, the circuit scales of the comparison circuit, the counting circuit, and the reset means are small, so that the cost is low and the power consumption is small.
[0059]
Further, by providing the CDS circuit at the subsequent stage of the integration circuit, the influence of the offset variation included in the integration signal output from the integration circuit can be removed by the CDS circuit.
[0060]
In addition, by providing a plurality of sets of light receiving elements, integrating circuits, comparison circuits, reset means and counting circuits, first and second digital signals corresponding to the amount of light received by each light receiving element of each set are sequentially output. Therefore, a one-dimensional or two-dimensional light image can be taken with a large number of gradations.
[0061]
In addition, the reset means preferably resets the charge accumulated in the integration circuit by injecting a charge sufficient to cancel the charge accumulated in the integration circuit. Since the integration operation is resumed immediately after the reset operation, the integration action is not required for resetting.InterruptionSince it does not, integration can be performed continuously.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a photodetection device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the photodetecting device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a timing chart in which the time axis is enlarged to explain the operation in the vicinity of time t2 of the photodetecting device according to the first embodiment.
FIG. 4 is a circuit diagram of a photodetecting device according to a second embodiment.
FIG. 5 is a timing chart in which the time axis is enlarged to explain the operation in the vicinity of time t2 of the photodetecting device according to the second embodiment.
FIG. 6 is a circuit diagram of a photodetecting device according to a third embodiment.
FIG. 7 is a circuit diagram of a photodetecting device according to a fourth embodiment.
FIG. 8 is a circuit diagram of a hold circuit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-4 ... Photodetection device, 10 ... Integration circuit, 20 ... CDS circuit, 30 ... Comparison circuit, 40 ... Count circuit, 50 ... A / D conversion circuit, 61 ... OR circuit, 62 ... Reset circuit, 70 ... Hold Circuit, 80 ... switch element array, 200 ... shift register.
Claims (4)
前記受光素子から出力された電流信号に応じて電荷を容量素子に蓄積して、その容量素子に蓄積された電荷の量に応じた積分信号を出力するとともに、外部から入力される制御信号に基づいて前記容量素子に蓄積されている電荷をリセットし、当該リセット状態であるときにリセットレベルを示す第1基準電圧値を前記積分信号として出力する積分回路と、
前記積分信号の値と第2基準電圧値とを大小比較して、前記積分信号の値が前記第2基準電圧値以上であれば、その旨を示す飽和信号を出力する比較回路と、
前記飽和信号に基づいて、前記積分信号の値が前記第2基準電圧値以上であるときに、前記積分回路の容量素子に蓄積されている電荷を相殺するだけの一定量の電荷を該容量素子に注入することで、前記積分回路の容量素子に蓄積されている電荷をリセットするリセット手段と、
前記飽和信号に基づいて、前記積分信号の値が前記第2基準電圧値以上となった事象を計数して、その計数値を第1のデジタル信号として出力する計数回路と、
前記第2基準電圧値から前記第1基準電圧値を減算して得られる第3基準電圧値をA/D変換レンジとして前記積分信号をA/D変換して、そのA/D変換の結果を前記第1のデジタル信号より下位のビットの第2のデジタル信号として出力するA/D変換回路と、
を備え、
前記リセット手段は、リセット用容量素子を含み、前記飽和信号に基づいて、前記積分信号の値が前記第2基準電圧値に達する前に前記リセット用容量素子に前記一定量の電荷を蓄積しておき、前記積分信号の値が前記第2基準電圧値以上となったときに前記リセット用容量素子に蓄積されていた前記一定量の電荷を前記積分回路の容量素子に注入する、
ことを特徴とする光検出装置。A light receiving element that outputs a current signal according to the amount of light received;
In accordance with the current signal output from the light receiving element, electric charge is accumulated in the capacitive element, and an integrated signal corresponding to the amount of electric charge accumulated in the capacitive element is output, and based on a control signal input from the outside An integration circuit that resets the charge accumulated in the capacitive element and outputs a first reference voltage value indicating a reset level as the integration signal when in the reset state;
A comparison circuit that compares the value of the integral signal with a second reference voltage value and outputs a saturation signal indicating that if the value of the integral signal is equal to or greater than the second reference voltage value;
Based on the saturation signal, when the value of the integration signal is greater than or equal to the second reference voltage value, a certain amount of charge that only cancels the charge accumulated in the capacitance element of the integration circuit Resetting means for resetting the electric charge accumulated in the capacitive element of the integrating circuit,
A counting circuit that counts an event in which the value of the integrated signal is equal to or greater than the second reference voltage value based on the saturation signal, and outputs the counted value as a first digital signal;
The integrated signal is A / D converted using the third reference voltage value obtained by subtracting the first reference voltage value from the second reference voltage value as an A / D conversion range, and the result of the A / D conversion is obtained. An A / D conversion circuit that outputs a second digital signal of lower bits than the first digital signal;
Bei to give a,
The reset means includes a reset capacitance element, and based on the saturation signal, accumulates the fixed amount of charge in the reset capacitance element before the value of the integration signal reaches the second reference voltage value. When the value of the integration signal becomes equal to or higher than the second reference voltage value, the fixed amount of charge accumulated in the reset capacitor element is injected into the capacitor element of the integrator circuit.
An optical detection device characterized by that.
前記複数組それぞれに設けられ、各積分回路から出力される積分信号を保持して前記A/D変換回路へ順次に出力するホールド回路を更に備える、
ことを特徴とする請求項1記載の光検出装置。A plurality of sets of the light receiving element, the integration circuit, the comparison circuit, the reset means, and the counting circuit, and one A / D conversion circuit for the plurality of sets,
A hold circuit that is provided in each of the plurality of sets, holds an integration signal output from each integration circuit, and sequentially outputs the integration signal to the A / D conversion circuit;
The photodetection device according to claim 1.
前記受光素子から出力された電流信号に応じて電荷を容量素子に蓄積して、その容量素子に蓄積された電荷の量に応じた積分信号を出力するとともに、外部から入力される制御信号に基づいて前記容量素子に蓄積されている電荷をリセットする積分回路と、
前記積分信号の値の変化量に応じた値のCDS信号を出力するとともに、外部から入力される制御信号に基づいてリセット状態となってリセットレベルを示す第1基準電圧値を前記CDS信号として出力するCDS回路と、
前記CDS信号の値と第2基準電圧値とを大小比較して、前記CDS信号の値が前記第2基準電圧値以上であれば、その旨を示す飽和信号を出力する比較回路と、
前記飽和信号に基づいて、前記CDS信号の値が前記第2基準電圧値以上であるときに、前記積分回路の容量素子に蓄積されている電荷を相殺するだけの一定量の電荷を該容量素子に注入することで、前記積分回路の容量素子に蓄積されている電荷をリセットするリセット手段と、
前記飽和信号に基づいて、前記CDS信号の値が前記第2基準電圧値以上となった事象を計数して、その計数値を第1のデジタル信号として出力する計数回路と、
前記第2基準電圧値から前記第1基準電圧値を減算して得られる第3基準電圧値をA/D変換レンジとして前記CDS信号をA/D変換して、そのA/D変換の結果を前記第1のデジタル信号より下位のビットの第2のデジタル信号として出力するA/D変換回路と、
を備え、
前記リセット手段は、リセット用容量素子を含み、前記飽和信号に基づいて、前記積分信号の値が前記第2基準電圧値に達する前に前記リセット用容量素子に前記一定量の電荷を蓄積しておき、前記積分信号の値が前記第2基準電圧値以上となったときに前記リセット用容量素子に蓄積されていた前記一定量の電荷を前記積分回路の容量素子に注入する、
ことを特徴とする光検出装置。A light receiving element that outputs a current signal according to the amount of light received;
In accordance with the current signal output from the light receiving element, electric charge is accumulated in the capacitive element, and an integrated signal corresponding to the amount of electric charge accumulated in the capacitive element is output, and based on a control signal input from the outside An integrating circuit for resetting the charge accumulated in the capacitive element;
A CDS signal having a value corresponding to the amount of change in the value of the integral signal is output, and a first reference voltage value indicating a reset level is output as the CDS signal based on a control signal input from the outside. A CDS circuit to
A comparison circuit that compares the value of the CDS signal with a second reference voltage value and outputs a saturation signal indicating that if the value of the CDS signal is greater than or equal to the second reference voltage value;
Based on the saturation signal, when the value of the CDS signal is greater than or equal to the second reference voltage value, a certain amount of charge that only cancels the charge accumulated in the capacitive element of the integrating circuit Resetting means for resetting the electric charge accumulated in the capacitive element of the integrating circuit,
A counting circuit for counting an event in which the value of the CDS signal is equal to or higher than the second reference voltage value based on the saturation signal, and outputting the counted value as a first digital signal;
The CDS signal is A / D converted using the third reference voltage value obtained by subtracting the first reference voltage value from the second reference voltage value as an A / D conversion range, and the result of the A / D conversion is obtained. An A / D conversion circuit that outputs a second digital signal of lower bits than the first digital signal;
Bei to give a,
The reset means includes a reset capacitance element, and based on the saturation signal, accumulates the fixed amount of charge in the reset capacitance element before the value of the integration signal reaches the second reference voltage value. When the value of the integration signal becomes equal to or higher than the second reference voltage value, the fixed amount of charge accumulated in the reset capacitor element is injected into the capacitor element of the integrator circuit.
An optical detection device characterized by that.
前記複数組それぞれに設けられ、各CDS回路から出力されるCDS信号を保持して前記A/D変換回路へ順次に出力するホールド回路を更に備える、
ことを特徴とする請求項3記載の光検出装置。A plurality of sets of the light receiving element, the integration circuit, the CDS circuit, the comparison circuit, the reset means, and the counting circuit, and one A / D conversion circuit for the plurality of sets,
A holding circuit that is provided in each of the plurality of sets and holds a CDS signal output from each CDS circuit and sequentially outputs the CDS signal to the A / D conversion circuit;
The photodetection device according to claim 3.
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