CN101023330A - 光检测装置 - Google Patents

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Abstract

像素部(Pm，n)包含有光电二极管(PD)、第1电容部(C1)、第2电容部(C2)及晶体管(T1～T6)。晶体管(T1)将由光电二极管(PD)所产生的电荷传送到第1电容部(C1)。晶体管(T2)将由光电二极管(PD)所产生的电荷传送到第2电容部(C2)。放大用晶体管(T3)输出与蓄积在第1电容部(C1)的电荷的量相对应的电压值。晶体管(T4)将从放大用晶体管(T3)输出的电压值选择性地输出到配线(L1，n)。晶体管(T3)及晶体管(T4)构成源极追随电路。晶体管T5及晶体管(T6)对分别蓄积在第1电容部(C1)及第2电容部(C2)的电荷进行选择地输出到配线(L2，n)。

Description

光检测装置
技术领域
本发明涉及一种将光转换为电气信号而输出的光检测装置。
背景技术
光检测装置公知有利用CMOS(互补金属氧化物半导体电路：Complementary Metal Oxide Semiconductor)技术，另外，其中公知有主动像素(Active Pixel)方式(例如参照专利文献1)。主动像素方式的光检测装置具有主动像素型的像素部，该像素部包含产生与入射光的强度相对应的量的电荷的光电二极管，在像素部中根据光的入射而在光电二极管中所产生的电荷经过由晶体管所构成的源极追随电路而进行电荷-电压转换，能以高感度且低噪声进行光检测。
当将在像素部中蓄积由光电二极管所产生的电荷的浮游扩散区域的蓄积电荷电容值设为Cf、该电荷的量设为Q时，由电荷-电压转换所得到的输出电压值V是以「V＝Q/Cf」所成的公式来表示。由该公式可知，通过减少浮游扩散区域的蓄积电荷电容值Cf能够提高光检测的感度。
专利文献1：特开平11-274454号公报
发明内容
另一方面，输出电压值V则由于可使用的电源电压范围及电路系统的限制，因此其上限为数V左右。另外，由于可蓄积在浮游扩散区域内的电荷的量Q也有上限，因此输出电压值V会因此而被限制。
为了要加大能够蓄积在该浮游扩散区域内的电荷的量Q的上限值(饱和电荷量)，则考虑加大浮游扩散区域的蓄积电荷电容值Cf、或加大电源电压值。但是为了要加大浮游扩散区域的电容值Cf，由于必须要通过微细的CMOS制程来制造，因此不得不减少电源电压值，结果会使得饱和电荷量无法加大。另外，当加大浮游扩散区域的蓄积电荷电容值Cf时，则会失去高感度的优点。
如上所述，以往的光检测装置，虽然能够以高感度，但是由于饱和电荷量的限制，具有光检测的动态范围(dynamic range)低的缺点。
本发明则是有鉴于上述问题点而提出，其目的在于提供一种能够以高感度且高动态范围来进行光检测的光检测装置。
本发明的种光检测装置，其特征在于：具有，(1)像素部，包括：产生与入射光强度相对应的量的电荷的光电二极管；蓄积由光电二极管所产生的电荷的第1电容部；蓄积由光电二极管所产生的电荷，并且具有与第1电容部相比较大的电荷蓄积容量的第2电容部；将由光电二极管所产生的电荷分别传送到第1电容部及第2电容部的第1传送器件及第2传送器件；栅极端子与第1电容部连接，并输出与蓄积在第1电容部的电荷的量相对应的电压值的放大用晶体管；对从放大用晶体管输出的电压值进行选择地输出的第1输出器件；对分别蓄积在第1电容部及第2电容部中的电荷进行选择地输出的第2输出器件；对第1电容部及第2电容部的各自的电荷进行初始化的初始化器件；(2)第1信号处理部，读取由像素部的第1输出器件输出的电压值，并输出与该电压值相对应的第1电压值；(3)第2信号处理部，读取由像素部的第2输出器件输出的电荷量，并输出与该电荷量相对应的第2电压值。
在该光检测装置中，当在像素部，在光电二极管产生与入射光强度相对应的量的电荷时，该电荷利用第1传送器件进行传送，并利用第1电容部进行蓄积、或利用第2传送器件进行传送，并利用第2电容部进行蓄积。从放大用晶体管输出与蓄积在第1电容部的电荷的量相对应的电压值，利用第1输出器件对其电压值从像素部进行选择地输出。通过第2输出器件对分别蓄积在第1电容部及第2电容部的电荷从像素部进行选择地输出。利用第1信号处理部读取由像素部的第1输出器件输出的电压值，并输出与该电压值相对应的第1电压值。另外，利用第2信号处理部读取由像素部的第2输出器件输出的电荷量，并输出与该电荷量相对应的第2电压值。第1电压值是以高感度来表示对于像素部的入射光强度。另一方面，第2电压值是以高动态范围来表示对于像素部的入射光强度。
本发明的光检测装置，(1)像素部还包含，不经由第1电容部及第2电容部，对由光电二极管所产生的电荷进行选择地输出的第3输出器件、(2)还具有读取由像素部的第3输出器件输出的电荷量，并输出与该电荷量相对应的第3电压值的第3信号处理部。第2信号处理部也可以兼作第3信号处理部。在此情况下，由像素部的光电二极管产生的电荷，在不经由第1电容部及第2电容部的情况下，通过第3输出器件选择地输出。由第3信号处理部读取其电荷量，并输出与该电荷量相对应的第3电压值。该第3电压值以高动态范围来表示对于像素部的入射光强度。
第2信号处理部包含有(1)具有第1输入端子、第2输入端子及输出端子，将由像素部的第2输出器件输出的电荷量输入到第1输入端子，并将基准电压输入到第2输入端子的放大器，和(2)连接在放大器的第1输入端子与输出端子之间的反馈电容部；将由像素部的第2输出器件输出的电荷量蓄积在反馈电容部，并输出与该蓄积电荷量相对应的第2电压值。另外，第2信号处理部的放大器的第1输入端子则经由共同端子与像素部的第2输出器件和初始化器件连接，从第2信号处理部的放大器的第2输入端子输入的基准电压的值为可变。此时，反馈电容部的电容值为可变。
本发明的光检测装置，还具有输入从第1信号处理部输出的第1电压值、和从第2信号处理部输出的第2电压值，并对第1电压值及第2电压值中任意一个电压值进行选择地输出的选择部。或者，本发明的光检测装置，在具有第3信号处理部时，还具有输入从第1信号处理部输出的第1电压值、从第2信号处理部输出的第2电压值，和从第3信号处理部输出的第3电压值，并对第1电压值、第2电压值、及第3电压值中任何一个电压值进行选择地输出的选择部。还优选具有输入从选择部输出的电压值并进行A/D转换，而输出与该电压值相对应的数字值的A/D转换部。另外，还优选具有输入从A/D转换部输出的数字值，并与在选择部所选择任意一个相对应，对数字值的位进行位移并输出的位位移部。
根据本发明，能够以高感度且高动态范围来进行光检测。
附图说明
图1为本发明的实施方式的光检测装置1的概略结构图。
图2为图1的光检测装置1的光检测部10的结构图。
图3为包含在图2的光检测部10中的像素部Pm，n的电路图。
图4为包含在像素部Pm，n中的光电二极管PD的剖面图。
图5为图1的光检测装置1的第1信号处理部20的结构图。
图6为在图5的第1信号处理部20中的电压保持部Hn的电路图。
图7为图1的光检测装置1的第2信号处理部30的结构图。
图8为包含在图7的第2信号处理部30的积分电路31n、CDS电路32n及保持电路33n的各电路图。
图9为图1的光检测装置1的数据输出部40的结构图。
图10为说明图1的光检测装置1的动作例的时序图。
符号说明
1：光检测装置
10：光检测部
20：第1信号处理部
30：第2信号处理部
40：数据输出部
50：定时控制部
具体实施方式
以下参照附图详细地说明用于实施本发明的优选实施方式。而且，在对附图进行说明时，则对同一个元件附加相同的符号，且省略其重复的说明。另外，M及N分别是2以上的整数，并且不特别说明，m为1以上M以下的任意的整数，n为1以上N以下的任意的整数。
图1为本发明的实施方式的光检测装置1的概略结构图。图2为光检测装置1的光检测部10的结构图。在上述图中所示的光检测装置1具有光检测部10、第1信号处理部20、第2信号处理部30、数据输出部40及定时控制部50。这些优选形成在共同的半导体基板上，此时的基板上的配置优选为如图所示。而且，定时控制部50虽然是控制该光检测装置1的整体的动作，但也可以被分割为多个部分而被配置在基板上的相互分开的位置上。
光检测部10具有被二维排列为M行N列的M×N个像素部Pm，n。各像素部Pm，n位于第m行第n列。各像素部Pm，n具有包含光电二极管等在内的共同的构成，将与入射到该光电二极管的光的强度相对应的电压值输出到配线L1，n，同时，将与该光强度相对应的量的电荷输出到配线L2，n。各配线L1，n与位于第n列的M个的各像素部P1，n～PM，n的另一端子共同地连接。另外，各配线L2，n与位于第n列的M个像素部P1，n～PM，n分的各自的另一端子共同地连接。
第1信号处理部20则被连接到N个配线L1.1～L1，N，输入从各像素部Pm，n输出到配线L1，n的电压值，在进行规定的处理后，依次输出表示像素数据的第1电压值V1，m，n。各电压值V1，m，n是一与入射到像素部Pm，n的光的强度相对应的值。特别是该第1电压值V1，m，n，当像素部Pm，n的电容部未饱和时，即，当向像素部Pm，n的入射光的强度比较小时，将以高感度检测该入射光强度的结果以高精度进行表示。
第2信号处理部30与N个配线L2，1～L2，N相连接，输入从各像素部Pm，n输出到配线L2，n的电荷，将该电荷蓄积在电容部，并依次输出与蓄积在该电容部的电荷的量相对应的第2电压值V2，m，n。包含在该第2信号处理部30中的电容部的电容值与包含在像素部Pm，n的电容部的电容值相比较大。各电压值V2，m，n，为与入射到像素部Pm，n的光的强度相对应的值。另外，该第2电压值V2m，n，当像素部Pm，n的电容部饱和时，即，当向像素部Pm，n的入射光的强度比较大时，则将检测该入射光强度的结果以高精度进行表示。
数据输出部40输入从第1信号处理部20输出的第1电压值V1，m，n和从第2信号处理部30输出的第2电压值V2m，n，进行所设定的处理而输出数字值Dm，n。各数字值Dm，n是对第1电压值V1，m，n和第2电压值V2，m，n的任意一者进行A/D转换后的结果的值，表示入射到像素部Pm，n的光的强度。
定时控制部50则控制光检测部10、第1信号处理部20、第2信号处理部30和数据输出部40的各自的动作。定时控制部50则通过例如移位缓存器电路而以规定的定时产生各种的控制信号，将这些控制信号分别送出到光检测部10、第1信号处理部20、第2信号处理部30及数据输出部40。此外，在图1及图2中，省略掉用于传送控制信号的配线的图示。
图3为包含在光检测装置1的光检测部10中的像素部Pm，n的电路图。各像素部Pm，n包含有光电二极管PD、第1电容部C1、第2电容部C2及晶体管T1～T6。光电二极管PD产生与入射光强度相对应的量的电荷，将其阳极端子设为接地电位。第1电容部C1及第2电容部C2各自的第1端接地，蓄积由光电二极管PD所产生的电荷。第2电容部C2的电容量与第1电容部C1的电容量相比较大，优选为第1电容部C1的电容量的10倍以上。
晶体管T1设置在光电二极管PD的阴极端子和第1电容部C1的第2端之间，当输入到栅极端子的Trans1为高电平时，则源极端子与漏极端子之间成为低电阻，而当作将由光电二极管PD所产生的电荷传送到第1电容部C1的第1传送器件来使用。另外，晶体管T2设置在光电二极管PD的阴极端子与第2电容部C2的第2端之间，当输入到栅极端子的Trans2为高电平时，则源极端子与漏极端子之间成为低电阻，而当作将由光电二极管PD所产生的电荷传送到第2电容部C2的第2传送器件来使用。
放大用晶体管T3，其栅极端子与第1电容部C1连接，而输出与蓄积在第1电容部C1中的电荷的量相对应的电压值。而且，第1电容部C1也可以是形成在放大用晶体管T3的栅极端子的寄生电容部、还可以是有意形成的电容部。晶体管T4设置在放大用晶体管T3与配线L1，n之间，当输入到栅极端子的Select信号为高电平时，则源极端子与漏极端子之间成为低电阻，而当作将从放大用晶体管T3输出的电压值选择地输出到配线L1，n的第1输出器件来使用。在配线L1，n上连接有定电流源。晶体管T3及晶体管T4构成源极追随电路。
晶体管T5设置在第1电容部C1与配线L2，n之间，当输入到栅极端子的Reset信号为高电平时，则源极端子与漏极端子之间成为低电阻。另外，晶体管T6设置在第1电容部C1与第2电容部C2之间，当输入到栅极端子的Com信号为高电平时，则源极端子与漏极端子之间成为低电阻。这些晶体管T5及晶体管T6，除了可当作将分别蓄积在第1电容部C1及第2电容部C2的电荷选择地输出到配线L2，n的第2输出器件来使用外，也可以作为对第1电容部C1及第2电容部C2的各自电荷进行初始化的初始化器件来使用。这些第2输出器件及初始化器件则经由共同端子而与第2信号处理部30连接。
如上构成的各像素部Pm，n，当Trans1信号为低电平，而Reset信号及Com信号为高电平时，当从配线L2，n将偏压电位输入到晶体管T5时，则对第1电容部C1及第2电容部C2的各自电荷进行初始化。若Select信号为高电平，则将与其初始化状态相对应的电压值(暗信号成分)从放大用晶体管T3经由晶体管T4输出到配线L1，n。
另一方面，当Reset信号为低电平，而Trans1为高电平时，则由光电二极管PD所产生的电荷被蓄积在第1电容部C1。另外，当Reset信号为低电平，而Trans2为高电平时，则由光电二极管PD所产生的电荷被蓄积在第2电容部C2。此外，若Select信号为高电平，则与在第1电容部C1中的蓄积电荷量相对应的电压值(明信号成分)从放大用晶体管T3经由晶体管T4输出到配线L1，n。另外，当Reset信号及Com信号成为高电平时，则被蓄积在第1电容部C1中的电荷经由晶体管T5输出到配线L2，n，而蓄积在第2电容部C2中的电荷经由晶体管T6及晶体管T5输出到配线L2，n
此外，从定时控制部50分别输出Trans1信号、Trans2信号、Select信号、Reset信号及Com信号。
图4为包含在像素部Pm，n中的光电二极管PD的剖面图。如图所示，光电二极管PD优选为埋入型。光电二极管PD构成为，包含p区域101、该p区域101上的n-区域102、该n-区域102上的p+区域103。p区域101与n-区域102形成pn接合，在n-区域102与p+区域103之间也形成pn接合。另外，n-区域102的一部分则到达半导体表面。
晶体管T1构成为，包括p区域101上的n区域104、在n-区域102中到达半导体层表面的部分、和作为它们之间的区域而形成在绝缘层105上的栅极106。n区域104，与放大用晶体管T3的栅极端子电连接，与晶体管T5的源极端子电连接。p区域101与n区域104形成pn接合，在像素部Pm，n内构成蓄积由光电二极管PD所产生的电荷的第1电容部C1。
如上，当光电二极管PD为埋入型时，则能够抑制由表面所产生的漏电流的发生。另外，在将由光电二极管PD所产生的电荷传送到第1电容部C1的期间，通过加大光电二极管PD的逆向偏压电压而使得在光电二极管PD的pn接合部的耗尽层成为完全，使光电二极管PD的接合电容值几乎为零，由此，能够几乎完全地将由光电二极管PD所产生的电荷传送到第1电容部C1。因此，当光电二极管PD为埋入型时，则能够有效地提高光检测的S/N比及实现高感度。
图5为光检测装置1的第1信号处理部20的结构图。第1信号处理部20包含N个电压保持部H1～HN、2个电压追随电路F1、F2及减法电路S。各电压保持部Hn具有共同的构造，与配线L1，n连接，输入分别从位于第n列的M个像素部P1，n～PM，n输出到配线L1，n的电压值，并可对其进行保持、或可输出该保持的电压值。N个电压保持部H1～HN分别依次输出电压值。各电压保持部Hn所保持并输出的电压值则是在相互不同的时刻从像素部Pm，n输出的2个电压值Vn，1、Vn，2。
2个电压追随电路F1、F2分别具有共同的构造，使放大器的反转输入端子与输出端子相互直接连接，具有高输入阻抗及低输出阻抗，是理想上放大率为1的放大电路。一个电压追随电路F1将分别从N个电压保持部H1～HN依次输出的一个电压值Vn，1输入到非反转输入端子。另一个电压追随电路F2将分别从N个电压保持部H1～HN依次输出的另一个电压值Vn，2输入到非反转输入端子。
减法电路S具有放大器及4个电阻器R1～R4。放大器的反转输入端子经由电阻器R1而与电压追随电路F1的输出端子连接，并经由电阻器R3而与自己的输出端子连接。放大器的非反转输入端子经由电阻器R2而与电压追随电路F2的输出端子连接，经由电阻器R4而与接地电位连接。当将电压追随电路F1、F2各自的放大率设为1，而4个电阻器R1～R4各自的电阻值相等时，从减法电路S的输出端子输出的第1电压值V1，m，n以「V1，m，n＝Vn，2-Vn，1」的公式进行表示。
图6为包含在光检测装置1的第1信号处理部20中的电压保持部Hn的电路图。各电压保持部Hn包含有第1保持部Hn，1及第2保持部Hn，2。第1保持部Hn，1及第2保持部Hn，2均为同样的构造，输入从位于第n列的M个像素部P1，n～PM，n各个的晶体管T4依次输出的电压值，并可对其进行保持、或可输出该保持的电压值。
第1保持部Hn，1包含晶体管T11、晶体管T12、及电容元件C10。电容元件C10的一端设为接地电位，电容元件C10的另一端分别与晶体管T11的漏极端子及晶体管T12的源极端子连接。晶体管T11的源极端子经由配线L1，n而与像素部Pm，n的晶体管T4连接。晶体管T12的漏极端子则与电压追随电路F1连接。如此构成的第1保持部Hn，1当输入到晶体管T11的栅极端子的Hold1信号为高电平时，让从经配线L1，n而连接的像素部Pm，n输出的电压值保持在电容元件C10，当输入到晶体管T12的栅极端子的Output信号为高电平时，将保持在电容元件C10的电压值Vn，1输出到电压追随电路F1。
第2保持部Hn，2包含晶体管T21、晶体管T22、及电容元件C20。电容元件C20的一端设为接地电位，电容元件C20的另一端分别与晶体管T21的漏极端子及晶体管T22的源极端子连接。晶体管T21的源极端子经由配线L1，n而与像素部Pm，n的晶体管T4连接。晶体管T22的漏极端子则与电压追随电路F2连接。如此构成的第2保持部Hn，2，当输入到晶体管T21的栅极端子的Hold2信号为高电平时，让从经配线L1，n而连接的像素部Pm，n输出的电压值保持在电容元件C20，当输入到晶体管T22的栅极端子的Output信号为高电平时，将保持在电容元件C20的电压值Vn，2输出到电压追随电路F2。
第1保持部Hn，1及第2保持部Hn，2分别以相互不同的定时进行动作。例如第1保持部Hn，1当在经由配线L1，n而连接的像素部Pm，n中Trans1信号为低电平，Reset信号及Select信号分别为高电平时，则对所输入的从放大用晶体管T3输出的电压值(暗信号成分)Vn，1进行保持。另一方面，第2保持部Hn，2当在经由配线L1，n而连接的像素部Pm，n中的Reset信号为低电平，Trans1信号及Select信号分别为高电平时，则对所输入的从放大用晶体管T3输出的电压值(明信号成分)Vn，2进行保持。而且，从定时控制部50分别输出Hold1信号、Hold2信号及Output信号。
图7为光检测装置1的第2信号处理部30的结构图。第2信号处理部30包含N个积分电路311～31N、N个CDS(相关双取样：Correlated Double Sampling)电路321～32N、及N个保持电路331～33N。各积分电路31n具有共同的构造，与配线L2，n连接，输入分别从位于第n列的M个像素部P1，n～PM，n输出到配线L2，n的电荷，对其进行蓄积，并输出与该蓄积电荷量相对应的电压值。各CDS电路32n具有共同的构造，输入从积分电路31n输出的电压值，并输出与分别在某个时刻和其它时刻上的输入电压值的差相对应的电压值。各保持电路33n具有共同的构造，输入从CDS电路32n输出的电压值，对其进行保持，并输出该保持的电压值V2，m，n。
图8为包含在第2信号处理部30中的积分电路31n、CDS电路32n及保持电路33n的各电路图。
各积分电路31n包含有放大器A31、电容元件C311～C313及开关SW310～SW314。放大器A31的非反转输入端子经由开关SW314施加基准电压Vref1及基准电压Vref2的任意一者。基准电压Vref2与基准电压Vref1相比较大，例如基准电压Vref1为1.5V左右，基准电压Vref2为3V左右。放大器A31的反转输入端子与配线L2，n连接，输入分别从位于第n列的M个像素部P1，n～PM，n输出到配线L2，n的电荷。
在放大器A31的反转输入端子与输出端子之间相互并联设置有，开关SW310，串联连接的电容元件C311及开关SW311、串联连接的电容元件C312及开关SW312、以及串联连接的电容元件C313及开关SW313。电容元件C311～C313及开关SW311～SW313构成电容值为可变的反馈电容部。即，将由这些所构成的反馈电容部连接在放大器A31的反转输入端子与输出端子之间，并根据开关SW311～SW313的各自的开闭状态而具有不同的电容值。
电容元件C311～C313的各自的电容值与在像素部Pm，n中的第1电容部C1的电容部相比较大。反馈电容部的电容值的最大值为在像素部Pm，n中的第1电容部C1及第1电容部C2的电容值的和的程度，或在其以上。反馈电容部的电容值的最大值依赖于开关SW311～SW313的各自的开闭动作的状态，但是，若在开关SW311～SW313同时闭合时，反馈电容部的电容值的最大值为电容元件C311～C313的各自的电容值的总和，若在开关SW311～SW313中只有任何一个闭合时，反馈电容部的电容值的最大值为在电容元件C311～C313的各自的电容值中的最大值。
在该积分电路31n中，当开关SW311～SW313闭合时，若SW310也闭合，则电容元件C311～C313放电，对从放大器A31的输出端子输出的电压值进行初始化。若SW310开放，则经由配线L2，n而输入的电荷被蓄积在反馈电容部，从放大器A31的输出端子输出与该蓄积电荷量及反馈电容部的电容值相对应的电压值。
各CDS电路32n包含有放大器A32、电容元件C32及开关SW321、SW322。电容元件C32的一端经由开关SW321与积分电路31n的放大器A31的输出端子连接。电容元件C32的另一端与放大器A32的输入端子连接，并且经由开关SW322与接地电位连接。在该CDS电路32n中，在第1时刻将开关SW322从闭合状态转换为开放状态，在其后的第2时刻将开关SW321从闭合状态转换为开放状态，由此，从放大器A32的输出端子输出分别与在第1时刻及第2时刻上从积分电路31n输出的电压值的差相对应的电压值。
各保持电路33n包含电容元件C33及开关SW331、SW332。开关SW331的一端与CDS电路32n的放大器A32的输出端子相连接。开关SW332的一端与保持电路33n的输出端相连接。开关SW331的另一端与开关SW332的另一端相互连接，该连接点经由电容元件C33与接地电位连接。在该保持电路33n中，当开关SW331闭合时，从CDS电路32n输出的电压值保持在电容元件C33，当开关SW332闭合时，保持在电容元件C33的电压值作为第2电压值V2，m，n而被输出。
各积分电路31n的开关SW310～SW314、各CDS电路32n的开关SW321、SW322、及各保持电路33n的开关SW331、SW332分别根据从定时控制部50输出的控制信号进行开闭动作。
图9为该光检测装置1的数据输出部40的结构图。数据输出部40包含有选择部41、A/D转换部42及位位移部43。
选择部41输入从第1信号处理部20输出的第1电压值V1，m，n、及从第2信号处理部30输出的第2电压值V2，m，n，根据对第1电压值V1，m，n与基准值进行大小比较的结果，选择在第1电压值V1，m，n及第2电压值V2，m，n中的任意一个的电压值并进行输出。
具体地说，将基准值设定为，从第1信号处理部20输出的第1电压值的饱和值、或与其相比稍小的值。即，通过对第1电压值V1，m，n与基准值进行大小比较来判断像素部Pm，n的第1电容部C1是否已饱和。并且，选择部41，在第1电压值V1，m，n与基准值相比较小时，输出第1电压值V1，m，n，相反当第1电压值V1，m，n为基准值以上时则输出第2电压值V2，m，n。
而且，也可以不对第1电压值V1，m，n与基准值进行大小比较，而是对第2电压值V2，m，n与基准值进行大小比较。在此情况下，将基准值设定为，能够判断像素部Pm，n的第1电容部C1是否已饱和的值。
将从选择部41输出的电压值输入到A/D转换部42，对其进行A/D转换，并输出与电压值相对应的数字值。
向位位移部43输入从A/D转换部42输出的数字值，与在选择部41中所选择的第1电压值V1，m，n及第2电压值V2，m，n中的任意一者相对应，对输入数字值的位进行仅必须位数的位移，并输出。具体地说，对于包含在像素部Pm，n中的第1电容部C1的电容值，当各积分电路31n的的反馈电容部的电容值为的2K(K为1以上的整数)时，当在选择部41中选择第1电压值V1，m，n的情况下，位位移部43直接将输入数字值作为输出数字值Dm，n进行输出，另一方面，当在选择部41中选择第2电压值V2，m，n的情况下，位位移部43对输入数字值进行向上位移位仅K位，并作为输出数字值Dm，n进行输出。该输出数字值Dm，n可以是并行数据、也可以是串行数据。
如上所述，当像素部Pm，n中的第1电容部C1未饱和时，即，当对像素部Pm，n的入射光的强度比较小时，利用第1输出器件(晶体管T4)将与蓄积在像素部Pm，n的第1电容部C1中的电荷量相对应的电压值输出到配线L1，n，从第1信号处理部20输出与该电压值相对应的第1电压值V1，m，n，并作为数字值Dm，n从数据输出部40输出该第1电压值V1，m，n的A/D转换结果，因此能够以高感度进行光检测。
另一方面，当像素部Pm，n中的第1电容部C1饱和时(或处于即将饱和的状态时)，即，当对像素部Pm，n的入射光的强度比较大时，利用第2输出器件(晶体管T5、T6)将暂时蓄积在素部Pm，n的第1电容部C1及第2电容部C2的电荷输出到配线L2，n，由于从第2信号处理部30输出与该电压值相对应的第2电压值V2，m，n，作为数字值Dm，n从数据输出部40输出该第2电压值V2，m，n的A/D转换结果，因此能够以高动态范围进行光检测。
因此，本实施方式的光检测装置1能够以高感度及高动态范围进行摄像。
而且，在该光检测装置1中，各像素部Pm，n还包含，不经由上述第1电容部C1及上述第2电容部C2，对由上述光电二极管PD所产生的电荷进行选择地输出的第3输出器件。另外，还具有读取由各像素部Pm，n的第3输出器件输出的电荷量，并输出与该电荷量相对应的第3电压值V3，m，n的第3信号处理部。而且，虽然第3信号处理部可以与第2信号处理部30单独地设置，但第3信号处理部可以是与第2信号处理部30相同的构造。因此，第2信号处理部30能够兼作第3信号处理部。但是当第2信号处理部30兼作第3信号处理部时，第2信号处理部30除了具有保持第2电压值V2，m，n并进行输出的保持电路33n外，还具有保持第3电压值V3，m，n并进行输出的另外的保持电路。
另外，当如上所述设置有第3输出器件及第3信号处理部时，数据输出部40的选择部41输入从第1信号处理部20输出的第1电压值V1，m，n、从第2信号处理部30输出的第2电压值V2，m，n、及从第3信号处理部(当为兼用时为第2信号处理部30)输出的第3电压值V3，m，n，并选择上述第1电压值V1，m，n第2电压值V2，m，n、及第3电压值V3，m，n中的任意一个电压值进行输出。并且，位位移部43输入从A/D转换部42输出的数字值，并与在选择部41中所选择的第1电压值V1，m，n第2电压值V2，m，n、及第3电压值V3，m，n中的任意一者相对应，对输入数字值进行仅必须位数的位移，并输出。
当在选择部41中选择第3电压值V3，m，n的情况下，与选择第2电压值V2，m，n的情况相比，当对像素部Pm，n的入射光的强度更大时，从数据输出部40输出表示该入射光强度的数字值Dm，n，因此能够以高动态范围进行光检测。
下面，对该光检测装置1的动作的例子进行说明。图10为说明该光检测装置1的动作例的时序图。以下所说明的光检测装置1的动作是在根据从定时控制部50输出的各种的控制信号的控制下来进行。
在该图中，从上开始依次分别为表示，输入到各像素部Pm，n的晶体管T5的栅极端子的Reset信号、输入到各像素部Pm，n的晶体管T1的栅极端子的Trans1信号、输入到各像素部Pm，n的晶体管T2的栅极端子的Trans2信号、输入到各像素部Pm，n的晶体管T6的栅极端子的Com信号、输入到各像素部Pm，n的晶体管T4的栅极端子的Select信号、输入到电压保持部Hn的晶体管T11的栅极端子的Hold1信号、输入到电压保持部Hn的晶体管T21的栅极端子的Hold2信号的电平的时间变化。另外，在该图中分别表示对于包含在光检测部10的M×N个像素部Pm，n中的第m行的N个像素部Pm，1～Pm，N的动作。
在时刻t1之前，Reset信号、Trans1信号、Trans2信号、Com信号、Select信号、Hold1信号及Hold2信号分别为低电平。在时刻t1，Reset信号、Trans1信号、Trans2信号、Com信号、Select信号分别转换为高电平。另外，在积分电路31n中根据开关SW314的动作，将基准电压Vref2(例如3V)输入到放大器A31的非反转输入端子。由此，使各像素部Pm，n的第1电容部C1及第2电容部C2分别放电。其后，在时刻t2，Reset信号转换为低电平，另外，在时刻t2之前，Trans2信号及Com信号分别转换为低电平。
在时刻t2过后，Hold1信号暂时转换为高电平，而在时刻t3，Hold1信号转换为低电平。在时刻t3后部Hold2信号暂时转换为高电平，在从时刻t2经过规定期间的时刻t4，Hold2信号转换为低电平。另外，在时刻t4，Select信号转换为低电平。由此，在时刻t3从各像素部Pm，n的晶体管T4输出到配线L1，n的电压值(暗信号成分)Vn，1，在该时刻t3以后由电压保持部Hn的第1保持部Hn，1的电容元件C10进行保持。另外，在各像素部Pm，n中，在从时刻t2到时刻t4的规定期间内由光电二极管PD所产生的电荷被蓄积在第1电容部C1，在时刻t4，从各像素部Pm，n的晶体管T4输出到配线L1，n的电压值(明信号成分)Vn，2，在时刻t4以后由电压保持部Hn的第2保持部Hn，2的电容元件C20进行保持。然后，通过将分别输入到N个电压保持部H1～Hn的Output信号依次成为高电平，依次从第1信号处理部20输出对于第m行的N个像素部Pm，1～Pm，N的第1电压值V1，m，n(＝Vn，2-Vn，1)。
在时刻t4之后的时刻t5，Trans2信号转换为高电平，在之后的时刻t6，Trans2信号转换为低电平。由此，在各像素部Pm，n中，在时刻t2到时刻t6的期间内，将由光电二极管PD所产生的电荷蓄积在第1电容部C1及第2电容部C2两者中。
在时刻t6之后的时刻t7，Reset信号及Com信号分别转换为高电平。在之后的时刻t8，Com信号转换为低电平，同时，Trans1信号转换为高电平。再在之后的时刻t9，Reset信号及Trans1信号分别转换为低电平。
在Reset信号及Com信号为高电平的从时刻t7到时刻t8的期间内，将蓄积在各像素部Pm，n的第1电容部C1及第2电容部C2两者的电荷从晶体管T5输出到配线L2，n并输入到第2信号处理部30，从该第2信号处理部30输出与其电荷量相对应的第2电压值V2，m，n。
在从Reset信号及Trans1信号为高电平的时刻t8到时刻t9的期间内，由各像素部Pm，n中的光电二极管PD所产生的电荷，在不经由第1电容部C1及第2电容部C2的情况下，从晶体管T5输出到配线L2，n，并输入到第2信号处理部30。从该第2信号处理部30输出与其电荷量相对应的第3电压值V3，m，n。此时，也可以使第2信号处理部30的各积分电路31n的反馈电容部依次设定为各电容值，并对于各电容值，输出第3电压值V3，m，n。
另外，此时，在各积分电路31n中，利用开关SW314的动作，将基准电压Vref1(例如1.5V)输入到放大器A31的非反转输入端子。如上所述，通过将比较低的基准电压Vref2输入到放大器A31的非反转输入端子，能够提高光检测的动态范围。
因此，在时刻t9之后，在数据输出部40中，对于第m行的N个像素部Pm，1～Pm，N，分别利用选择部41选择第1电压值V1，m，n、第2电压值V2，m，n、及第3电压值V3，m，n中的任意一个电压值。利用A/D转换部42将该电压值转换为数字值，而且，与所选择3个电压值中的何意一者相对应，利用位位移部43对数字值进行仅必须位数的位移而输出数字值Dm，n。
如上所述，当对于第m行的N个像素部Pm，1～Pm，N分别结束处理时，对于下一个的第m+1行的N个像素部Pm+1，1～Pm+1，N进行处理。而且，也可以在对于第m行的N个像素部Pm，1～Pm，N分别在时刻t9之后，在数据输出部40中进行处理的期间，也可以针对下一个第m+1行的N个像素部Pm+1，1～Pm+1，N进行相当于从上述时刻t1到时刻t9为止的处理。
本发明并不限定于上述实施方式，也可以进行各种的变形。在上述实施方式中，虽然对于各列的M个像素部P1，n～PM，n将1个电压保持部HN设置在第1信号处理部20内，但也可以对于1个像素部Pm，n将1个电压保持部设置在第1信号处理部20内。在后者的情况下，与在同一期间内向各像素部Pm，n的入射光强度相对应的第1电压值V1，m，n，能够利用与该像素部Pm，n相对应的电压保持部进行保持。
另外，在上述实施方式中，对于各列的M个像素部P1，n～PM，n将1组的积分电路31n、CDS电路32n及保持电路33n设在第2信号处理部30内，但也可以针对1个像素部Pm，n将1组的积分电路、CDS电路及保持电路设在第2信号处理部30内。在后者的情况下，与在同一期间内向各像素部Pm，n的入射光强度相对应的第2电压值V2，m，n，能够利用与该像素部Pm，n相对应的电压保持部进行保持。对于第3信号处理部也是相同。
产业上的可利用性
本发明的光检测装置能够适用于在摄像装置或测光装置、测距装置等中所使用的固态拍摄元件等。

Claims (10)

1.一种光检测装置，其特征在于，具有：
像素部，包括：产生与入射光强度相对应的量的电荷的光电二极管；蓄积由所述光电二极管所产生的电荷的第1电容部；蓄积由所述光电二极管所产生的电荷，并且具有与所述第1电容部相比较大的电荷蓄积容量的第2电容部；将由所述光电二极管所产生的电荷分别传送到所述第1电容部及第2电容部的第1传送器件及第2传送器件；栅极端子与所述第1电容部连接，并输出与蓄积在所述第1电容部的电荷的量相对应的电压值的放大用晶体管；对从所述放大用晶体管输出的电压值进行选择地输出的第1输出器件；对分别蓄积在所述第1电容部及所述第2电容部中的电荷进行选择地输出的第2输出器件；对所述第1电容部及所述第2电容部的各自的电荷进行初始化的初始化器件；
第1信号处理部，读取由所述像素部的所述第1输出器件输出的电压值，并输出与该电压值相对应的第1电压值；
第2信号处理部，读取由所述像素部的所述第2输出器件输出的电荷量，并输出与该电荷量相对应的第2电压值。
2.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于：
所述像素部还包含，不经由所述第1电容部及所述第2电容部，对由所述光电二极管所产生的电荷进行选择地输出的第3输出器件，
还具有，读取由所述像素部的所述第3输出器件输出的电荷量，并输出与该电荷量相对应的第3电压值的第3信号处理部。
3.如权利要求2所述的光检测装置，其特征在于：
所述第2信号处理部兼作所述第3信号处理部。
4.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于：
所述第2信号处理部包含：
具有第1输入端子、第2输入端子及输出端子，将由所述像素部的所述第2输出器件输出的电荷量输入到所述第1输入端子，并将基准电压输入到所述第2输入端子的放大器；和
连接在所述放大器的所述第1输入端子与所述输出端子之间的反馈电容部；
将由所述像素部的所述第2输出器件输出的电荷量蓄积在所述反馈电容部中，并输出与该蓄积电荷量相对应的第2电压值。
5.如权利要求4所述的光检测装置，其特征在于：
所述第2信号处理部的所述放大器的所述第1输入端子经由共同端子与所述像素部的所述第2输出器件和所述初始化器件相连接，
从所述第2信号处理部的所述放大器的所述第2输入端子输入的基准电压的值可变。
6.如权利要求4所述的光检测装置，其特征在于：
所述反馈电容部的电容值可变。
7.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于：
还具有输入从所述第1信号处理部输出的第1电压值、和从所述第2信号处理部输出的第2电压值，对所述第1电压值和第2电压值中任意一个电压值进行选择地输出的选择部。
8.如权利要求2所述的光检测装置，其特征在于：
还具有输入从所述第1信号处理部输出的第1电压值、从所述第2信号处理部输出的第2电压值，和从所述第3信号处理部输出的第3电压值，并对所述第1电压值、第2电压值、和第3电压值中任意一个电压值进行选择地输出的选择部。
9.如权利要求7或8所述的光检测装置，其特征在于：
还具有输入从所述选择部输出的电压值并进行A/D转换，而输出与该电压值相对应的数字值的A/D转换部。
10.如权利要求9所述的光检测装置，其特征在于：
还具有输入从所述A/D转换部输出的数字值，并与在所述选择部中所选择任意一个相对应，对所述数字值的位进行位移并输出的位位移部。
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