JP2000244004A

JP2000244004A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2000244004A
Application number: JP11046474A
Authority: JP
Inventors: Masato Shinohara; 真人篠原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電力の軽減を課題とする。【解決手段】光信号を電気信号に変換する光電変換要
素と、光電変換要素の光信号発生部に接続された過剰電
荷掃出部と、光電変換要素から出力された信号量に基づ
いて過剰電荷掃出部を制御する制御部とを有することを
特徴とする光電変換装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光信号を電気信号に
変換する光電変換要素を有した光電変換装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の対数圧縮型光電変換装置の
一部分を表わす回路図であり、同図において、１は光電
変換要素であるフォトトランジスタ、２はフォトトラン
ジスタから出力されたエミッタ電流を出力するための出
力線、３はオペアンプ、４はダイオードである。ダイオ
ード４の両端はオペアンプ３の（−）入力端子と出力端
子に接続されてフォトトランジスタからのエミッタ電流
が順バイアスとして流れるようになり、３と４とでいわ
ゆるログアンプが形成されている。３の（＋）入力端子
は接地され、３の出力電位の絶対値はフォトトランジス
タからのエミッタ電流の対数値となる。出力が光信号電
流の対数であるため広いダイナミックレンジを持つこと
ができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、光照射により発生する光電流のフォトトラン
ジスタの電流増幅率が出力電流となる。したがって、非
常に強い光がフォトトランジスタ１に当たった場合、大
きなエミッタ電流が流れることになる。

【０００４】一般に、対数圧縮型光電変換装置は弱い光
から強い光まで広いダイナミックレンジの入射光に対応
するものであるが、あるレベル以上の強い光への対応は
不必要である。このような強すぎる入射光に対してまで
対数圧縮動作が行われると、消費電流だけが増してしま
うという欠点があった。

【０００５】光電変換要素に光信号電荷を蓄積し、その
信号電荷に対して出力電位が線形であるような光電変換
装置においては、蓄積画素にオーバフロードレインの役
目をするダイオードが形成されている。この構成は、蓄
積画素の電位上昇が光電流に比例する一方、オーバーフ
ロー電流は蓄積画素電位に対して指数的に上昇すること
が利用されている。しかるに、対数圧縮型光電変換装置
の場合、図４の１のフォトトランジスタのベース電位上
昇は光信号電流すなわちベース電流の対数になってお
り、単なるダイオード型オーバーフロードレインはその
役目を果たすことができなかった。

【０００６】本発明の目的は、対数圧縮型光電変換装置
においても、光信号電流の制限値設定を可能とし、必要
以上に強い入射光が生じた場合の消費電流を抑えること
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第１の手段として光信号を電気信号に変換する光電
変換要素と、光電変換要素の光信号発生部に接続された
過剰電荷掃出手段と、光電変換要素から出力された信号
の信号量に基づいて過剰電荷掃出手段を制御する制御手
段とを有することを特徴とする光電変換装置を提供す
る。

【０００８】また、第２の手段として上記第１の手段で
説明した光電変換装置において、制御手段は前記光電変
換要素の出力部に接続された電流−電圧変換手段を含
み、電流−電圧変換手段で発生した電圧によって過剰電
荷掃出手段を制御することを特徴としている光電変換装
置を提供する。

【０００９】また、第３の手段として上記第２の手段で
説明した光電変換装置において、前記過剰電荷掃出手段
はトランジスタを含むことを特徴とする光電変換装置を
提供する。

【００１０】また、第４の手段として上記第３の手段で
説明した光電変換装置において電流−電圧変換手段で発
生した電圧によってトランジスタの制御電極を制御する
ことを特徴とする光電変換装置を提供する。

【００１１】また、第５の手段として上記第２乃至第４
のいずれかの手段で説明した光電変換装置において、電
流−電圧変換手段は制御電極に所定電圧が印加されたト
ランジスタを含むことを特徴とする光電変換装置を提供
する。

【００１２】また、第６の手段として上記第２の手段で
説明した光電変換装置において、過剰電荷掃出手段はダ
イオードを含むことを特徴とする光電変換装置。

【００１３】また、第７の手段として上記の光電変換装
置において、電流−電圧変換手段で発生した電圧によっ
てダイオードの光電変換部と異なる側の電極の電位を制
御することを特徴とする光電変換装置を提供する。

【００１４】また、第８の手段として上記第２又は第６
又は第７のいずれかで説明した光電変換装置において、
電流−電圧変換手段は抵抗を含むことを特徴とする光電
変換装置を提供する。

【００１５】また、第９の手段として、光信号を電気信
号に変換する光電変換要素と、光電変換要素の光信号発
生部に接続された過剰電荷掃出手段とを含む画素を複数
有し、複数の画素内のそれぞれの前記光電変換要素から
出力されたそれぞれの信号の信号量に基づいて過剰電荷
掃出手段を制御する複数の制御手段と、それぞれの画素
から出力される信号を並列的に出力する出力線とを有す
ることを特徴とする光電変換装置を提供する。

【００１６】また、第１０の手段として上記第９の手段
で説明した光電変換装置において、制御手段は前記光電
変換要素の出力部に接続された電流−電圧変換手段を含
み、電流−電圧変換手段で発生した電圧によって過剰電
荷掃出手段を制御することを特徴としている光電変換装
置を提供する。

【００１７】また、第１１の手段として上記第１０の手
段で説明した光電変換装置において、前記過剰電荷掃出
手段はトランジスタを含むことを特徴とする光電変換装
置を提供する。

【００１８】また、第１２の手段として上記第１１の手
段で説明した光電変換装置において、電流−電圧変換手
段で発生した電圧によってトランジスタの制御電極を制
御することを特徴とする光電変換装置を提供する。

【００１９】また、第１３の手段として上記第２乃至第
４のいずれかの手段で説明した光電変換装置において、
電流−電圧変換手段は制御電極に所定電圧が印加された
トランジスタを含むことを特徴とする光電変換装置を提
供する。

【００２０】また、第１４の手段として上記第２の手段
で説明した光電変換装置において、過剰電荷掃出手段は
ダイオードを含むことを特徴とする光電変換装置。

【００２１】また、第１５の手段として上記の光電変換
装置において、電流−電圧変換手段で発生した電圧によ
ってダイオードの光電変換部と異なる側の電極の電位を
制御することを特徴とする光電変換装置を提供する。

【００２２】また、第１６の手段として上記第２又は第
６又は第７のいずれかで説明した光電変換装置におい
て、電流−電圧変換手段は抵抗を含むことを特徴とする
光電変換装置を提供する。

【００２３】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は本発明
の特徴をもっともよく表す図面であり、同図において、
５はフォトトランジスタからのエミッタ電流に制限をか
けるための電流−電圧変換手段であるＭＯＳトランジス
タ、６はＭＯＳトランジスタ５のゲート電位を決める端
子、７は余分な光発生電流を流し出すための過剰電荷掃
出手段であるＭＯＳトランジスタである。同図におい
て、図４と同一のものについては同じ番号を記して説明
を省略する。

【００２４】図１において、フォトトランジスタからの
エミッタ電流の制限値がＭＯＳトランジスタ５の飽和領
域動作ドレイン電流となるように端子６の電位を決め
る。

【００２５】つまり、ＭＯＳトランジスタは飽和領域で
は、Ｉ_d ＝Ｋ（Ｖ_gs−Ｖ_th）² の定電流になる。ここ
で、Ｉ_dsはドレイン電流、ＫはＭＯＳトランジスタの特
性で決まる定数、Ｖ_gsはゲート・ソース間電圧、Ｖ_thは
しきい値電圧である。上記の式のようにＭＯＳトランジ
スタのゲートの電位を制御することによりフォトトラン
ジスタからの光電流の制限値を決めることができる。
又、飽和領域の条件はＶ_d≧Ｖ_g −Ｖ_th（Ｖ_d ：ドレイ
ン電位、Ｖ_g ：ゲート電位）であるためＭＯＳトランジ
スタ６のドレイン電位がＶ_g −Ｖ_thになるまでは、フォ
トトランジスタからのエミッタ電流は制限値に達しな
い。

【００２６】そして、フォトトランジスタからのエミッ
タ電流が制限値に達するまでは、５のドレイン電位は低
い値にあるためＭＯＳトランジスタ７のゲートに印加さ
れる電位は低くなり、ＭＯＳトランジスタ７に流れるド
レイン電流は光信号電流に比べて十分小さい。しかしフ
ォトトランジスタからの電流が制限値に達するとＭＯＳ
トランジスタ６は飽和領域動作に入り、少しでも制限電
流を越えようとすると、ＭＯＳトランジスタ６のドレイ
ン電位すなわちＭＯＳトランジスタ７のゲート電位が急
上昇して、フォトトランジスタ１で発生する光電流はＭ
ＯＳトランジスタ７のドレイン電流として流れ出すの
で、フォトトランジスタからのエミッタ電流は制限値以
上流れることはなくなる。

【００２７】ここで、実施形態１では、電流−電圧変換
手段であるＭＯＳトランジスタ６と、ＭＯＳトランジス
タ６のドレイン電極と過剰電荷掃出手段であるＭＯＳト
ランジスタ７のゲート電極を接続する接続線とが制御手
段を構成している。

【００２８】（第２の実施形態）図２は、本発明第２の
実施形態を示す図であり、同図において８は電流−電圧
変換手段である抵抗、９は過剰電荷浸出手段であるダイ
オード、１０は電荷浸出用の電極であり、１５は電極１
０に所定電位を印加するための信号線である。図２にお
いて図１と共通する部分は同一の番号を記して説明を省
略する。

【００２９】図２において、抵抗８とダイオード９がな
ければ、フォトトランジスタ１のベース電位は、常温に
おいては、光電流が２倍になると約１８ｍＶ上昇する。

【００３０】フォトトランジスタからの光電流の制限電
流付近で抵抗８による電圧降下が電流が２倍になると１
８ｍＶ以上となるように抵抗８の抵抗値を設定しフォト
トランジスタ１に制限光電流の２倍が発生した時その半
分がダイオード９に流れ込むように信号線１１に電位を
印加することにより、入射光強度増加に対するフォトト
ランジスタからの光電流の増加は、制限電流を越える付
近で急激に鈍くなる。

【００３１】ここで、実施形態２では、電流−電圧変換
手段である抵抗８と、過剰電荷掃出手段であるダイオー
ド９の一方の端子に電位を印加する信号線１１とで制御
手段を構成している。

【００３２】以上２つの実施形態を説明したが、フォト
トランジスタの出力線には第１の実施形態と同じＭＯＳ
トランジスタ、フォトトランジスタのベースには第２の
実施形態と同じダイオードで構成する別の実施形態が考
えられ、またフォトトランジスタの出力線には第２の実
施形態と同じ抵抗、フォトトランジスタのベースには第
１の実施形態と同じＭＯＳトランジスタという組合せで
構成するさらに別の実施形態もありうる。

【００３３】（第３の実施形態）図３は本発明第３の実
施形態を示す図であり、同図において、１１はフォトト
ランジスタと同じ型のトランジスタ、１２は１１のエミ
ッタ出力線、１３は１１のベースに電流を流し込むため
の定電流源１４は５と同じ型のＭＯＳトランジスタであ
る。１４のドレインとゲートは１２及び５のゲートと接
続されている。その他の構成部は実施形態１と同じであ
る。

【００３４】図３において、１３の定電流源の電流値を
光信号電流の制限値にとると、５のゲート電位は、フォ
トトランジスタ１からのエミッタ電流が、光電流の制限
値にちょうど対応した値になった時に、５のＭＯＳトラ
ンジスタが飽和領域となるように設定される。

【００３５】図３の回路形式においては、バイポーラト
ランジスタの電流増幅率やＭＯＳトランジスタのしきい
電圧コンダクタンス等が温度、プロセス条件の変動によ
って変化しても、制限電流制御は自己補正されて正確に
なされる。

【００３６】１１、１２、１３、１４で構成される制限
電流制御回路は常に電流が流れるが、この回路１つで複
数の光電変換要素に対応できるので、光電変換要素の数
が多い場合には、強い光入射の時の消費電流制限に有効
である。

【００３７】上記の実施形態１乃至３では、光電変換要
素としてバイポーラトランジスタを示したが、光を受光
して光電変換した後、電流として出力するその他の光電
変換要素も含まれる。

【００３８】（第４の実施形態）図４は、第３の実施形
態で説明した実施形態を自動露出のための光電変換装置
に適用してものである。

【００３９】図４において、フォトトランジスタ１とＭ
ＯＳトランジスタ７からなる画素２０が３行３列の配列
をなし、ＭＯＳトランジスタ５のゲート電位を制御する
ための制限電流制御回路は３行３列の９画素で共通とな
っている。３行３列のそれぞれの画素から出力されるエ
ミッタ電流は、それぞれログアンプ２１を介して並列的
に出力されている。図４において、図３と同じ構成のも
のは同じ番号を付している。

【００４０】上記で説明した光電変換装置に光が当たる
と、それぞれの出力端子２２から、それぞれの画素２０
からのエミッタ電流がログアンプ２１を介して出力され
る。そしてそれぞれの出力端子２１から出力される電流
量に基づいて、露光制御がなされる。ここでそれぞれの
画素から出力されるエミッタ電流は、実施形態１で説明
したように、一定以上の光電流が発生した場合には、Ｍ
ＯＳトランジスタ７から掃出されることになる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
出力信号が対数圧縮されるような光電変換装置であって
も出力信号量の制限が可能となり、制限値以上の光信号
電荷が発生しても光電変換装置の消費電力をあるレベル
以内に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を説明する図である。

【図２】本発明の第２の実施形態を説明する図である。

【図３】本発明の第３の実施形態を説明する図である。

【図４】本発明の第４の実施形態を説明する図である。

【図５】従来例を説明する図である。

【符号の説明】

１フォトトランジスタ２出力線３オペアンプ４ダイオード５ＭＯＳトランジスタ６ゲート入力端子７ＭＯＳトランジスタ８抵抗９ダイオード１０電極端子１１トランジスタ１２出力線１３定電流源１４ＭＯＳトランジスタ１５信号線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光信号を電気信号に変換する光電変換要
素と、前記光電変換要素の光信号発生部に接続された過剰電荷
掃出手段と、前記光電変換要素から出力された信号の信号量に基づい
て前記過剰電荷掃出手段を制御する制御手段とを有する
ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】請求項１において、前記制御手段は前記
光電変換要素の出力部に接続された電流−電圧変換手段
を含み、前記電流−電圧変換手段で発生した電圧によっ
て前記過剰電荷掃出手段を制御することを特徴とする光
電変換装置。
【請求項３】請求項２において、前記過剰電荷掃出手
段はトランジスタを含むことを特徴とする光電変換装
置。
【請求項４】請求項３において、前記電流−電圧変換
手段で発生した電圧によって前記トランジスタの制御電
極を制御することを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】請求項２乃至請求項４のいずれか１項に
おいて、前記電流−電圧変換手段は制御電極に所定電圧
が印加されたトランジスタを含むことを特徴とする光電
変換装置。
【請求項６】請求項２において、前記過剰電荷掃出手
段はダイオードを含むことを特徴とする光電変換装置。
【請求項７】請求項６において、前記電流−電圧変換
手段で発生した電圧によって前記ダイオードの前記光電
変換部と異なる側の電極の電位を制御することを特徴と
する光電変換装置。
【請求項８】請求項２又は請求項６又は請求項７のい
づれか１項において、前記電流−電圧変換手段は抵抗を
含むことを特徴とする光電変換装置。
【請求項９】光信号を電気信号に変換する光電変換要
素と、前記光電変換要素の光信号発生部に接続された過剰電荷
掃出手段とを含む画素を複数有し、複数の画素内のそれぞれの前記光電変換要素から出力さ
れたそれぞれの信号の信号量に基づいて前記過剰電荷掃
出手段を制御する複数の制御手段と、前記それぞれの画
素から出力される信号を並列的に出力する出力線とを有
することを特徴とする光電変換装置。
【請求項１０】請求項９において、前記制御手段は前
記光電変換要素の出力部に接続された電流−電圧変換手
段を含み、前記電流−電圧変換手段で発生した電圧によ
って前記過剰電荷掃出手段を制御することを特徴とする
光電変換装置。
【請求項１１】請求項１０において、前記過剰電荷掃
出手段はトランジスタを含むことを特徴とする光電変換
装置。
【請求項１２】請求項１１において、前記電流−電圧
変換手段で発生した電圧によって前記トランジスタの制
御電極を制御することを特徴とする光電変換装置。
【請求項１３】請求項１０乃至請求項１２のいずれか
１項において、前記電流−電圧変換手段は制御電極に所
定電圧が印加されたトランジスタを含むことを特徴とす
る光電変換装置。
【請求項１４】請求項１０において、前記過剰電荷掃
出手段はダイオードを含むことを特徴とする光電変換装
置。
【請求項１５】請求項１４において、前記電流−電圧
変換手段で発生した電圧によって前記ダイオードの前記
光電変換部と異なる側の電極の電位を制御することを特
徴とする光電変換装置。
【請求項１６】請求項１０又は請求項１４又は請求項
１５のいずれか１項において、前記電流−電圧変換手段
は抵抗を含むことを特徴とする光電変換装置。