JP2006279324A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電源電圧を上昇させることなく、ダイナミックレンジを拡大した光検出装置を提供する。
【解決手段】 電圧出力部Ｍ１〜Ｍ３は、光検出素子により検出した光強度を電圧値として出力する。電流出力部Ｍ４は、光検出素子に流れる光電流Ｉｐｈを出力する。画素回路１００は、電圧出力部Ｍ１〜Ｍ３および電流出力部Ｍ４のいずれか一方をアクティブとし、各画素が接続されるデータ線ＬＤｊに、電圧値もしくは光電流のいずれかを出力する。電流出力部Ｍ４は、光検出素子の一端とデータ線との間に設けられた電流出力トランジスタである。電圧出力部Ｍ１〜Ｍ４は、光電流Ｉｐｈを用いて画素内のフォトダイオードＰＤのカソード端子の容量を充放電し、所定の期間経過後、カソード端子に現れる電圧Ｖｘを増幅トランジスタＭ２により増幅し、電圧出力トランジスタＭ３を介して電圧値として出力する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、イメージセンサをはじめとする光検出装置に関し、特にダイナミックレンジを改善した光検出装置に関する。

近年、デジタルスチルカメラや、デジタルビデオカメラなどをはじめとする多くの撮像装置に、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）や、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサが利用されている。
ＣＭＯＳイメージセンサを採用するメリットとしては、一般のチップと同じ製造ラインが使え、周辺機能と合わせたワンチップ化も可能である点、ＣＣＤよりも低電圧で駆動可能であって、消費電力がＣＣＤに比べて低い点が挙げられる。

ＣＭＯＳセンサの各画素は、1つのフォトダイオードとＭＯＳＦＥＴを使ったスイッチを含んで構成される。すなわち、マトリクス状に並んだフォトダイオードそれぞれに、スイッチを取り付けた構造になっており、このスイッチを次々に切り替えて、１画素ずつ電荷を読み出していく。たとえば、非特許文献１には、このようなＣＭＯＳイメージセンサの画素回路が記載されている。

図１は、非特許文献１の図１に記載された従来のＣＭＯＳイメージセンサの画素回路２００の構成を示す回路図である。この画素回路２００は、フォトダイオードＰＤ、リセットトランジスタＭ１、増幅トランジスタＭ２、出力トランジスタＭ３を備える。リセットトランジスタＭ１、増幅トランジスタＭ２、出力トランジスタＭ３は、いずれもＮチャンネルＭＯＳＦＥＴである。電源電圧Ｖｄｄと接地電圧ＧＮＤ間には、リセットトランジスタＭ１、フォトダイオードＰＤが直列に接続される。リセットトランジスタＭ１は、ソース端子がフォトダイオードＰＤに接続され、ドレイン端子には電源電圧Ｖｄｄが印加されている。リセットトランジスタＭ１のゲート端子には、リセット信号ＲＳＴが入力される。

リセットトランジスタＭ１と接続されるフォトダイオードＰＤのカソード端子は、増幅トランジスタＭ２のゲート端子に接続される。増幅トランジスタＭ２は、ドレイン端子に電源電圧Ｖｄｄが印加され、ソース端子は出力トランジスタＭ３のドレイン端子と接続されたソースフォロアアンプとして機能する。出力トランジスタＭ３のソース端子は、ＣＭＯＳイメージセンサの各列毎に設けられたデータ線ＬＤに接続される。

このように構成された画素回路２００において、リセットトランジスタＭ１のゲート端子に入力されたリセット信号ＲＳＴがハイレベルになると、リセットトランジスタＭ１がオンし、フォトダイオードＰＤに電源電圧Ｖｄｄが印加され、カソード端子が電源電圧Ｖｄｄで充電される。つぎに、リセットトランジスタＭ１をオフする。この状態において、フォトダイオードＰＤに光が当たると、光電流が流れ、フォトダイオードＰＤのカソード端子に蓄えられた電荷が放電する。このとき、フォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧は、光強度および露光時間に応じて変化する。増幅トランジスタＭ２は、フォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧を出力する。
所定の露光時間経過後、選択信号ＳＥＬをハイレベルとすることにより、出力トランジスタＭ３がオンし、データ線ＬＤに、フォトダイオードＰＤの受光量に応じた電圧が出力され、外部回路で各画素における受光量を読み出すことができる。

池辺他，「ＣＭＯＳイメージセンサに適した機能的リセット方式の検討」，信学技報，社団法人電子情報通信学会，２００３年９月，第１０３巻，第２９８号，ｐ．１９−２４

ここで、図１に記載の従来のＣＭＯＳセンサの画素回路のダイナミックレンジについて検討する。上述のように、画素ごとの受光量を検出する際には、フォトダイオードＰＤを電源電圧Ｖｄｄで充電し、露光期間においてフォトダイオードＰＤのカソード端子に蓄えられた電荷を放電し、残存電荷量を電圧変換して受光量を測定している。したがって、フォトダイオードＰＤに強い光が入射し、露光時間内に残存電荷量が０となると、画素回路２００は、フォトダイオードＰＤに入射した光量を検出できなくなってしまう。

逆に、露光時間を短くすると、残存電荷量が０とならないため、強い光は検出できるが、この状態で弱い光が入射した場合に、検出できなくなってしまう。このように、従来の画素回路２００においては、フォトダイオードＰＤのカソード端子にリセット状態で蓄えられる初期電荷量によってダイナミックレンジが制限される。この初期電荷量は、電源電圧ＶｄｄおよびフォトダイオードＰＤの容量値に比例するため、ダイナミックレンジを拡大するためには、電源電圧Ｖｄｄを上昇させる必要があった。電源電圧Ｖｄｄの上昇は、ＣＭＯＳイメージセンサの利点である低電圧動作を損なうため、望ましくない。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、電源電圧を上昇させることなく、ダイナミックレンジを拡大した光検出装置の提供にある。

本発明のある態様は、光検出装置に関する。この光検出装置は、複数のデータ線および走査線の交点にそれぞれ配置された画素を備える光検出装置であって、各画素は、光検出素子と、光検出素子により検出した光強度を電圧値として出力する電圧出力部と、光検出素子に流れる電流を出力する電流出力部と、を含む。本装置はさらに、各画素の電圧出力部および電流出力部のいずれか一方をアクティブとし、各画素が接続されるデータ線に、電圧値もしくは電流のいずれかを出力せしめる制御部を備える。

この態様によると、電圧出力部と電流出力部のいずれをアクティブとするかによって、画素の外部に取り出す信号を、電圧と電流で切り替えることができるため、光検出素子に入力される光量に応じて、信号処理の方式を切り替えることができ、ダイナミックレンジを広くとることができる。「光検出素子」とは、フォトダイオード、フォトトランジスタなど、光が照射されると、光量に応じた電流が流れる素子をいう。

電流出力部は、光検出素子の一端とデータ線との間に設けられた電流出力トランジスタを含んでもよい。電流出力トランジスタをオンし、その他の能動素子をオフすることにより、電流出力トランジスタおよびデータ線を介して光検出素子に流れる電流を画素の外部に取り出すことができる。

光検出装置は、電流出力部から出力される電流を電圧に変換する電流電圧変換部を、データ線ごとに備えてもよい。電流を画素の外部に取り出し、画素の外部において電圧に変換することにより、電流電圧変換部の回路形式の自由度が高くなるため、幅広い電流値に対して電圧変換を行うことができ、光検出装置のダイナミックレンジを広げることができる。

電圧出力部は、電流を用いて画素内の所定の端子の容量を充放電し、所定の期間経過後、所定の端子に現れる電圧を電圧値として出力してもよい。電圧出力部をアクティブとした場合、所定の期間、電流を積分した結果得られる電圧を出力することになるため、微小な電流を検出することができる。

光検出素子はフォトダイオードであって、所定の端子は当該フォトダイオードのカソード端子であってもよい。フォトダイオードのカソード端子を初期充電し、光電流により所定の期間放電することにより、カソード端子には、フォトダイオードに入射した光強度に応じた電圧が現れる。この電圧を画素の外部に読み出すことにより、光強度が低い場合でも、電圧値として出力することができる。

制御部は、本装置に入力される光強度が所定のしきい値より高いとき電流出力部をアクティブとし、所定のしきい値より低いとき電圧出力部をアクティブとしてもよい。
光強度が高いときには、電流出力部により電流を直接読み出し、外部で電圧変換を行い、光強度が低いときには、電圧出力部により画素内部で電圧変換することにより、ダイナミックレンジを広くとることができる。

本発明の別の態様もまた、光検出装置である。この装置は、複数の画素を含む光検出装置であって、各画素ごとに、一端が第１の固定電圧端子に接続されたフォトダイオードと、フォトダイオードに入力される光強度に応じたデータを出力すべき出力端子と、フォトダイオードの他端と第２の固定電圧間に設けられたリセットトランジスタと、ゲート端子がフォトダイオードの他端に接続され、一端が第２の固定電圧端子に接続された増幅トランジスタと、増幅トランジスタとカスコード接続され、出力端子と接続される電圧出力トランジスタと、フォトダイオードの他端と出力端子間に設けられた電流出力トランジスタと、を備える。フォトダイオードに流れる電流を電圧に変換して出力する電圧モードにおいて、電圧出力トランジスタをオンし、電流出力トランジスタをオフする一方、フォトダイオードに流れる電流を出力する電流モードにおいて、電圧出力トランジスタをオフし、電流出力トランジスタをオンする。

この態様によると、電圧モードにおいては、電圧出力トランジスタをオンすることにより、フォトダイオードにより検出した光強度を電圧値として画素の外部に取り出すことができる。また、電流モードにおいては、電流出力トランジスタをオンすることによりフォトダイオードに流れる電流を画素の外部に取り出すことができる。その結果、電圧モードと電流モードを切り替えることにより、画素の外部に取り出す信号を、電圧と電流で切り替えることができるため、フォトダイオードに入力される光量に応じて、信号処理の方式を切り替えることができ、ダイナミックレンジを広くとることができる。

本発明のさらに別の態様もまた、光検出装置である。この装置は、複数の画素を含む光検出装置であって、各画素ごとに、光検出素子と、光検出素子に流れる電流を用いて、画素内の所定の端子の容量を充放電し、所定の期間経過後、所定の端子に現れる電圧を出力する第１電圧出力部と、光検出素子に流れる電流を画素内に設けられたインピーダンス素子に流すことにより電圧に変換して出力する第２電圧出力部と、を備える。

この態様によると、第１電圧出力部をアクティブとした場合、電流を積分して得られる電圧を出力することができるため、微弱な入射光に対して高い検出感度を有する。また、第２電圧出力部をアクティブとした場合、電流をインピーダンス素子によって直接電圧に変換するため、強度の強い入射光を検出することができる。

インピーダンス素子のインピーダンスは、本装置に入力される光強度に応じて制御されてもよい。光強度が高いときにはインピーダンス素子のインピーダンスを低く設定し、光強度が低いときには、インピーダンスを高く設定することにより、ダイナミックレンジを広げることができる。

本発明のさらに別の態様もまた、光検出装置である。この装置は、複数の画素を備える光検出装置であって、各画素ごとに、一端が第１の固定電圧端子に接続された光検出素子と、光検出素子の光強度に応じたデータを出力すべき出力端子と、光検出素子の他端と第２の固定電圧間に設けられたリセットトランジスタと、ゲート端子が光検出素子の他端に接続された増幅トランジスタと、増幅トランジスタとカスコード接続され、出力端子と接続される電圧出力トランジスタと、を備える。リセットトランジスタを、光検出素子の他端に第２の固定電圧を印加するスイッチ素子として動作させる第１モードと、リセットトランジスタを、光検出素子に流れる電流を電圧に変化するインピーダンス素子として動作させる第２モードと、を切り替える。

この態様によると、第２モードにおいて、リセットトランジスタをインピーダンス素子として利用することにより、画素の内部で、電流を電圧に変換することができ、光強度を電圧値として出力することができる。

第２モードにおいて、リセットトランジスタのバイアスは、本装置に入力される光強度に応じて制御されてもよい。トランジスタのバイアスによって、オン抵抗を制御することができるため、入射光の強度に合わせてこのオン抵抗を調節することにより、適切な光検出を行うことができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電源電圧を上昇することなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。

（第１の実施の形態）
はじめに本発明の第１の実施の形態に係る光検出装置の概要について説明する。本実施の形態に係る光検出装置は、ＣＭＯＳイメージセンサであって、ｍ行ｎ列に配置された複数の画素を備える。この光検出装置は、入射する光の強度に応じて、後述する電流モードと電圧モードの２つのモードを切り替えて動作する。

図２は、第１の実施の形態に係る光検出装置全体の構成を示す回路図である。光検出装置５００は、ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは２以上の整数）の２次元に配置された複数の画素ＰＩＸと、データ線ＬＤと総称されるｎ本のデータ線ＬＤ１〜ＬＤｎと、リセット線ＬＲＳＴと総称されるｍ本のリセット線ＬＲＳＴ１〜ＬＲＳＴｍと、電流選択線ＬＳＥＬＩと総称されるｍ本の電流選択線ＬＳＥＬＩ１〜ＬＳＥＬＩｍと、電圧選択線ＬＳＥＬＶと総称されるｍ本の電圧選択線ＬＳＥＬＶ１〜ＬＳＥＬＶｍと、電圧電流検出回路ＩＶと総称されるｎ個の電圧電流検出回路ＩＶ１〜ＩＶｎと、信号処理部３０を含む。
マトリクス状に配置された複数の画素を区別するために、ｉ行ｊ列目の画素をＰＩＸｉｊと書く。各画素ＰＩＸは同一の構成を有しており、各画素ＰＩＸごとに、フォトダイオードに印加する電圧を制御し、信号を増幅する能動素子を備えるアクティブピクセル構造を有する。

ｎ本のデータ線ＬＤ１〜ＬＤｎは、列毎に設けられ、ｊ列目の画素ＰＩＸ１ｊ〜ＰＩＸｍｊは、ｊ列目のデータ線ＬＤｊに接続される。各画素において検出された光量は、各画素に接続されるデータ線ＬＤに出力される。また、ｍ本のリセット線ＬＲＳＴ１〜ＬＲＳＴｍ、電流選択線ＬＳＥＬＩ１〜ＬＳＥＬＩｍ、電圧選択線ＬＳＥＬＶ１〜電圧選択線ＬＳＥＬＶｍは、各行毎に設けられる。
走査制御部２０は、リセット線ＬＲＳＴ、電流選択線ＬＳＥＬＩ、電圧選択線ＬＳＥＬＶに、それぞれリセット信号ＲＳＴ、電流選択信号ＳＥＬＩ、電圧選択信号ＳＥＬＶを出力する。走査制御部２０は、１行目からｍ行目を順次選択していき、選択した行のリセット線ＬＲＳＴ、電流選択線ＬＳＥＬＩ、電圧選択線ＬＳＥＬＶに、リセット信号ＲＳＴ、電流選択信号ＳＥＬＩ、電圧選択信号ＳＥＬＶを出力し、その行上の画素ＰＩＸに入射した光量を順次読み出していく。
なお、各画素ＰＩＸには、図示しない電源ラインＬＶｄｄによって電源電圧Ｖｄｄが供給されている。

リセット信号ＲＳＴは、各行の画素の読み出しに先立って出力される信号であり、各画素を初期化するために出力される。
走査制御部２０は、電圧モード時に電圧選択信号ＳＥＬＶを出力し、電流モード時に電流選択信号ＳＥＬＩを出力することによって、各画素ＰＩＸの動作モードを制御する。電圧選択信号ＳＥＬＶが出力された画素は電圧モードで動作し、電流選択信号ＳＥＬＩが入力された画素は電流モードで動作する。走査制御部２０は、行単位、あるいは一走査単位で、電圧モードと電流モードを切り替える。

図３は、本実施の形態に係る光検出装置５００のｉ行ｊ列目の各画素ＰＩＸｉｊの画素回路１００の構成を示す回路図である。画素回路１００は、フォトダイオードＰＤ、リセットトランジスタＭ１、増幅トランジスタＭ２、電圧出力トランジスタＭ３、電流出力トランジスタＭ４を含む。また、画素回路１００は、入出力端子として出力端子１０２、リセット端子１０４、電流選択端子１０６、電圧選択端子１０８を備える。
画素回路１００は、出力端子１０２からフォトダイオードＰＤに入射した光強度に応じた電流もしくは電圧を出力する。出力端子１０２は、各画素回路１００が設けられる列のデータ線ＬＤｊに接続される。また、画素回路１００のリセット端子１０４は、画素回路１００が設けられる行のリセット線ＬＲＳＴｉに接続され、走査制御部２０から出力されるリセット信号ＲＳＴｉが入力される。電流選択端子１０６は、画素回路１００が設けられる行の電流選択線ＬＳＥＬＩｉに接続され、走査制御部２０から出力される電流選択信号ＳＥＬＩｉが入力される。電圧選択端子１０８は、画素回路１００が設けられる行の電圧選択線ＬＳＥＬＶｉに接続され、走査制御部２０から出力される電圧選択信号ＳＥＬＶが入力される。

リセットトランジスタＭ１、増幅トランジスタＭ２、電圧出力トランジスタＭ３、電流出力トランジスタＭ４は、いずれもＮチャンネルＭＯＳＦＥＴである。電源電圧Ｖｄｄと接地電圧ＧＮＤ間には、リセットトランジスタＭ１、フォトダイオードＰＤが直列に接続される。リセットトランジスタＭ１は、ソース端子がフォトダイオードＰＤに接続され、ドレイン端子には電源電圧Ｖｄｄが印加されている。リセットトランジスタＭ１のゲート端子には、リセット信号ＲＳＴが入力される。

リセットトランジスタＭ１と接続されるフォトダイオードＰＤのカソード端子は、増幅トランジスタＭ２のゲート端子に接続される。増幅トランジスタＭ２は、ドレイン端子に電源電圧Ｖｄｄが印加され、ソース端子は電圧出力トランジスタＭ３のドレイン端子と接続されたソースフォロアアンプとして機能する。
電圧出力トランジスタＭ３のソース端子は、画素回路１００の出力端子１０２に接続される。また、そのゲート端子は、電圧選択端子１０８と接続され、電圧選択信号ＳＥＬＶｉが入力される。電圧選択信号ＳＥＬＶｉがハイレベルとなると、電圧出力トランジスタＭ３がオンし、フォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧Ｖｘが増幅されて、出力端子１０２から出力される。

電流出力トランジスタＭ４は、フォトダイオードＰＤのカソード端子と出力端子１０２間にソース端子、ドレイン端子が接続される。電流出力トランジスタＭ４のゲート端子は、電流選択端子１０６と接続され、走査制御部２０から出力される電流選択信号ＳＥＬＩｉが入力される。電流選択信号ＳＥＬＩｉのハイレベル、ローレベルの切り替わりに応じて、電流出力トランジスタＭ４のオンオフが制御される。

以上のように構成された画素回路１００の電圧モードおよび電流モード時の動作について説明する。
まず電圧モード時の動作について説明する。電圧モード時においては、電流選択信号ＳＥＬＩｉはハイレベルとなり、電流出力トランジスタＭ４はオフとされる。画素ＰＩＸｉｊには、入射光の強度の検出に先立って、ハイレベルのリセット信号ＲＳＴｉが入力される。リセット信号ＲＳＴｉがハイレベルとなると、リセットトランジスタＭ１がオンし、フォトダイオードＰＤのカソード端子に電源電圧Ｖｄｄが印加される。その後、リセット信号ＲＳＴｉをローレベルとし、リセットトランジスタＭ１をオフする。

フォトダイオードＰＤには、入射光強度に応じた光電流Ｉｐｈが流れる。フォトダイオードＰＤのカソード端子に蓄えられた電荷は、光電流Ｉｐｈによって放電され、フォトダイオードＰＤの電圧は徐々に低下する。各画素の露光時間をＴｅｘｐとすると、ΔＱ＝Ｉｐｈ×Ｔｅｘｐの電荷が放電される。フォトダイオードＰＤのカソード端子の容量をＣとすると、露光時間Ｔｅｘｐ経過後のフォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧Ｖｘは、Ｖｘ＝Ｖｄｄ−Ｔｅｘｐ×Ｉｐｈ／Ｃで与えられる。露光時間Ｔｅｘｐ経過後に、電圧選択信号ＳＥＬＶｉをハイレベルとし、電圧出力トランジスタＭ３をオンする。電圧出力トランジスタＭ３がオンすると、増幅トランジスタＭ２がソースフォロアアンプとして動作し、フォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧が増幅され、電圧信号としてデータ線ＬＤｊに出力される。

次に、電流モード時における画素回路１００の動作を説明する。電流モード時には、電圧選択信号ＳＥＬＶｉはローレベルに固定され、電圧出力トランジスタＭ３は常にオフ状態とされる。電圧モード時と同様に、電流モード時においても、画素ＰＩＸｉｊに、入射光の強度の検出に先立って、ハイレベルのリセット信号ＲＳＴｉが入力される。リセット信号ＲＳＴｉがハイレベルとなると、リセットトランジスタＭ１がオンし、フォトダイオードＰＤのカソード端子に電源電圧Ｖｄｄが印加される。その後、リセット信号ＲＳＴｉをローレベルとし、リセットトランジスタＭ１をオフする。

次に、電流選択信号ＳＥＬＩｉをローレベルとし、電流出力トランジスタＭ４をオンする。この状態において、フォトダイオードＰＤに流れる光電流Ｉｐｈは、電流出力トランジスタＭ４および出力端子１０２を介してデータ線ＬＤｊに流れることになる。すなわち、各画素ＰＩＸは、電流モードにおいて、フォトダイオードＰＤに流れる光電流Ｉｐｈを直接データ線ＬＤｊに出力する。

図２に戻る。各画素ＰＩＸは、電圧モード時において、電圧電流検出回路ＩＶｊに電圧値を出力し、電流モード時において、電流を出力する。
そこで、電圧電流検出回路ＩＶｊは、電圧モードにおいては、電圧信号を必要に応じて増幅し、Ａ／Ｄ変換して得られるデジタルデータＤＶを後段の信号処理部３０へと出力する。
また、電圧電流検出回路ＩＶは、電流電圧変換回路を備えて構成され、電流モードにおいては、画素ＰＩＸから出力される電流を電圧に変換し、必要に応じて増幅した後に、Ａ／Ｄ変換し、デジタルデータＤＩを後段の信号処理部３０へと出力する。

信号処理部３０は、各電圧電流検出回路ＩＶから出力されるデジタルデータを解析し、各画素ＰＩＸに入力される信号レベルを判定し、信号レベルが高いときには、電流モードとし、低いときには電圧モードとする。この判定には、信号レベルと所定のしきい値レベルを比較することにより行ってもよい。信号処理部３０は、走査制御部２０に対して、上記判定の結果得られた動作モードを信号ＳＩＧ１により通知する。走査制御部２０は、信号処理部３０により指示された動作モードで各画素ＰＩＸを制御する。
また、電流モード時と、電圧モード時において、電圧電流検出回路ＩＶからそれぞれ出力されるデジタルデータＤＶとデジタルデータＤＩは異なるため、信号処理部３０は、２つのデジタルデータに連続性を持たせるための処理を行う。

このように、本実施の形態に係る光検出装置５００は、電圧モードと電流モードを切り替えて電流値の検出を行う。電圧モードにおいては、所定の露光時間Ｔｅｘｐの間に光電流Ｉｐｈにより電荷を放電し、電圧値として検出するため、微弱な光を検出することができる。一方、電圧モードでは、リセット時に充電される電荷量によってダイナミックレンジが制限されるため、高強度の光が入射すると正確な入射光強度の測定が難しくなる。

そこで、本実施の形態に係る光検出装置５００は、電圧モードで検出可能な入射光強度のしきい値を超えると、電圧モードから電流モードに切り替える。
電流モードでは、各画素ＰＩＸのフォトダイオードＰＤに流れる光電流Ｉｐｈがそのまま電圧電流検出回路ＩＶに入力される。電圧電流検出回路ＩＶは、画素の外部に設けられるため、トランジスタなどの素子数をそれほど気にすることなく、回路設計を行うことができる。その結果、電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路を、高い自由度で設計することができる。

本実施の形態に係る光検出装置５００によれば、入射光強度が低いときには電圧モードで動作し、入射光強度が高いときには電流モードで動作するため、ダイナミックレンジを広げることが可能となる。この光検出装置５００では、各画素に供給される電源電圧Ｖｄｄは図１に示した従来の画素回路２００と同等でよいため、低電圧動作が可能というＣＭＯＳイメージセンサの特徴を損なうことなく、ダイナミックレンジを広げることができる。
また、本実施の形態に係る光検出装置５００では、露光時間Ｔｅｘｐの調節によらずに広ダイナミックレンジ化が可能となるため、制御を簡素化することができる。もっとも、本発明は、露光時間Ｔｅｘｐの調節を行うことを除外するものではなく、電流モード、電圧モードの切り替えと併せて露光時間Ｔｅｘｐの調節を併用することにより、柔軟な設計を行うことができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る光検出装置は、第１の実施の形態に係る光検出装置５００と同様に、電流モードと電圧モードで動作する。第１の実施の形態では、画素回路１００は電流モードにおいて、フォトダイオードＰＤに流れる電流を電流信号としてそのままデータ線ＬＤに出力し、電圧電流検出回路ＩＶで電圧信号に変換した。これに対し、本実施の形態に係る画素回路では、フォトダイオードＰＤに流れる電流を、画素回路内で電圧信号に変換し、電圧信号としてデータ線ＬＤに出力する。このような電流モードを、以下、アクティブピクセル電流モードとよぶ。

図４は、第２の実施の形態に係る光検出装置６００の構成を示す回路図である。また、図５は、第２の実施の形態に係る画素回路３００の構成を示す回路図である。各図において、既出の構成要素と同一もしくは同等の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

上述のように、本実施の形態に係る光検出装置６００では、各画素ＰＩＸは、電圧モード、アクティブピクセル電流モードのいずれにおいても、光電流Ｉｐｈを電圧値に変換して出力する。したがって、第１の実施の形態のように、電圧電流検出回路ＩＶにおいて、電流モード時に電流電圧変換を行う必要がない。そこで、本実施の形態において光検出装置６００は、図２の電圧電流検出回路ＩＶ１〜ＩＶｎに代えて、図４に示すように、電圧検出回路ＣＩＲＶ１〜ＣＩＲＶｎを備える。
電圧検出回路ＣＩＲＶ１〜ＣＩＲＶｎは、２つのモードにおいて、各画素ＰＩＸから出力される電圧信号を必要に応じて増幅し、Ａ／Ｄ変換して後段の信号処理部３０へと出力する。

図５の画素回路３００は、フォトダイオードＰＤ、リセットトランジスタＭ１、増幅トランジスタＭ２、電圧出力トランジスタＭ３を含む。また、画素回路３００は、入出力端子として、出力端子３０２、リセット端子３０４、電流選択端子３０６、電圧選択端子３０８を備える。画素回路３００は、出力端子３０２からフォトダイオードＰＤに入射した光強度に応じた電圧を出力する。

リセットトランジスタＭ１、増幅トランジスタＭ２、電圧出力トランジスタＭ３は、いずれもＮチャンネルＭＯＳＦＥＴである。電源電圧Ｖｄｄと接地電圧ＧＮＤ間には、リセットトランジスタＭ１、フォトダイオードＰＤが直列に接続される。リセットトランジスタＭ１のソース端子はフォトダイオードＰＤに接続される。
リセットトランジスタＭ１のゲート端子は、リセット端子３０４に接続され、リセット信号ＲＳＴが入力される。また、リセットトランジスタＭ１のドレイン端子は電流選択端子３０６に接続され、電流選択信号ＳＥＬＩｉが入力される。

リセットトランジスタＭ１と接続されるフォトダイオードＰＤのカソード端子は、増幅トランジスタＭ２のゲート端子に接続される。増幅トランジスタＭ２は、ドレイン端子に電源電圧Ｖｄｄが印加され、ソース端子は電圧出力トランジスタＭ３のドレイン端子と接続されたソースフォロアアンプとして機能する。
電圧出力トランジスタＭ３のソース端子は、画素回路３００の出力端子３０２に接続される。また、そのゲート端子は、電圧選択端子３０８と接続され、電圧選択信号ＳＥＬＶｉが入力される。

以上のように構成された本実施の形態に係る画素回路３００の電圧モードおよびアクティブピクセル電流モード時の動作について説明する。
まず電圧モード時の動作について説明する。本実施の形態に係る電圧モードの動作は、第１の実施の形態の電圧モードと同様である。電圧モードにおいては、電流選択線ＬＳＥＬＩｉには電源電圧Ｖｄｄが出力され、リセットトランジスタＭ１のドレイン端子に電源電圧Ｖｄｄが印加される。
画素ＰＩＸには、入射光の強度の検出に先立って、ハイレベルのリセット信号ＲＳＴｉが入力される。リセット信号ＲＳＴｉがハイレベルとなると、リセットトランジスタＭ１がオンし、フォトダイオードＰＤのカソード端子にリセット線ＬＲＳＴｉに印加された電源電圧Ｖｄｄが現れる。この電源電圧Ｖｄｄによって、フォトダイオードＰＤのカソード端子は充電される。その後、リセット信号ＲＳＴをローレベルとし、リセットトランジスタＭ１をオフする。

フォトダイオードＰＤには、入射光強度に応じた光電流Ｉｐｈが流れ、カソード端子に蓄えられた電荷は、光電流Ｉｐｈによって放電され、フォトダイオードＰＤの電圧は徐々に低下する。露光時間Ｔｅｘｐ経過後に、電圧選択信号ＳＥＬＶｉをハイレベルとし、電圧出力トランジスタＭ３をオンする。このとき、増幅トランジスタＭ２はソースフォロアアンプとして動作し、フォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧Ｖｘが電圧信号としてデータ線ＬＤｊに出力される。

次にアクティブピクセル電流モードでの動作について説明する。アクティブピクセル電流モードにおいて、リセットトランジスタＭ１は、インピーダンス素子として機能する。走査制御部２０は、電流選択線ＬＳＥＬＩに電圧ＶＲＳＴ１を印加し、リセット線ＬＲＳＴに電圧ＶＲＳＴ２を印加する。また、走査制御部２０は、電圧選択信号ＳＥＬＶｉをローレベルとし、出力トランジスタＭ３をオフ状態とする。この状態において、フォトダイオードＰＤに光が照射されると、光電流Ｉｐｈが流れる。この光電流Ｉｐｈは、リセットトランジスタＭ１に流れる。
リセットトランジスタＭ１のオン抵抗をＲｏｎとすると、フォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧は、Ｖｘ＝ＶＲＳＴ１−Ｒｏｎ×Ｉｐｈで与えられる。このように、フォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧Ｖｘは、光電流Ｉｐｈに応じて変化する。

画素回路３００は、電圧モード時と同様に、電圧選択線ＬＳＥＬＶをハイレベルとして電圧出力トランジスタＭ３をオンし、フォトダイオードＰＤのカソード端子Ｖｘの電圧を増幅トランジスタＭ２によって増幅してデータ線ＬＤに出力する。このように、本実施の形態に係る画素回路３００は、アクティブピクセル電流モードにおいて、リセットトランジスタＭ１をインピーダンス素子として用いることにより、光電流Ｉｐｈを電圧に変換して出力することができる。
この画素回路３００においても、光電流Ｉｐｈが大きくなるに従い、フォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧Ｖｘは低下する。電圧Ｖｘが低くなりすぎると、増幅トランジスタＭ２がソースフォロアアンプとして機能しなくなる。そこで、本実施の形態に係る光検出装置６００は、入射光の強度、すなわち光電流Ｉｐｈの電流値に応じてオン抵抗Ｒｏｎを調節することにより、広いダイナミックレンジに対して、フォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧Ｖｘをデータ線ＬＤに出力することができる。

リセットトランジスタＭ１のオン抵抗Ｒｏｎは、トランジスタのバイアス状態、すなわち、ゲート端子およびドレイン端子に印加される電圧ＶＲＳＴ１、ＶＲＳＴ２により変化させることができる。そこで、図４の光検出装置６００において、信号処理部３０は、電圧検出回路ＣＩＲＶの出力レベルを、走査制御部２０に通知する。走査制御部２０は、この通知信号ＳＩＧ２にもとづいて、電圧ＶＲＳＴ１、ＶＲＳＴ２を制御する。

このように、本実施の形態に係る光検出装置６００によれば、画素回路３００内のトランジスタ数を３つに減らすことができる。また、電流モードと電圧モードにおいて、データ線ＬＤに出力される信号は、いずれも電圧信号となるため、電圧検出回路において、電流検出と電圧検出を切り替える必要がなくなるため、回路を簡素化することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、実施の形態において、画素回路に用いたトランジスタは、いずれもＮチャンネルＭＯＳＦＥＴの場合について説明したが、これには限定されず、一部のトランジスタを、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いて構成することも可能である。この場合、電流選択信号ＳＥＬＩ、電圧選択信号ＳＥＬＶ、リセット信号ＲＳＴのハイレベル、ローレベルを適宜反転すればよい。
たとえば、第２の実施の形態において、リセットトランジスタＭ１をＰチャンネルＭＯＳＦＥＴとした場合、電流モードにおいて、リセットトランジスタＭ１を定電流負荷として動作させることができ、オン抵抗ＲｏｎをフォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧Ｖｘの電圧と独立に制御することができる。また、電圧モード時には、リセット信号ＲＳＴをローレベルとすることにより、フォトダイオードＰＤのカソード端子の電圧Ｖｘを、電源電圧Ｖｄｄに設定することができる。

実施の形態において、各画素はフォトダイオードＰＤを備える場合について説明したが、フォトトランジスタなどであってもよく、入射光強度に応じて流れる光電流が変化する光検出素子であればよい。

従来のＣＭＯＳイメージセンサの画素回路の構成を示す回路図である。 第１の実施の形態に係る光検出装置全体の構成を示す回路図である。 第１の実施の形態に係る画素回路の構成を示す回路図である。 第２の実施の形態に係る光検出装置全体の構成を示す回路図である。 第２の実施の形態に係る画素回路の構成を示す回路図である。

符号の説明

Ｍ１ リセットトランジスタ、 Ｍ２ 増幅トランジスタ、 Ｍ３ 電圧出力トランジスタ、 Ｍ４ 電流出力トランジスタ、 ＰＤ フォトダイオード、 ５００ 光検出装置、 ６００ 光検出装置、 １００ 画素回路、 １０２ 出力端子、 １０４ リセット端子、 １０６ 電流選択端子、 １０８ 電圧選択端子、 ２００ 画素回路、 ３００ 画素回路、 ３０２ 出力端子、 ３０４ リセット端子、 ３０６ 電流選択端子、 ３０８ 電圧選択端子、 ＩＶ 電圧電流検出回路、 １０ データ線、 ２０ 走査制御部、 ３０ 信号処理部、 ＳＥＬＶ 電圧選択信号、 ＳＥＬＩ 電流選択信号、 ＲＳＴ リセット信号、 ＬＳＥＬＶ 電圧選択線、 ＬＳＥＬＩ 電流選択線、 ＬＲＳＴ リセット線、 ＬＤ データ線。

Claims (10)

1. 複数のデータ線および走査線の交点にそれぞれ配置された画素を備える光検出装置であって、
   各画素は、
   光検出素子と、
   前記光検出素子により検出した光強度を電圧値として出力する電圧出力部と、
   前記光検出素子に流れる電流を出力する電流出力部と、を含み、
   本装置はさらに、
   各画素の前記電圧出力部および前記電流出力部のいずれか一方をアクティブとし、各画素が接続されるデータ線に、前記電圧値もしくは前記電流のいずれかを出力せしめる制御部を備えることを特徴とする光検出装置。
2. 前記電流出力部から出力される電流を電圧に変換する電流電圧変換部を、前記データ線ごとに備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記電圧出力部は、前記電流を用いて画素内の所定の端子の容量を充放電し、所定の期間経過後、前記所定の端子に現れる電圧を前記電圧値として出力することを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
4. 前記光検出素子はフォトダイオードであって、前記所定の端子は当該フォトダイオードのカソード端子であることを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
5. 前記制御部は、本装置に入力される光強度が所定のしきい値より高いとき前記電流出力部をアクティブとし、所定のしきい値より低いとき前記電圧出力部をアクティブとすることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
6. 複数の画素を含む光検出装置であって、各画素ごとに、
   一端が第１の固定電圧端子に接続されたフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードに入力される光強度に応じたデータを出力すべき出力端子と、
   前記フォトダイオードの他端と第２の固定電圧間に設けられたリセットトランジスタと、
   ゲート端子が前記フォトダイオードの他端に接続され、一端が前記第２の固定電圧端子に接続された増幅トランジスタと、
   前記増幅トランジスタとカスコード接続され、前記出力端子と接続される電圧出力トランジスタと、
   前記フォトダイオードの他端と前記出力端子間に設けられた電流出力トランジスタと、を備え、
   前記フォトダイオードに流れる電流を電圧に変換して出力する電圧モードにおいて、前記電圧出力トランジスタをオンし、前記電流出力トランジスタをオフする一方、前記フォトダイオードに流れる電流を出力する電流モードにおいて、前記電圧出力トランジスタをオフし、前記電流出力トランジスタをオンすることを特徴とする光検出装置。
7. 複数の画素を含む光検出装置であって、各画素ごとに、
   光検出素子と、
   前記光検出素子に流れる電流を用いて、画素内の所定の端子の容量を充放電し、所定の期間経過後、前記所定の端子に現れる電圧を出力する第１電圧出力部と、
   前記光検出素子に流れる電流を画素内に設けられたインピーダンス素子に流すことにより電圧に変換して出力する第２電圧出力部と、を備えることを特徴とする光検出装置。
8. 前記インピーダンス素子のインピーダンスは、本装置に入力される光強度に応じて制御されることを特徴とする請求項７に記載の光検出装置。
9. 複数の画素を備える光検出装置であって、各画素ごとに、
   一端が第１の固定電圧に接続されたフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードの光強度に応じたデータを出力すべき出力端子と、
   前記フォトダイオードの他端と第２の固定電圧間に設けられたリセットトランジスタと、
   ゲート端子が前記フォトダイオードの他端に接続された増幅トランジスタと、
   前記増幅トランジスタとカスコード接続され、前記出力端子と接続される電圧出力トランジスタと、を備え、
   前記リセットトランジスタを、前記フォトダイオードの他端に前記第２の固定電圧を印加するスイッチ素子として動作させる第１モードと、前記リセットトランジスタを、前記フォトダイオードに流れる電流を電圧に変化するインピーダンス素子として動作させる第２モードと、を切り替えることを特徴とする光検出装置。
10. 前記第２モードにおいて、前記リセットトランジスタのバイアスは、本装置に入力される光強度に応じて制御されることを特徴とする請求項９に記載の光検出装置。

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