JP5275911B2 - Signal processing apparatus and light detection apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a signal processing apparatus and photodetector capable of reducing power consumption. <P>SOLUTION: A photodetector 1 includes a photodiode PD, an integration circuit 10, a comparator circuit 20, a charge injection circuit 30, a capacitance value control section 40, a holding circuit 50, a counting circuit 60 and the like. The integration circuit 10 includes an integration capacitor C<SB>10</SB>whose capacitance value is variable. The comparator circuit 20 compares an output voltage value V<SB>10</SB>of the integration circuit 10 with a reference value V<SB>ref2</SB>and outputs a saturation signal &phiv;<SB>1</SB>when the voltage value V<SB>10</SB>reaches the reference value V<SB>ref2</SB>. The capacitance value control section 40 sets the capacitance value of the integration capacitor C<SB>10</SB>to a minimum value when a charge accumulation operation in the integration circuit 10 is started, and sets the capacitance value of the integration capacitor C<SB>10</SB>to a larger value as the time from the start of the charge accumulation operation to the output of the saturation signal becomes shorter, when the saturation signal is output from the comparator circuit 20 in the middle of the charge accumulation operation. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、フォトダイオードへの入射光量に応じて該フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する信号処理装置、ならびに、このような信号処理装置およびフォトダイオードを含む光検出装置に関するものである。   The present invention relates to a signal processing device that outputs an electric signal having a value corresponding to the amount of electric charge generated in the photodiode in accordance with the amount of light incident on the photodiode, and light including such a signal processing device and the photodiode. The present invention relates to a detection device.

入射光量を検出する光検出装置は、入射光量に応じた電荷を発生するフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する信号処理装置とを備える。このような光検出装置として例えば特許文献1に記載されたものが知られている。この文献に記載された光検出装置は、AD変換機能を有していて、入射光量に応じたデジタル値を出力することができる。   A light detection device that detects the amount of incident light includes a photodiode that generates a charge corresponding to the amount of incident light, and a signal processing device that outputs an electrical signal having a value corresponding to the amount of charge generated by the photodiode. As such a light detection device, for example, one described in Patent Document 1 is known. The photodetection device described in this document has an AD conversion function and can output a digital value corresponding to the amount of incident light.

光検出装置は、例えば、X線CT装置の検出部として用いられ、多数のフォトダイオードがアレイ配置されてシンチレータで覆われている場合がある。シンチレータにX線が入射するとシンチレーション光が発生し、そのシンチレーション光が何れかのフォトダイオードに入射すると該フォトダイオードで電荷が発生し、その電荷が信号処理装置により電気信号に変換される。   For example, the photodetection device may be used as a detection unit of an X-ray CT apparatus, and a large number of photodiodes may be arranged in an array and covered with a scintillator. When X-rays enter the scintillator, scintillation light is generated. When the scintillation light enters one of the photodiodes, electric charges are generated in the photodiodes, and the electric charges are converted into electric signals by the signal processing device.

特開平5−215607号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-215607

このような光検出装置は、多画素化,高速化および低消費電力化が要求されている。しかし、特許文献1に記載されたものを含めて従来の光検出装置において用いられる信号処理装置は、多画素化または高速化により消費電力が大きくなり、低消費電力化が困難である。   Such a photodetection device is required to have a large number of pixels, high speed, and low power consumption. However, signal processing devices used in conventional photodetectors, including those described in Patent Document 1, increase power consumption due to the increase in the number of pixels or increase in speed, and it is difficult to reduce power consumption.

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、消費電力を低減することができる信号処理装置、および、このような信号処理装置を含む光検出装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a signal processing device capable of reducing power consumption and a photodetection device including such a signal processing device. To do.

本発明に係る信号処理装置は、フォトダイオードへの入射光量に応じて該フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する信号処理装置であって、(1) 容量値が可変に設定されフォトダイオードから出力された電荷を蓄積する積分容量部を有し、この積分容量部に蓄積した電荷の量および容量値に応じた電圧値を出力する積分回路と、(2) 積分回路から出力された電圧値を入力し、この電圧値と所定の基準値とを大小比較して、電圧値が基準値に達したときに、その旨を示す飽和信号を出力する比較回路と、(3) 積分回路における電荷蓄積動作開始時から一定時間が経過した後に積分回路から出力された電圧値をサンプリングして保持し出力する保持回路と、(4) 積分回路における電荷蓄積動作開始時に積分容量部の容量値を最小値に設定しておき、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分回路における電荷蓄積動作開始時から比較回路における飽和信号出力時までの時間が短いほど積分容量部の容量値を大きい値に設定する容量値制御部と、(5) 比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、積分回路の積分容量部に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を積分容量部に注入する電荷注入回路と、(6) 比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、積分回路から出力された電圧値が基準値に達した回数を計数する計数回路と、を備えることを特徴とする。
A signal processing device according to the present invention is a signal processing device that outputs an electric signal having a value corresponding to the amount of electric charge generated in the photodiode according to the amount of light incident on the photodiode, and (1) a capacitance value is An integration circuit that has an integration capacitor unit that accumulates the charge that is variably set and that is output from the photodiode, and that outputs a voltage value corresponding to the amount and capacitance of the charge stored in the integration capacitor unit; and (2) integration A comparison circuit that inputs a voltage value output from the circuit, compares the voltage value with a predetermined reference value, and outputs a saturation signal indicating that when the voltage value reaches the reference value; (3) A holding circuit that samples and holds and outputs the voltage value output from the integrating circuit after a certain time has elapsed from the start of the charge accumulating operation in the integrating circuit, and (4) integrating at the start of the charge accumulating operation in the integrating circuit. The capacity value of the capacity section When the saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the integration circuit, the time from the start of the charge accumulation operation in the integration circuit to the output of the saturation signal in the comparison circuit is short. (5) Based on the saturation signal output from the comparison circuit, the capacitance value control unit changes the capacitance value of the integration capacitance unit and sets it. A charge injection circuit that injects a certain amount of charge of opposite polarity to the charge accumulated in the integration capacitor part of the integration circuit into the integration capacitor part, and (6) based on the saturation signal output from the comparison circuit. And a counting circuit that counts the number of times that the voltage value output from the integration circuit reaches the reference value, except when the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the integration capacitance unit. Features.

この信号処理装置はフォトダイオードとともに用いられる。この信号処理装置では、フォトダイオードへの入射光量に応じて発生した電荷は、積分回路の積分容量部に蓄積され、この積分容量部に蓄積した電荷の量に応じた電圧値が積分回路から出力される。この積分回路から出力された電圧値は比較回路に入力されて、この入力電圧値と所定の基準値とが比較回路により大小比較され、入力電圧値が基準値に達したときに、その旨を示す飽和信号が比較回路から出力される。積分回路から出力される電圧値は、積分回路における電荷蓄積動作開始時から一定時間が経過した後に保持回路によりサンプリングされて保持され出力される。積分回路の積分容量部の容量値は容量値制御部により設定される。容量値制御部により、積分容量部の容量値は、積分回路における電荷蓄積動作開始時に最小値に設定されていて、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分回路における電荷蓄積動作開始時から比較回路における飽和信号出力時までの時間が短いほど大きい値に設定される。
比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、電荷注入回路により、積分回路の積分容量部に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷が積分容量部に注入される。また、比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、計数回路により、一定期間の間に積分回路から出力された電圧値が基準値に達した回数が計数される。これら積分回路,比較回路,電荷注入回路および計数回路によりAD変換機能が実現される。
This signal processing device is used together with a photodiode. In this signal processing device, the charge generated according to the amount of light incident on the photodiode is stored in the integration capacitor of the integration circuit, and a voltage value corresponding to the amount of charge stored in the integration capacitor is output from the integration circuit. Is done. The voltage value output from the integration circuit is input to the comparison circuit, and the input voltage value and a predetermined reference value are compared in magnitude by the comparison circuit, and when the input voltage value reaches the reference value, this is indicated. A saturation signal is output from the comparison circuit. The voltage value output from the integration circuit is sampled and held and output by the holding circuit after a predetermined time has elapsed from the start of the charge accumulation operation in the integration circuit. The capacitance value of the integration capacitor unit of the integration circuit is set by the capacitance value control unit. When the capacitance value control unit sets the capacitance value of the integration capacitor unit to the minimum value at the start of the charge accumulation operation in the integration circuit, and when a saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the integration circuit, The shorter the time from the start of the charge accumulation operation in the integration circuit to the output of the saturation signal in the comparison circuit, the larger the value is set.
Charge accumulated in the integration capacitor unit of the integration circuit by the charge injection circuit, except when the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the integration capacitor unit based on the saturation signal output from the comparison circuit A certain amount of charge having a reverse polarity is injected into the integrating capacitor. Also, based on the saturation signal output from the comparison circuit, the counting circuit outputs the signal from the integration circuit for a certain period of time, except when the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the integration capacitor unit. The number of times the measured voltage value reaches the reference value is counted. The AD conversion function is realized by the integration circuit, the comparison circuit, the charge injection circuit, and the counting circuit.

本発明に係る信号処理装置では、容量値制御部は、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、比較回路における飽和信号出力時が積分回路における電荷蓄積動作開始時から保持回路における電圧値サンプリング動作時までの期間のうちの何れの部分期間に属するかに応じて積分容量部の容量値を変更して設定するのが好適である。また、容量値制御部は、積分容量部の各容量値、積分回路の飽和出力電圧値、比較回路に入力される基準値、および、積分回路における電荷蓄積動作開始時から保持回路における電圧値サンプリング動作時までの時間、に基づいて、積分回路における電荷蓄積動作開始時から保持回路における電圧値サンプリング動作時までの期間を複数の部分期間に区分し、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、比較回路における飽和信号出力時が複数の部分期間のうちの何れの部分期間に属するかに応じて積分容量部の容量値を変更して設定するのも好適である。また、容量値制御部は、積分回路における電荷蓄積動作の途中で積分容量部の容量値を変更して設定した後に比較回路から飽和信号が更に出力されたときに、積分容量部の容量値を更に大きい値に変更して設定するのも好適である。   In the signal processing device according to the present invention, when the saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the integration circuit, the capacitance value control unit performs the charge accumulation operation in the integration circuit when the saturation signal is output in the comparison circuit. It is preferable to change and set the capacitance value of the integral capacitance unit according to which partial period of the period from the start to the voltage value sampling operation in the holding circuit. Further, the capacitance value control unit includes each capacitance value of the integration capacitor unit, a saturation output voltage value of the integration circuit, a reference value input to the comparison circuit, and a voltage value sampling in the holding circuit from the start of the charge accumulation operation in the integration circuit. Based on the time until the operation, the period from the start of the charge accumulation operation in the integration circuit to the voltage value sampling operation in the holding circuit is divided into a plurality of partial periods, and the comparison circuit is in the middle of the charge accumulation operation in the integration circuit It is also preferable to change and set the capacitance value of the integration capacitor unit according to which partial period of the plurality of partial periods the saturated signal output time in the comparison circuit belongs to when the saturated signal is output from It is. In addition, the capacitance value control unit sets the capacitance value of the integration capacitor unit when a saturation signal is further output from the comparison circuit after changing and setting the capacitance value of the integration capacitor unit during the charge accumulation operation in the integration circuit. It is also preferable to change and set a larger value.

本発明に係る信号処理装置は、(1) 保持回路により保持されて出力された電圧値を入力し、この入力電圧値をK倍(ただし、K>1)に増幅して出力する増幅回路と、(2) 比較回路における基準値のK倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路から出力された電圧値に応じたデジタル値を出力するAD変換回路と、を更に備えるのが好適である。また、このとき、本発明に係る信号処理装置は、AD変換回路における最大入力電圧値を設定する為の基準値を入力して、この基準値のK分の1の電圧値を基準値として比較回路に与える基準値生成回路を更に備えるのが好適である。   The signal processing apparatus according to the present invention includes: (1) an amplifier circuit that inputs a voltage value held and output by the holding circuit, amplifies the input voltage value K times (where K> 1), and outputs the amplified voltage value; (2) It is preferable to further include an AD conversion circuit that sets a voltage value K times the reference value in the comparison circuit as a maximum input voltage value and outputs a digital value corresponding to the voltage value output from the amplifier circuit. is there. At this time, the signal processing apparatus according to the present invention inputs a reference value for setting the maximum input voltage value in the AD converter circuit, and compares the voltage value that is 1 / Kth of the reference value as a reference value. It is preferable to further include a reference value generation circuit to be given to the circuit.

この場合には、保持回路により保持されて出力された電圧値は、増幅回路によりK倍に増幅されてAD変換回路へ出力される。AD変換回路では、比較回路における基準値のK倍の電圧値が最大入力電圧値とされ、増幅回路から出力された電圧値が入力されて、この電圧値に対応するデジタル値が出力される。そして、この信号処理装置では、計数回路により計数された回数の値、および、AD変換回路から出力されたデジタル値に基づいて、入射光量が検出される。   In this case, the voltage value held and output by the holding circuit is amplified K times by the amplifier circuit and output to the AD conversion circuit. In the AD conversion circuit, the voltage value K times the reference value in the comparison circuit is set as the maximum input voltage value, the voltage value output from the amplifier circuit is input, and a digital value corresponding to this voltage value is output. In this signal processing device, the amount of incident light is detected based on the value of the number of times counted by the counting circuit and the digital value output from the AD conversion circuit.

本発明に係る信号処理装置は、(1) 保持回路により保持されて出力された電圧値を入力し、この入力電圧値を増幅して出力する増幅回路を更に備え、(2) 容量値制御部が、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として積分容量部の容量値を設定し、(3) 増幅回路が、保持回路における電圧値サンプリング動作時の積分容量部の容量値Cfinalと所定容量値Csetとの比(Cfinal/Cset)の定数倍の値を増幅率として入力電圧値を増幅して出力する、のが好適である。 The signal processing apparatus according to the present invention further includes (1) an amplifier circuit that inputs a voltage value held and output by the holding circuit, amplifies the input voltage value, and outputs the amplified voltage value. (2) a capacitance value control unit However, when a saturation signal is output from the comparison circuit in the middle of the charge accumulation operation in the integration circuit, the capacitance value of the integration capacitance unit is set with the predetermined capacitance value C set as the upper limit of the variable value range of the integration capacitance unit. (3) The amplification circuit obtains a value that is a constant multiple of the ratio (C final / C set ) of the capacitance value C final of the integration capacitance unit and the predetermined capacitance value C set during the voltage value sampling operation in the holding circuit. The input voltage value is preferably amplified and output.

この場合には、容量値制御部により、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分容量部の容量値は可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として設定される。保持回路により保持されて出力された電圧値は、増幅回路により、保持回路における電圧値サンプリング動作時の積分容量部の容量値Cfinalと所定容量値Csetとの比(Cfinal/Cset)の定数倍の値を増幅率として増幅される。 In this case, the capacitance value control section, when the saturation signal from the comparison circuit during the charge accumulation operation of the integrating circuit is output, the maximum predetermined capacitance value C The set of capacitance values variable range of the integral capacitance part Set as The voltage value held and output by the holding circuit is a ratio (C final / C set ) between the capacitance value C final of the integration capacitor unit and the predetermined capacitance value C set during the voltage value sampling operation in the holding circuit by the amplifier circuit. Amplified with a value that is a constant multiple of.

本発明に係る信号処理装置は、(1) 保持回路により保持されて出力された電圧値に応じたデジタル値を出力するAD変換回路と、AD変換回路から出力されたデジタル値を入力し、この入力デジタル値を処理して出力するデジタル値処理部と、を更に備え、(2) 容量値制御部が、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として積分容量部の容量値を設定し、(3) デジタル値処理部が、保持回路における電圧値サンプリング動作時の積分容量部の容量値Cfinalと所定容量値Csetとの比(Cfinal/Cset)の定数倍の値を入力デジタル値に乗じて、その乗算により得られたデジタル値を出力する、のが好適である。 The signal processing apparatus according to the present invention includes (1) an AD conversion circuit that outputs a digital value corresponding to a voltage value held and output by the holding circuit, and a digital value output from the AD conversion circuit. A digital value processing unit that processes and outputs the input digital value. (2) The capacitance value control unit performs integration when a saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the integration circuit. The capacitance value of the integration capacitor unit is set with a predetermined capacitance value C set as the upper limit in the variable range of the capacitance value of the capacitor unit. (3) The digital value processing unit sets the integration capacitor unit during the voltage value sampling operation in the holding circuit. It is preferable to multiply the input digital value by a constant multiple of the ratio (C final / C set ) of the capacitance value C final to the predetermined capacitance value C set and output a digital value obtained by the multiplication. .

この場合には、容量値制御部により、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分容量部の容量値は可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として設定される。保持回路により保持されて出力された電圧値は、AD変換回路に入力され、入力電圧値に対応するデジタル値に変換される。AD変換回路から出力されたデジタル値は、デジタル値処理部により、保持回路における電圧値サンプリング動作時の積分容量部の容量値Cfinalと所定容量値Csetとの比(Cfinal/Cset)の定数倍の値が乗じられ、その乗算により得られたデジタル値が出力される。 In this case, the capacitance value control section, when the saturation signal from the comparison circuit during the charge accumulation operation of the integrating circuit is output, the maximum predetermined capacitance value C The set of capacitance values variable range of the integral capacitance part Set as The voltage value held and output by the holding circuit is input to the AD conversion circuit and converted into a digital value corresponding to the input voltage value. The digital value output from the AD conversion circuit is converted into a ratio (C final / C set ) between the capacitance value C final and the predetermined capacitance value C set of the integration capacitor during the voltage value sampling operation in the holding circuit. Is multiplied by a constant multiple, and a digital value obtained by the multiplication is output.

本発明に係る信号処理装置は、保持回路として第1保持回路および第2保持回路を備え、増幅回路が、第1保持回路および第2保持回路それぞれから出力された電圧値の差に応じた電圧値を出力するのが好適であり、或いは、AD変換回路が、第1保持回路および第2保持回路それぞれから出力された電圧値の差に応じたデジタル値を出力するのが好適である。   The signal processing device according to the present invention includes a first holding circuit and a second holding circuit as holding circuits, and the amplifier circuit is a voltage corresponding to a difference in voltage value output from each of the first holding circuit and the second holding circuit. It is preferable to output a value, or it is preferable that the AD conversion circuit outputs a digital value corresponding to the difference between the voltage values output from the first holding circuit and the second holding circuit.

この場合には、積分回路から出力される信号成分およびノイズ成分を含む電圧値が第1保持回路により保持され、積分回路から出力されるノイズ成分のみを含む電圧値が第2保持回路により保持される。そして、第1保持回路および第2保持回路それぞれから出力された電圧値の差に応じた電圧値またはデジタル値が増幅回路またはAD変換回路から出力される。   In this case, the voltage value including the signal component and the noise component output from the integration circuit is held by the first holding circuit, and the voltage value including only the noise component output from the integration circuit is held by the second holding circuit. The A voltage value or a digital value corresponding to the difference between the voltage values output from the first holding circuit and the second holding circuit is output from the amplifier circuit or the AD conversion circuit.

本発明に係る信号処理装置は、保持回路として第1保持回路および第2保持回路を備え、積分回路から出力された電圧値を第1保持回路および第2保持回路に交互に保持させて、積分回路,比較回路および容量値制御部による処理と、AD変換回路による処理とを、並列的に行うのが好適である。このような並列的な動作が行われることにより、光検出が高速に行われ得る。   The signal processing device according to the present invention includes a first holding circuit and a second holding circuit as holding circuits, and alternately integrates the voltage values output from the integrating circuit by holding them in the first holding circuit and the second holding circuit. It is preferable that the processing by the circuit, the comparison circuit and the capacitance value control unit and the processing by the AD conversion circuit are performed in parallel. By performing such a parallel operation, light detection can be performed at high speed.

本発明に係る信号処理装置は、複数組の積分回路,比較回路,保持回路および容量値制御部に対して、1個のAD変換回路が設けられ、AD変換回路が、各組の保持回路により順次に出力される電圧値に応じたデジタル値を出力するのが好適である。この場合には、フォトダイオードおよび信号処理装置を含む光検出装置により撮像が可能であり、また、信号処理装置の回路規模が小さくなる。   In the signal processing device according to the present invention, one AD conversion circuit is provided for a plurality of sets of integration circuits, comparison circuits, holding circuits, and capacitance value control units, and the AD conversion circuit is configured by each set of holding circuits. It is preferable to output a digital value corresponding to the sequentially output voltage value. In this case, imaging can be performed by a photodetection device including a photodiode and a signal processing device, and the circuit scale of the signal processing device is reduced.

本発明に係る光検出装置は、入射光量に応じた電荷を発生するフォトダイオードと、フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する上記の本発明に係る信号処理装置と、を備えることを特徴とする。   A photodetection device according to the present invention includes a photodiode that generates a charge according to the amount of incident light, and a signal processing device according to the present invention that outputs an electrical signal having a value according to the amount of charge generated by the photodiode. It is characterized by providing.

本発明に係る信号処理装置および光検出装置は消費電力を低減することができる。   The signal processing device and the light detection device according to the present invention can reduce power consumption.

本実施形態に係る光検出装置1の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the photon detection apparatus 1 which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る光検出装置1の詳細構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of the photon detection apparatus 1 which concerns on this embodiment. 本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。It is a timing chart explaining operation | movement of the photon detection apparatus 1 which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る光検出装置1に含まれる積分回路10の回路図である。1 is a circuit diagram of an integration circuit 10 included in a photodetecting device 1 according to the present embodiment. 本実施形態に係る光検出装置1に含まれる積分回路10から出力される電圧値V10の時間変化を示す図である。It is a graph showing a temporal change of the voltage value V 10 outputted from the integrating circuit 10 included in the photodetector 1 according to the present embodiment. 他の実施形態に係る光検出装置1Aの詳細構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of 1 A of photodetectors which concern on other embodiment. 他の実施形態に係る光検出装置1Bの詳細構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of the photodetector 1B which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係る光検出装置1Cの詳細構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of 1 C of photodetectors which concern on other embodiment. 他の実施形態に係る光検出装置1Cに含まれるデジタル値処理部100の処理内容を説明する図である。It is a figure explaining the processing content of the digital value process part 100 contained in 1 C of photodetectors concerning other embodiment.

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するため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。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out 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.

図1は、本実施形態に係る光検出装置1の概略構成を示す図である。この図に示される光検出装置1は、フォトダイオードアレイ2および信号処理装置3を含む。   FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a photodetecting device 1 according to the present embodiment. The photodetection device 1 shown in this figure includes a photodiode array 2 and a signal processing device 3.

フォトダイオードアレイ2は、N個のフォトダイオードPD〜PDを含む。N個のフォトダイオードPD〜PDは共通の構成を有する。N個のフォトダイオードPD〜PDは1つの半導体基板上に形成されているのが好適である。また、N個のフォトダイオードPD〜PDそれぞれの受光領域は、X線等のエネルギー線の入射に伴いシンチレーション光を発生させるシンチレータで覆われているのが好適である。各フォトダイオードPDは、入射光量に応じた電荷を発生する。なお、Nは1以上の整数であり、nは1以上N以下の各整数である。また、Nは2以上の整数であって、N個のフォトダイオードPD〜PDが1次元状または2次元状に配列されていてもよい。 Photodiode array 2 includes N photodiodes PD 1 -PD N. N photodiodes PD 1 -PD N have a common configuration. The N photodiodes PD 1 -PD N it is preferable that are formed on a single semiconductor substrate. In addition, it is preferable that the light receiving regions of the N photodiodes PD 1 to PDN are covered with a scintillator that generates scintillation light with the incidence of energy rays such as X-rays. Each photodiode PD n generates a charge according to the amount of incident light. N is an integer of 1 or more, and n is an integer of 1 or more and N or less. Further, N represents a 2 or more integer, N-number of photodiodes PD 1 -PD N may be arranged one-dimensionally or two-dimensionally.

信号処理装置3は、各フォトダイオードPDで発生した電荷の量に応じた値の電気信号(デジタル信号)を出力する。信号処理装置3は、N個の読出し部4〜4,増幅回路70,AD変換回路80および基準値生成部90を含む。N個の読出し部4〜4は共通の構成を有する。各読出し部4はフォトダイオードPDに対応して設けられている。信号処理装置3は、フォトダイオードアレイ2が形成される半導体基板とは別個の半導体基板上に形成されているのが好適である。また、フォトダイオードアレイ2が形成される半導体基板の裏面にシンチレータが設けられ、フォトダイオードアレイ2が形成される半導体基板の表面と信号処理装置3が形成される半導体基板の表面とが互いにバンプ接続されるのが好適である。 The signal processing unit 3 outputs an electric signal (digital signal) having a value corresponding to the amount of charges generated in the photodiodes PD n. The signal processing device 3 includes N reading units 4 1 to 4 N , an amplification circuit 70, an AD conversion circuit 80, and a reference value generation unit 90. The N reading units 4 1 to 4 N have a common configuration. Each readout section 4 n is provided corresponding to the photodiode PD n . The signal processing device 3 is preferably formed on a semiconductor substrate different from the semiconductor substrate on which the photodiode array 2 is formed. A scintillator is provided on the back surface of the semiconductor substrate on which the photodiode array 2 is formed, and the surface of the semiconductor substrate on which the photodiode array 2 is formed and the surface of the semiconductor substrate on which the signal processing device 3 is formed are connected to each other by bumps. It is preferred that

各読出し部4は、積分回路10,比較回路20,電荷注入回路30,容量値制御部40,保持回路50,計数回路60およびスイッチSWを含む。各読出し部4に含まれる積分回路10は、容量値が可変に設定される積分容量部を有し、対応するフォトダイオードPDから出力された電荷を積分容量部に蓄積して、その蓄積電荷量および容量値に応じた電圧値を比較回路20および保持回路50へ出力する。 Each readout unit 4n includes an integration circuit 10, a comparison circuit 20, a charge injection circuit 30, a capacitance value control unit 40, a holding circuit 50, a counting circuit 60, and a switch SW. The integration circuit 10 included in each readout unit 4 n includes an integration capacitor unit whose capacitance value is variably set, accumulates the charge output from the corresponding photodiode PD n in the integration capacitor unit, and accumulates the accumulated capacitor unit. A voltage value corresponding to the charge amount and the capacitance value is output to the comparison circuit 20 and the holding circuit 50.

比較回路20は、積分回路10から出力された電圧値を入力し、この入力電圧値と所定の基準値とを大小比較して、入力電圧値が基準値に達したときに、その旨を示す飽和信号を電荷注入回路30,容量値制御部40および計数回路60へ出力する。保持回路50は、積分回路10から出力された電圧値をサンプリングして保持し、その保持した電圧値を増幅回路70へ出力する。   The comparison circuit 20 receives the voltage value output from the integration circuit 10, compares the input voltage value with a predetermined reference value, and indicates when the input voltage value reaches the reference value. The saturation signal is output to the charge injection circuit 30, the capacitance value control unit 40 and the counting circuit 60. The holding circuit 50 samples and holds the voltage value output from the integrating circuit 10, and outputs the held voltage value to the amplifier circuit 70.

容量値制御部40は、積分回路10の積分容量部の容量値を制御する。具体的には、容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作開始時に積分容量部の容量値を最小値に設定しておく。容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作の途中で比較回路20から飽和信号が出力されたときに、積分回路10における電荷蓄積動作開始時から比較回路20における飽和信号出力時までの時間が短いほど積分容量部の容量値を大きい値に設定する。   The capacitance value control unit 40 controls the capacitance value of the integration capacitor unit of the integration circuit 10. Specifically, the capacitance value control unit 40 sets the capacitance value of the integration capacitor unit to the minimum value when the charge accumulation operation in the integration circuit 10 is started. When the saturation signal is output from the comparison circuit 20 during the charge accumulation operation in the integration circuit 10, the capacitance value control unit 40 starts from the charge accumulation operation start in the integration circuit 10 until the saturation signal is output in the comparison circuit 20. As the time is shorter, the capacitance value of the integration capacitor is set to a larger value.

電荷注入回路30は、比較回路20から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部40が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、積分回路10の積分容量部に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を積分容量部に注入する。計数回路60は、比較回路20から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部40が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、積分回路10から出力された電圧値が基準値に達した回数を計数する。各読出し部4に含まれる計数回路60は、スイッチSWを介して共通の配線に接続されている。 The charge injection circuit 30 is connected to the integration capacitor unit of the integration circuit 10 except when the capacitance value control unit 40 changes and sets the capacitance value of the integration capacitor unit based on the saturation signal output from the comparison circuit 20. A certain amount of charge having a polarity opposite to that of the accumulated charge is injected into the integrating capacitor. The counting circuit 60 outputs the voltage value output from the integration circuit 10 except when the capacitance value control unit 40 changes and sets the capacitance value of the integration capacitance unit based on the saturation signal output from the comparison circuit 20. Count the number of times that reached the reference value. The counting circuit 60 included in each reading unit 4 n is connected to a common wiring through the switch SW.

増幅回路70の入力端は、各読出し部4に含まれる保持回路50の出力端に接続されている。増幅回路70は、各読出し部4に含まれる保持回路50により保持されて順次に出力された電圧値を入力して、この入力した電圧値をK倍(ただし、K>1)にした電圧値をAD変換回路80へ出力する。AD変換回路80は、比較回路20における基準値のK倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路70から出力された電圧値を入力して、この入力電圧値に対応するデジタル値を出力する。基準値生成回路90は、AD変換回路80における最大入力電圧値を設定する為の基準値を入力して、この入力した基準値のK分の1の電圧値を、比較回路20に入力される基準値とする。基準値生成回路90は、抵抗分割回路により構成され得る。 The input terminal of the amplifier circuit 70 is connected to the output terminal of the holding circuit 50 included in each reading unit 4 n . Amplifier circuit 70 inputs the voltage values sequentially output is held by the holding circuit 50 included in each readout unit 4 n, and a voltage value the input K times (where, K> 1) Voltage The value is output to the AD conversion circuit 80. The AD conversion circuit 80 sets the voltage value K times the reference value in the comparison circuit 20 as the maximum input voltage value, inputs the voltage value output from the amplifier circuit 70, and outputs a digital value corresponding to the input voltage value. To do. The reference value generation circuit 90 inputs a reference value for setting the maximum input voltage value in the AD conversion circuit 80, and a voltage value that is 1 / K of the input reference value is input to the comparison circuit 20. Use the reference value. The reference value generation circuit 90 can be configured by a resistance dividing circuit.

図2は、本実施形態に係る光検出装置1の詳細構成を示す図である。ここでは、1組のフォトダイオードPDおよび読出し部4が示され、また、増幅回路70,AD変換回路80および基準値生成回路90が示されている。ここでは、保持回路50として2個の保持回路51,52が設けられるものとする。   FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of the photodetecting device 1 according to the present embodiment. Here, a pair of photodiodes PD and a reading unit 4 are shown, and an amplifier circuit 70, an AD conversion circuit 80, and a reference value generation circuit 90 are shown. Here, it is assumed that two holding circuits 51 and 52 are provided as the holding circuit 50.

積分回路10は、アンプA10、積分容量部C10およびスイッチSW10を有する。アンプA10の非反転入力端子は接地されている。アンプA10の反転入力端子はフォトダイオードPDと接続されている。アンプA10の反転入力端子と出力端子との間に積分容量部C10およびスイッチSW10が並列的に設けられている。積分容量部C10の容量値は、可変であって、容量値制御部40により設定される。この積分回路10は、スイッチSW10が閉じているときには、積分容量部C10が放電され、リセットレベルの電圧値を出力する。一方、この積分回路10は、スイッチSW10が開いているときには、フォトダイオードPDから出力された電荷を積分容量部C10に蓄積し、この積分容量部C10に蓄積した電荷の量および容量値に応じた電圧値V10を出力する。 The integration circuit 10 includes an amplifier A 10 , an integration capacitor unit C 10, and a switch SW 10 . Non inverting input terminal of the amplifier A 10 is grounded. Inverting input terminal of the amplifier A 10 is connected to the photodiode PD. Integral capacitance part C 10 and the switch SW 10 between the inverting input terminal and the output terminal of the amplifier A 10 is provided in parallel. The capacitance value of the integral capacitance part C 10 is a variable and is set by the capacity value control unit 40. The integrating circuit 10, when the switch SW 10 is closed, the integral capacitance part C 10 is discharged, and outputs a voltage value of the reset level. On the other hand, the integrating circuit 10, when the switch SW 10 is open, accumulates charges output from the photodiode PD in the integrating capacitor unit C 10, the amount and the capacitance value of the charge accumulated in the integrating capacitor unit C 10 and outputs the voltage value V 10 corresponding to.

比較回路20は、積分回路10から出力された電圧値V10を入力し、この電圧値V10と所定の基準値Vref2とを大小比較する。そして、比較回路20は、電圧値V10が基準値Vref2に達したときに、その旨を示す飽和信号φを出力する。 Comparator circuit 20 inputs the voltage V 10 outputted from the integrating circuit 10, and the voltage value V 10 and a predetermined reference value V ref2 to magnitude comparison. When the voltage value V 10 reaches the reference value V ref2 , the comparison circuit 20 outputs a saturation signal φ 1 indicating that fact.

容量値制御部40は、積分回路10の積分容量部C10の容量値を制御する。具体的には、容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作開始時(すなわち、スイッチSW10が閉状態から開状態に転じたとき)に積分容量部C10の容量値を最小値に設定しておく。容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作の途中で比較回路20から飽和信号が出力されたときに、積分回路10における電荷蓄積動作開始時から比較回路20における飽和信号出力時までの時間が短いほど積分容量部C10の容量値を大きい値に設定する。 The capacitance value control unit 40 controls the capacitance value of the integration capacitor unit C 10 of the integration circuit 10. Specifically, the capacitance value control unit 40, at the start charge accumulation operation of the integrating circuit 10 (i.e., when the switch SW 10 is turned from a closed state to an open state) the minimum capacitance value of the integral capacitance part C 10 to Set to. When the saturation signal is output from the comparison circuit 20 during the charge accumulation operation in the integration circuit 10, the capacitance value control unit 40 starts from the charge accumulation operation start in the integration circuit 10 until the saturation signal is output in the comparison circuit 20. time is set to a large value the capacitance value of the shorter integral capacitance part C 10.

電荷注入回路30は、スイッチSW31〜SW34および容量素子C30を有する。スイッチSW31、容量素子C30およびスイッチSW32は順に接続されており、スイッチSW31の他端は積分回路10のアンプA10の反転入力端子に接続されており、スイッチSW32の他端は基準電位Vinjに接続されている。スイッチSW31と容量素子C30との接続点は、スイッチSW33を介して接地されている。スイッチSW32と容量素子C30との接続点は、スイッチSW34を介して接地されている。 The charge injection circuit 30 includes switches SW 31 to SW 34 and a capacitive element C 30 . The switch SW 31 , the capacitive element C 30 and the switch SW 32 are connected in order, the other end of the switch SW 31 is connected to the inverting input terminal of the amplifier A 10 of the integrating circuit 10, and the other end of the switch SW 32 is The reference potential V inj is connected. A connection point between the switch SW 31 and the capacitive element C 30 is grounded via the switch SW 33 . A connection point between the switch SW 32 and the capacitive element C 30 is grounded via the switch SW 34 .

容量値制御部40が積分容量部C10の容量値を変更して設定する場合を除いて、スイッチSW31およびSW34それぞれは、比較回路20から出力された飽和信号φに基づいて開閉し、スイッチSW32およびSW33それぞれは、比較回路20から出力された飽和信号φの論理反転信号φに基づいて開閉する。すなわち、この電荷注入回路30は、比較回路20から出力された飽和信号φに基づいて、容量値制御部40が積分容量部C10の容量値を変更して設定する場合を除いて、積分回路10の積分容量部C10に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を積分容量部C10に注入する。 Except where capacitance value control unit 40 sets by changing the capacitance value of the integral capacitance part C 10, the switches SW 31 and SW 34 are opened and closed and on the basis of the saturation signal phi 1 that is output from the comparator circuit 20 The switches SW 32 and SW 33 open and close based on the logic inversion signal φ 2 of the saturation signal φ 1 output from the comparison circuit 20. That is, the charge injection circuit 30 is integrated based on the saturation signal φ 1 output from the comparison circuit 20 except when the capacitance value control unit 40 changes and sets the capacitance value of the integration capacitance unit C 10. injecting a predetermined amount of charges of opposite polarity to be accumulated in the integrating capacitor unit C 10 of the circuit 10 to the integrating capacitor unit C 10.

計数回路60は、比較回路20から出力された飽和信号φに基づいて、容量値制御部40が積分容量部C10の容量値を変更して設定する場合を除いて、積分回路10から出力された電圧値Vが基準値Vref2に達した回数を計数し、この計数値をデジタル値として出力する。 Counting circuit 60 based on the saturation signal phi 1 that is output from the comparator circuit 20, unless the capacitance value control unit 40 sets by changing the capacitance value of the integral capacitance part C 10, output from the integrating circuit 10 The number of times that the voltage value V reached the reference value V ref2 is counted, and this counted value is output as a digital value.

これら積分回路10,比較回路20,電荷注入回路30および計数回路60は、AD変換機能を有している。すなわち、一定期間のうちにフォトダイオードPDから出力されて積分回路10の積分容量部C10に蓄積されていく電荷の量の絶対値をQとし、比較回路20から出力される飽和信号φに基づいて電荷注入回路30により積分回路10の積分容量部C10に注入される電荷の量の絶対値をQとする。このときに、計数回路60による計数値(デジタル値)は、QをQで除算して得られる値に対して小数部を切り捨てた整数値である。また、上記一定期間の終了の際に積分回路10から出力される電圧値は、QをQで除算して得られる値から上記整数値を減算して得られる残余の値に応じた電圧値である。 The integration circuit 10, the comparison circuit 20, the charge injection circuit 30, and the counting circuit 60 have an AD conversion function. That is, the absolute value of the amount of charge that is accumulated in the integrating capacitor unit C 10 of the integrating circuit 10 is output from the photodiode PD within a certain period and Q 0, the saturation signal output from the comparison circuit 20 phi 1 the absolute value of the integral capacitance part amount of injected charge on C 10 of the integrating circuit 10 by the charge injection circuit 30 based on the Q 1. At this time, the count value by the counter circuit 60 (digital value) is an integer value by truncating the fractional part for the value obtained by dividing the Q 0 in Q 1. Further, the voltage value output from the integration circuit 10 at the end of the predetermined period is a voltage corresponding to the residual value obtained by subtracting the integer value from the value obtained by dividing Q 0 by Q 1. Value.

保持回路51および保持回路52は共通の構成を有する。保持回路51および保持回路52それぞれは、スイッチSW51〜SW54および容量素子C50を有する。スイッチSW51、容量素子C50およびスイッチSW52は順に接続されており、スイッチSW51の他端は積分回路10のアンプA10の出力端子に接続されており、スイッチSW52の他端は増幅回路70の入力端に接続されている。スイッチSW51と容量素子C50との接続点は、スイッチSW53を介して接地されている。スイッチSW52と容量素子C50との接続点は、スイッチSW54を介して接地されている。 The holding circuit 51 and the holding circuit 52 have a common configuration. Each of the holding circuit 51 and the holding circuit 52 includes switches SW 51 to SW 54 and a capacitive element C 50 . The switch SW 51 , the capacitive element C 50 and the switch SW 52 are connected in order, the other end of the switch SW 51 is connected to the output terminal of the amplifier A 10 of the integrating circuit 10, and the other end of the switch SW 52 is amplified. The input terminal of the circuit 70 is connected. A connection point between the switch SW 51 and the capacitive element C 50 is grounded via the switch SW 53 . A connection point between the switch SW 52 and the capacitive element C 50 is grounded via the switch SW 54 .

保持回路51および保持回路52それぞれでは、スイッチSW51およびSW54は同時に開閉する。スイッチSW52およびSW53は同時に開閉する。スイッチSW51,SW54が閉状態から開状態に転じると、その直前に積分回路10からの出力電圧値は容量素子C50に保持される。スイッチSW52,SW53が閉じると、容量素子C50に保持されている電圧値は増幅回路70へ出力される。 In each of the holding circuit 51 and the holding circuit 52, the switches SW 51 and SW 54 open and close simultaneously. Switches SW 52 and SW 53 open and close simultaneously. When the switches SW 51 and SW 54 change from the closed state to the open state, the output voltage value from the integrating circuit 10 is held in the capacitive element C 50 immediately before that. When the switches SW 52 and SW 53 are closed, the voltage value held in the capacitive element C 50 is output to the amplifier circuit 70.

保持回路51は、積分回路10において電荷蓄積動作が一定期間に亘って行われて該動作終了の際に積分回路10から出力された電圧値をサンプリングして保持し、その保持した電圧値V51を増幅回路70へ出力する。一方、保持回路52は、積分回路10のスイッチSW10が閉じている状態から開いた瞬間に積分回路10から出力されるリセット直後のノイズ電圧値をサンプリングして保持し、その保持した電圧値V52を増幅回路70へ出力する。 The holding circuit 51 samples and holds the voltage value output from the integrating circuit 10 at the end of the operation after the charge accumulation operation is performed in the integrating circuit 10 for a fixed period, and the held voltage value V 51. Is output to the amplifier circuit 70. On the other hand, the holding circuit 52 samples and holds the noise voltage value immediately after the reset output from the integrating circuit 10 at the moment when the switch SW 10 of the integrating circuit 10 is opened from the closed state, and holds the held voltage value V. 52 is output to the amplifier circuit 70.

増幅回路70は、保持回路51から出力された電圧値V51を入力するとともに、保持回路52から出力された電圧値V52を入力して、これらの入力した2つの電圧値の差をK倍にした電圧値(K(V51−V52))をAD変換回路80へ出力する。保持回路51から出力された電圧値V51は、信号成分およびノイズ成分を含む電圧値のうち、積分回路10,比較回路20,電荷注入回路30および計数回路60により構成されるAD変換機能によるAD変換の際の残余の電圧値である。保持回路52から出力された電圧値V52は、信号成分を含まず、ノイズ成分のみを含む。したがって、増幅回路70から出力される電圧値は、上記の残余の電圧値からノイズ成分が除去された後の値を表すものとなる。 Amplifier circuit 70 inputs the voltage value V 51 output from the holding circuit 51 inputs the voltage value V 52 output from the holding circuit 52, K times the difference between the inputted two voltage values The converted voltage value (K (V 51 −V 52 )) is output to the AD conversion circuit 80. The voltage value V 51 output from the holding circuit 51 is an AD by the AD conversion function constituted by the integration circuit 10, the comparison circuit 20, the charge injection circuit 30, and the counting circuit 60 among the voltage values including the signal component and the noise component. This is the residual voltage value at the time of conversion. The voltage value V 52 output from the holding circuit 52 does not include a signal component but includes only a noise component. Therefore, the voltage value output from the amplifier circuit 70 represents a value after the noise component is removed from the remaining voltage value.

前述したように、増幅回路70は、保持回路51,52により保持されて出力された電圧値を入力して、これらの入力した2つの電圧値の差をK倍にした電圧値をAD変換回路80へ出力する。また、AD変換回路80は、比較回路20における基準値のK倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路70から出力された電圧値を入力して、この入力電圧値に対応するデジタル値を出力する。そこで、基準値生成回路90は、AD変換回路80における最大入力電圧値を設定する為の基準値Vref1を入力して、この基準値Vref1のK分の1の電圧値(Vref1/K)を基準値Vref2として比較回路20に与える。 As described above, the amplifier circuit 70 receives the voltage value held and output by the holding circuits 51 and 52, and converts the voltage value obtained by multiplying the difference between the two input voltage values by K times. Output to 80. Further, the AD conversion circuit 80 sets the voltage value K times the reference value in the comparison circuit 20 as the maximum input voltage value, inputs the voltage value output from the amplifier circuit 70, and outputs a digital value corresponding to the input voltage value. Is output. Therefore, the reference value generation circuit 90 inputs the reference value V ref1 for setting the maximum input voltage value in the AD conversion circuit 80, and the voltage value of 1 / K of the reference value V ref1 (V ref1 / K). ) To the comparison circuit 20 as a reference value V ref2 .

なお、本実施形態に係る光検出装置1は制御部を更に備えているのが好適である。この制御部は、積分回路10におけるスイッチSW10の開閉動作、計数回路60における計数動作、保持回路51,52におけるスイッチSW51〜SW54の開閉動作、および、AD変換回路80におけるAD変換動作、を所定のタイミングで制御する。 In addition, it is preferable that the light detection device 1 according to the present embodiment further includes a control unit. The control unit, opening and closing operations of the switches SW 10 in the integrating circuit 10, the counting operation of the counter circuit 60, opening and closing operations of the switches SW 51 to SW 54 in the holding circuits 51 and 52, and, AD conversion operation in the AD converter circuit 80, Is controlled at a predetermined timing.

次に、本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3は、本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。ただし、ここでは、容量値制御部40による積分回路10の積分容量部C10の容量値の制御が行われないものとして、積分回路10における電荷蓄積動作の期間に亘って積分容量部C10の容量値が一定であるとする。 Next, the operation of the photodetecting device 1 according to this embodiment will be described. FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the photodetecting device 1 according to this embodiment. However, here, as to the control of the capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 according to the capacitance value control section 40 is not performed, the integral capacitance part C 10 over a period of charge accumulation operations in the integrating circuit 10 Assume that the capacitance value is constant.

時刻tに、積分回路10のスイッチSW10が閉じて、積分容量部C10が放電され、積分回路10から出力される電圧値V10はリセットレベルとなる。このとき、比較回路20から出力される飽和信号φは論理レベルLであり、電荷注入回路30のスイッチSW31およびSW34それぞれは開いており、電荷注入回路30のスイッチSW32およびSW33それぞれは閉じており、計数回路60における計数値は値0に初期化されている。 At time t 0, is closed switch SW 10 of the integrating circuit 10, integrating capacitor unit C 10 is discharged, the voltage value V 10 outputted from the integrating circuit 10 is the reset level. At this time, the saturation signal φ 1 output from the comparison circuit 20 is at the logic level L, the switches SW 31 and SW 34 of the charge injection circuit 30 are open, and the switches SW 32 and SW 33 of the charge injection circuit 30 are open. Is closed, and the count value in the count circuit 60 is initialized to 0.

時刻tに、積分回路10のスイッチSW10が開いて電荷蓄積動作が開始され、フォトダイオードPDで発生した電荷が積分容量部C10に蓄積されていき、その蓄積された電荷の量に応じた電圧値V10が積分回路10から出力される。積分回路10から出力される電圧値V10は、比較回路20により基準値Vref2と比較される。 At time t 1 , the switch SW 10 of the integration circuit 10 is opened and the charge accumulation operation is started, and the charge generated in the photodiode PD is accumulated in the integration capacitor unit C 10 according to the amount of the accumulated charge. The voltage value V 10 is output from the integrating circuit 10. The voltage value V 10 output from the integration circuit 10 is compared with the reference value V ref2 by the comparison circuit 20.

時刻tに、積分回路10から出力される電圧値V10が基準値Vref2に達すると、比較回路20から出力される飽和信号φは論理レベルLから論理レベルHに転じ、これに伴い、電荷注入回路30のスイッチSW31およびSW34それぞれは閉じるとともに、スイッチSW32およびSW33それぞれは開く。 To time t 2, the when the voltage value V 10 outputted from the integrating circuit 10 reaches the reference value V ref2, saturation signal phi 1 that is output from the comparator circuit 20 is turned to the logic level H from the logic level L, With this The switches SW 31 and SW 34 of the charge injection circuit 30 are closed and the switches SW 32 and SW 33 are opened.

そして、積分回路10から出力される電圧値V10が基準値Vref2に達したときに積分容量部C10に蓄積されていた電荷量Q10(=C10・Vref2)と、そのときまでに電荷注入回路30の容量素子C30に蓄積されていた電荷量Q30(=C30・Vinj)とが互いに等しければ、電荷注入回路30の容量素子C30に蓄積されていた電荷は積分回路10の積分容量部C10に注入されて、積分容量部C10における電荷蓄積量はリセットされる。 Then, the charge amount Q 10 (= C 10 · V ref2 ) accumulated in the integration capacitor unit C 10 when the voltage value V 10 output from the integration circuit 10 reaches the reference value V ref2 , and until that time charge amount Q 30 that has been accumulated in the capacitor C 30 of the charge injection circuit 30 into equal (= C 30 · V inj) and to each other, the charges accumulated in the capacitor C 30 of the charge injection circuit 30 is integrated It is injected into the integral capacitance part C 10 of the circuit 10, the charge accumulation amount in the integrating capacitor unit C 10 is reset.

これにより、積分回路10から出力される電圧値V10は一旦リセットレベルとなり、その後に蓄積された電荷の量に応じた電圧値V10が積分回路10から出力される。また、直ちに、比較回路20から出力される飽和信号φは論理レベルLに転じ、これに伴い、電荷注入回路30のスイッチSW31およびSW34それぞれは開くとともに、スイッチSW32およびSW33それぞれは閉じる。 Thereby, the voltage value V 10 outputted from the integrating circuit 10 is once becomes the reset level, the voltage value V 10 corresponding to the amount of the subsequently accumulated charge is output from the integrating circuit 10. Immediately, the saturation signal φ 1 output from the comparison circuit 20 goes to the logic level L. Accordingly, the switches SW 31 and SW 34 of the charge injection circuit 30 are opened, and the switches SW 32 and SW 33 are respectively switched. close up.

時刻t,時刻t,時刻tおよび時刻tそれぞれにおいても、時刻tにおける上述した一連の動作が行われる。ここで、時刻tから時刻tまでの時間τ12、時刻tから時刻tまでの時間τ23、時刻tから時刻tまでの時間τ34、時刻tから時刻tまでの時間τ45、および、時刻tから時刻tまでの時間τ56それぞれは、この間のフォトダイオードPDへの入射光量が一定であれば、互いに等しい。 Time t 3, time t 4, even at time t 5 and time t 6, respectively, the series of operations described above at time t 2 is performed. Here, time τ 12 from time t 1 to time t 2 , time τ 23 from time t 2 to time t 3 , time τ 34 from time t 3 to time t 4 , time t 4 to time t 5 Time τ 45 and time τ 56 from time t 5 to time t 6 are equal to each other if the amount of light incident on the photodiode PD is constant.

このような繰り返し動作は、積分回路10における電荷蓄積動作が開始された時刻tから一定時間Tが経過する時刻t(=t+T)まで行われる。時刻tから時刻tまでの時間は、上記時間τ12などより短い。この一定時間Tの間に、比較回路20から出力される飽和信号φが論理レベルLから論理レベルHに転じる回数が計数回路60により計数される。すなわち、計数回路60における計数値は、時刻tに値1となり、時刻tに値2となり、時刻tに値3となり、時刻tに値4となり、時刻tに値5となる。すなわち、積分回路10,比較回路20,電荷注入回路30および計数回路60によりAD変換機能が実現されている。 Such a repetitive operation is performed until time t 7 (= t 1 + T) when a certain time T elapses from time t 1 when the charge accumulation operation in the integration circuit 10 is started. Time from the time t 6 to time t 7 is shorter than such as the time τ 12. The counting circuit 60 counts the number of times that the saturation signal φ 1 output from the comparison circuit 20 changes from the logic level L to the logic level H during the fixed time T. That is, the count value in the counter circuit 60 becomes a value 1 becomes the time t 2, the next value 2 at time t 3, time t 4 to the value 3, and the value becomes 4 at time t 5, the value 5 to the time t 6 . That is, the AD conversion function is realized by the integration circuit 10, the comparison circuit 20, the charge injection circuit 30, and the counting circuit 60.

時刻t前に保持回路51のスイッチSW51,SW54が閉じ、時刻tに保持回路51のスイッチSW51,SW54が開いて、その結果、時刻t直前に積分回路10から出力されていた電圧値V10の値V51が保持回路51によりサンプリングされて保持される。また、時刻tに保持回路52のスイッチSW51,SW54が閉じ、時刻t直後に保持回路52のスイッチSW51,SW54が開いて、その結果、時刻tに積分回路10のスイッチSW10が開くことにより生じて積分回路10から出力されるノイズ(kTCノイズ)の値V52が保持回路52によりサンプリングされて保持される。 Prior to time t 7, the switches SW 51 and SW 54 of the holding circuit 51 are closed, and at time t 7 , the switches SW 51 and SW 54 of the holding circuit 51 are opened. As a result, the signals are output from the integrating circuit 10 immediately before time t 7. The value V 51 of the voltage value V 10 which has been sampled is held by the holding circuit 51. Also, the switch SW 51, SW 54 of the holding circuit 52 is closed at time t 1, the time t 1 the switch SW 51, SW 54 of the holding circuit 52 immediately opens, resulting, integrating circuit 10 at time t 1 the switch A value V 52 of noise (kTC noise) generated by opening the SW 10 and output from the integration circuit 10 is sampled and held by the holding circuit 52.

そして、時刻t以降の時刻t〜tの間に、保持回路51および保持回路52それぞれのスイッチSW52,SW53が閉じることにより、保持回路51により保持されていた電圧値V51、および、保持回路52により保持されていた電圧値V52は、増幅回路70に入力されて、これら2つの電圧値の差のK倍の電圧値(K(V51−V52))が増幅回路70から出力される。増幅回路70から出力された電圧値はAD変換回路80に入力されて、この入力電圧値に対応するデジタル値がAD変換回路80から出力される。 Then, between times t 7 after the time t 8 ~t 9, the holding circuit 51 and the holding circuit 52 by the closing respective switches SW 52, SW 53, the voltage value V 51 that has been held by the holding circuit 51, The voltage value V 52 held by the holding circuit 52 is input to the amplifier circuit 70, and a voltage value (K (V 51 −V 52 )) that is K times the difference between the two voltage values is supplied to the amplifier circuit. 70. The voltage value output from the amplifier circuit 70 is input to the AD conversion circuit 80, and a digital value corresponding to the input voltage value is output from the AD conversion circuit 80.

また、時刻t以降は計数回路60における計数動作が停止され、時刻tにおける計数値が計数回路60により保持される。そして、時刻t〜tの間に、読出し部4のスイッチSWが閉じて、その読出し部4の計数回路60により保持されていた計数値は、スイッチSWを経て出力される。 Further, after time t 7, the counting operation in the counting circuit 60 is stopped, and the count value at the time t 7 is held by the counting circuit 60. Then, between times t 8 ~t 9, closes the switch SW of the read unit 4 n, the count value that has been held by the counter circuit 60 of the read section 4 n is outputted via the switch SW.

以上の動作のうち、時刻t〜tの間の動作は、N個の読出し部4〜4において並列的に同時に行われる。一方、時刻t以降の動作は、N個の読出し部4〜4について順次に行われる。以上のようにして、N個の読出し部4〜4それぞれについて順次に、フォトダイオードPDへの入射光量に対する出力値として、計数回路60による計数値である第1のデジタル値、および、AD変換回路80によるAD変換結果である第2のデジタル値が得られる。 Among the operations described above, the operations between times t 0 to t 7 are simultaneously performed in parallel in the N reading units 4 1 to 4 N. On the other hand, the time t 7 after the operation is performed sequentially for the N reading unit 4 1 to 4 N. As described above, for each of the N readout units 4 1 to 4 N , the first digital value that is the count value by the count circuit 60 and the AD value as the output value with respect to the incident light amount to the photodiode PD, and AD A second digital value that is an AD conversion result by the conversion circuit 80 is obtained.

上述した動作から判るように、第2のデジタル値は、第1のデジタル値に対して下位に位置するものである。第1のデジタル値がM1ビットで表され、第2のデジタル値がM2ビットで表されるとすれば、この光検出装置1から出力されるデジタル値は、(M1+M2)ビットのデータDM1+M2−1〜Dとして表される。このうち、上位M1ビットのデータDM1+M2−1〜DM2は第1のデジタル値に対応し、下位M2ビットのデータDM2−1〜Dは第2のデジタル値に対応する。 As can be seen from the above-described operation, the second digital value is positioned lower than the first digital value. If the first digital value is represented by M1 bits and the second digital value is represented by M2 bits, the digital value output from the photodetector 1 is (M1 + M2) bits of data D M1 + M2−. It expressed as 1 to D 0. Of these, the upper M1 bit data D M1 + M2-1 to D M2 correspond to the first digital value, and the lower M2 bit data D M2-1 to D 0 correspond to the second digital value.

したがって、本実施形態に係る光検出装置1において、容量値制御部40による積分回路10の積分容量部C10の容量値の制御が行われないものとして、積分回路10における電荷蓄積動作の期間T(時刻t〜t)に亘って積分容量部C10の容量値が一定であるとすると、フォトダイオードPDへの入射光量値は、積分回路10,比較回路20,電荷注入回路30および計数回路60により実現されるAD変換機能により第1のデジタル値に変換されるとともに、このAD変換機能によりAD変換しきれなかった残余の値は、AD変換回路80により第2のデジタル値に変換される。したがって、この光検出装置1では、大きなダイナミックレンジで短時間に入射光量が検出され得る。また、この光検出装置1において、複数のフォトダイオードPDが1次元状または2次元状に配列されている場合には、大きなダイナミックレンジで入射光像が撮像され得る。 Accordingly, in the light detection apparatus 1 according to the present embodiment, assuming that the control of the capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 according to the capacitance value control section 40 is not performed, the period of charge accumulation operations in the integrating circuit 10 T When the capacitance value of the integral capacitance part C 10 over (time t 1 ~t 7) is constant, the incident light amount to the photodiode PD, the integrating circuit 10, comparator circuit 20, a charge injection circuit 30 and counting The AD conversion function realized by the circuit 60 converts the first digital value, and the AD converter circuit 80 converts the remaining value that cannot be AD converted into a second digital value. The Therefore, the light detection device 1 can detect the amount of incident light in a short time with a large dynamic range. In this photodetection device 1, when a plurality of photodiodes PD are arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner, an incident light image can be taken with a large dynamic range.

また、本実施形態に係る光検出装置1では、増幅回路70は、保持回路51から出力された電圧値V51を入力するとともに、保持回路52から出力された電圧値V52を入力して、これらの入力した2つの電圧値の差をK倍(ただし、K>1)にした電圧値(K(V51−V52))をAD変換回路80へ出力する。そして、AD変換回路80は、比較回路20における基準値Vref2のK倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路70から出力された電圧値を入力して、この電圧値に対応する第2のデジタル値(下位M2ビットのデータDM2−1〜D)を出力する。これにより、AD変換回路80におけるAD変換動作の際に生じるノイズがK分の1に抑制されるので、光検出装置1から出力されるデジタル値(データDM1+M2−1〜D)は高精度のものとなり得る。このように、本実施形態に係る光検出装置1は、入射光量に応じた高精度のデジタル値を出力することができる。 In the optical detector 1 according to the present embodiment, the amplifier circuit 70 inputs the voltage value V 51 output from the holding circuit 51 inputs the voltage value V 52 output from the holding circuit 52, A voltage value (K (V 51 −V 52 )) obtained by multiplying the difference between the two input voltage values by K times (where K> 1) is output to the AD conversion circuit 80. The AD conversion circuit 80 sets the voltage value K times the reference value V ref2 in the comparison circuit 20 as the maximum input voltage value, inputs the voltage value output from the amplifier circuit 70, and inputs the voltage value corresponding to this voltage value. 2 digital values (lower-order M2 bit data D M2-1 to D 0 ) are output. Thereby, noise generated during the AD conversion operation in the AD conversion circuit 80 is suppressed to 1 / K, so that the digital values (data D M1 + M2-1 to D 0 ) output from the light detection device 1 are highly accurate. Can be. Thus, the photodetector 1 according to the present embodiment can output a highly accurate digital value corresponding to the amount of incident light.

しかし、積分回路10における電荷蓄積動作の期間T(時刻t〜t)に亘って積分容量部C10の容量値が一定であるとして以上までに説明した動作では、比較回路20から飽和信号が出力されて電荷注入回路30により積分回路10の積分容量部C10へ電荷が注入される回数が多いほど、アンプの瞬時応答速度が必要となり、アンプの帯域を上げるために消費電力は多くなる。そこで、本実施形態に係る光検出装置1は、積分回路10の積分容量部C10の容量値を可変とするとともに、容量値制御部40により積分回路10の積分容量部C10の容量値を制御することで、電荷注入回路30により積分回路10の積分容量部C10へ電荷が注入される回数を削減して、消費電力を低減する。以下では、本実施形態に係る光検出装置1に含まれる積分回路10および容量値制御部40について更に詳細に説明する。 However, the operation of the capacitance value of the integral capacitance part C 10 over a period T of the charge accumulation operation (time t 1 ~t 7) has been described so far above as being constant in the integration circuit 10, a saturation signal from the comparison circuit 20 Is output and the charge injection circuit 30 injects charges into the integration capacitor unit C 10 of the integration circuit 10, so that the instantaneous response speed of the amplifier is required, and the power consumption increases in order to increase the bandwidth of the amplifier. . Therefore, the light detection apparatus 1 according to this embodiment, the capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 with a variable, the capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 by the capacitance value control section 40 by controlling, by reducing the number of charges to the integrating capacitor unit C 10 of the integrating circuit 10 by the charge injection circuit 30 is injected, to reduce power consumption. Hereinafter, the integration circuit 10 and the capacitance value control unit 40 included in the photodetector 1 according to the present embodiment will be described in more detail.

図4は、本実施形態に係る光検出装置1に含まれる積分回路10の回路図である。積分回路10は、アンプA10、積分容量部C10およびスイッチSW10を有する。アンプA10の非反転入力端子は接地されている。アンプA10の反転入力端子はフォトダイオードPDと接続されている。アンプA10の反転入力端子と出力端子との間に積分容量部C10およびスイッチSW10が並列的に設けられている。 FIG. 4 is a circuit diagram of the integrating circuit 10 included in the photodetector 1 according to the present embodiment. The integration circuit 10 includes an amplifier A 10 , an integration capacitor unit C 10, and a switch SW 10 . Non inverting input terminal of the amplifier A 10 is grounded. Inverting input terminal of the amplifier A 10 is connected to the photodiode PD. Integral capacitance part C 10 and the switch SW 10 between the inverting input terminal and the output terminal of the amplifier A 10 is provided in parallel.

積分回路10の積分容量部C10は、スイッチSW11〜SW13および容量素子C11〜C13を含む。直列的に接続されたスイッチSW11および容量素子C11、直列的に接続されたスイッチSW12および容量素子C12、ならびに、直列的に接続されたスイッチSW13および容量素子C13は、アンプA10の反転入力端子と出力端子との間に並列的に設けられている。容量素子C11〜C13それぞれの容量値は互いに異なる。以下では、容量素子C11の容量値C,容量素子C12の容量値Cおよび容量素子C13の容量値Cの間の大小関係を「C<C<C」とする。 Integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 includes a switch SW 11 to SW 13 and the capacitor C 11 -C 13. The switch SW 11 and the capacitive element C 11 connected in series, the switch SW 12 and the capacitive element C 12 connected in series, and the switch SW 13 and the capacitive element C 13 connected in series are connected to the amplifier A. 10 are provided in parallel between the inverting input terminal and the output terminal. Each capacitance value capacitor element C 11 -C 13 are different from each other. In the following, the capacitance value C 1 of the capacitor C 11, the magnitude relationship between the capacitance value C 3 of the capacitance value C 2 and the capacitor C 13 of the capacitor C 12 and "C 1 <C 2 <C 3 ' .

容量値制御部40は、積分容量部C10に含まれるスイッチSW11〜SW13それぞれの開閉動作を制御することで、積分回路10の積分容量部C10の容量値を設定する。容量値制御部40は、スイッチSW11〜SW13のうちスイッチSW11のみを閉状態とすることで、積分容量部C10の容量値をCに設定する。容量値制御部40は、スイッチSW11〜SW13のうちスイッチSW12のみを閉状態とすることで、積分容量部C10の容量値をCに設定する。また、容量値制御部40は、スイッチSW11〜SW13のうちスイッチSW13のみを閉状態とすることで、積分容量部C10の容量値をCに設定する。 Capacity value control unit 40, by controlling the switch SW 11 to SW 13 of each opening and closing operation included in the integrating capacitor unit C 10, sets the capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10. Capacity value control unit 40, only the switch SW 11 of the switch SW 11 to SW 13 by a closed, sets the capacitance value of the integral capacitance part C 10 to C 1. Capacity value control unit 40, only the switch SW 12 of the switch SW 11 to SW 13 by a closed, sets the capacitance value of the integral capacitance part C 10 to C 2. The capacitance value control unit 40, only the switch SW 13 of the switch SW 11 to SW 13 by a closed, sets the capacitance value of the integral capacitance part C 10 to C 3.

容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作開始時(図3中の時刻t)に、スイッチSW11〜SW13のうちスイッチSW11のみを閉状態とすることで、積分容量部C10の容量値を最小値Cに設定しておく。そして、容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作の途中(図3中の時刻t)で比較回路20から飽和信号が出力されたときに、積分回路10における電荷蓄積動作開始時から比較回路20における飽和信号出力時までの時間(図3中の時刻tから時刻tまでの時間τ12)が短いほど積分容量部C10の容量値を大きい値に設定する。 Capacity value control unit 40, at the start charge accumulation operation of the integrating circuit 10 (time t 1 in FIG. 3), only by closed switch SW 11 of the switch SW 11 to SW 13, the integral capacitance part It is set to the minimum value C 1 and the capacitance value of C 10. The capacitance value control unit 40 starts the charge accumulation operation in the integration circuit 10 when a saturation signal is output from the comparison circuit 20 during the charge accumulation operation in the integration circuit 10 (time t 2 in FIG. 3). set to a large value the capacitance value of the shorter integral capacitance part C 10 (time tau 12 from the time t 1 in FIG. 3 to time t 2) time until the saturation signal output at the comparator circuit 20 from.

図5は、本実施形態に係る光検出装置1に含まれる積分回路10から出力される電圧値V10の時間変化を示す図である。電荷蓄積動作の期間に亘ってフォトダイオードPDに入射される光の強度が一定であってフォトダイオードPDの出力電流値が一定であれば、同図(a)に示されるように、積分回路10から出力される電圧値V10は、電荷蓄積動作開始時のリセットレベルから時間の経過とともに比較回路20における基準値Vref2へ直線的に近づいていく。同図(a)中に示される直線L,Lそれぞれは、積分回路10における電荷蓄積動作の期間Tに亘って積分容量部C10の容量値を最小値Cとした場合の積分回路10の出力電圧値V10の時間的変化を示す。 Figure 5 is a diagram showing the time variation of the voltage value V 10 outputted from the integrating circuit 10 included in the photodetector 1 according to the present embodiment. If the intensity of light incident on the photodiode PD is constant and the output current value of the photodiode PD is constant over the period of the charge accumulation operation, as shown in FIG. voltage V 10 outputted from the gradually linearly approaching from the charge accumulation operation starts when the reset level to the reference value V ref2 in the comparing circuit 20 with time. Each of the straight lines L 2 and L 3 shown in FIG. 6A is an integration circuit when the capacitance value of the integration capacitor unit C 10 is set to the minimum value C 1 over the period T of the charge accumulation operation in the integration circuit 10. It represents the temporal change of the output voltage value V 10 of 10.

直線Lで示される場合のフォトダイオードPDの出力電流値Iは、積分回路10における電荷蓄積動作の期間Tに亘って積分容量部C10の容量値をCとした場合に電荷蓄積動作期間Tの終了時に積分回路10の電圧値V10が飽和出力電圧値Vsatとなる値である。このようなフォトダイオードPDの出力電流値Iの場合、積分容量部C10の容量値を最小値Cとしたときに、積分回路10における電荷蓄積動作開始時から積分回路10の出力電圧値V10が基準値Vref2へ達するまでの時間をτとする。 Output current value I 3 in the photodiode PD of the case shown by the straight line L 3, the charge accumulation capacitance value of the integral capacitance part C 10 over a period T of the charge accumulation operation of the integrating circuit 10 in case of a C 2 voltage value V 10 of the integration circuit 10 at the end of the period T is a value which is a saturation output voltage value V sat. In the case of such an output current value I 3 of the photodiode PD, when the capacitance value of the integration capacitor unit C 10 is set to the minimum value C 1 , the output voltage value of the integration circuit 10 from the start of the charge accumulation operation in the integration circuit 10. Let τ 3 be the time required for V 10 to reach the reference value V ref2 .

直線Lで示される場合のフォトダイオードPDの出力電流値Iは、積分回路10における電荷蓄積動作の期間Tに亘って積分容量部C10の容量値をCとした場合に電荷蓄積動作期間Tの終了時に積分回路10の電圧値V10が飽和出力電圧値Vsatとなる値である。このようなフォトダイオードPDの出力電流値Iの場合、積分容量部C10の容量値を最小値Cとしたときに、積分回路10における電荷蓄積動作開始時から積分回路10の出力電圧値V10が基準値Vref2へ達するまでの時間をτとする。 The output current value I 2 of the photodiode PD in the case indicated by the straight line L 2 is the charge accumulation operation when the capacitance value of the integration capacitor unit C 10 is C 1 over the period T of the charge accumulation operation in the integration circuit 10. voltage value V 10 of the integration circuit 10 at the end of the period T is a value which is a saturation output voltage value V sat. If the output current value I 2 such photodiode PD, when the capacitance value of the integral capacitance part C 10 and minimum value C 1, the output voltage value of the integrating circuit 10 from the time of the charge accumulation operation starts in the integration circuit 10 Let τ 2 be the time until V 10 reaches the reference value V ref2 .

フォトダイオードPDの出力電流値I,Iは下記(1)式で表される。積分回路10における電荷蓄積動作開始時から積分回路10の出力電圧値V10が基準値Vref2へ達するまでの時間τ,τは下記(2)式で表される。ここで、nは2または3である。 The output current values I 2 and I 3 of the photodiode PD are expressed by the following equation (1). Time tau 2 from the start charge accumulation operation of the integrating circuit 10 to the output voltage value V 10 of the integration circuit 10 reaches the reference value V ref2, tau 3 is expressed by the following equation (2). Here, n is 2 or 3.

Figure 0005275911
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Figure 0005275911
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なお、時間τ,τは、上記の式から求められる値でなくてもよく、例えば、外部から任意に設定されてもよい。 Note that the times τ 2 and τ 3 do not have to be values obtained from the above formula, and may be arbitrarily set from the outside, for example.

容量値制御部40は、積分回路10の積分容量部C10の各容量値C,C,C、積分回路10の飽和出力電圧値Vsat、比較回路20に入力される基準値Vref2、および、積分回路10における電荷蓄積動作開始時から保持回路50における電圧値サンプリング動作時までの時間T、に基づいて、上記の時間τ,τを求めておき、積分回路10における電荷蓄積動作開始時から保持回路50における電圧値サンプリング動作時までの期間を、3つの部分期間に区分しておく。 The capacitance value control unit 40 includes capacitance values C 1 , C 2 , and C 3 of the integration capacitor unit C 10 of the integration circuit 10, a saturated output voltage value V sat of the integration circuit 10, and a reference value V input to the comparison circuit 20. Based on ref2 and the time T from the start of the charge accumulation operation in the integrating circuit 10 to the voltage value sampling operation in the holding circuit 50, the above-described times τ 2 and τ 3 are obtained, and the charge in the integrating circuit 10 is obtained. A period from the start of the accumulation operation to the voltage value sampling operation in the holding circuit 50 is divided into three partial periods.

容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作の途中で比較回路20から飽和信号が出力されたときに、比較回路20における飽和信号出力時が3つの部分期間のうちの何れの部分期間に属するかを求め、それに応じて積分容量部C10の容量値を変更して設定する。具体的には以下のとおりである。 When the saturation signal is output from the comparison circuit 20 during the charge accumulation operation in the integration circuit 10, the capacitance value control unit 40 outputs any of the three partial periods when the saturation signal is output from the comparison circuit 20. sought belongs to, by changing the capacitance value of the integral capacitance part C 10 sets accordingly. Specifically, it is as follows.

図5(b)に示されるように、容量値制御部40は、比較回路20からの飽和信号出力時が時間0から時間τまでの部分期間に属する場合には、積分容量部C10の容量値をCからCへ変更して設定する。図5(c)に示されるように、容量値制御部40は、比較回路20からの飽和信号出力時が時間τから時間τまでの部分期間に属する場合には、積分容量部C10の容量値をCからCへ変更して設定する。また、図5(d)に示されるように、容量値制御部40は、比較回路20からの飽和信号出力時が時間τ以降の部分期間に属する場合には、積分容量部C10の容量値をCのままとする。 As shown in FIG. 5B, when the saturation signal output time from the comparison circuit 20 belongs to the partial period from time 0 to time τ 3 , the capacitance value control unit 40 includes the integration capacitance unit C 10 . Change the capacitance value from C 1 to C 3 and set it. As shown in FIG. 5C, the capacitance value control unit 40, when the output of the saturation signal from the comparison circuit 20 belongs to a partial period from time τ 3 to time τ 2 , the integration capacitance unit C 10 Is changed from C 1 to C 2 . Further, as shown in FIG. 5 (d), the capacitance value control unit 40, if it belongs to the sub-period at saturation signal output time tau 2 later from the comparison circuit 20, the capacitance of the integrating capacitor unit C 10 a value remains C 1.

このように、容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作の途中で積分容量部C10の容量値を当初の最小値Cから大きい値に変更して設定することにより、電荷注入回路30により積分回路10の積分容量部C10へ電荷が注入される回数を削減することができ、アンプの高速応答性を必要としないため、アンプの帯域を下げることができ、消費電力を低減することができる。 Thus, the capacitance value control unit 40, by setting by changing the capacitance value of the middle integral capacitance part C 10 of the charge storage operation in the integrating circuit 10 to a large value from the initial minimum value C 1, the charge injection it is possible to reduce the number of times charge the integrating capacitor unit C 10 of the integrating circuit 10 is injected by the circuit 30, since it does not require a fast response of the amplifier, it is possible to reduce the bandwidth of the amplifier, reducing power consumption can do.

なお、容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作の途中で積分容量部C10の容量値を当初の最小値CからCへ変更した場合または当初の最小値Cのままとした場合、その後に比較回路20から飽和信号が出力されたときに、積分容量部C10の容量値を更に大きい値に変更して設定してもよい。 The capacity value control unit 40, while the minimum value C 1 of the capacitor value from the initial minimum value C 1 if you change or the original to C 2 in the middle of the integral capacitance part C 10 of the charge storage operation in the integrating circuit 10 If set to, when the output is then the saturation signal from the comparator circuit 20 may be set by changing the capacitance value of the integral capacitance part C 10 to further large value.

また、積分容量部C10の容量値をC,Cへ変更した場合または当初のCのままとした場合、その後に比較回路20から飽和信号が出力されたときに、容量値制御部40により積分容量部C10の容量値を大きい値に変更することなく、積分容量部C10に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を電荷注入回路30により積分容量部C10へ注入し、積分回路10から出力された電圧値V10が基準値Vref2に達した回数(すなわち、比較回路20から飽和信号が出力された回数)を計数回路60により計数してもよい。 Further, when the capacitance value of the integration capacitor C 10 is changed to C 2 , C 3 or is kept at the original C 1 , when the saturation signal is output from the comparison circuit 20 thereafter, the capacitor value controller without changing the capacitance value of the integral capacitance part C 10 to a large value by 40, injecting a quantity of charges of opposite polarity to be accumulated in the integrating capacitor unit C 10 to integrating capacitor unit C 10 by the charge injection circuit 30 and, the number of times that the voltage value V 10 output from the integration circuit 10 reaches the reference value V ref2 (i.e., the number of times the saturation signal is output from the comparator circuit 20) may be counted by a counter circuit 60 a.

以上までに説明した構成では、2個の保持回路51および保持回路52が設けられて、保持回路51および保持回路52それぞれから出力された電圧値の差をK倍にした電圧値が増幅回路70から出力される。これにより、増幅回路70から出力される電圧値は、積分回路20で生じるノイズ成分が除去された後の値を表すものとなる。このようなノイズ成分除去の必要がない場合には、保持回路52は設けられなくてもよい。   In the configuration described above, the two holding circuits 51 and 52 are provided, and the voltage value obtained by multiplying the difference between the voltage values output from the holding circuit 51 and the holding circuit 52 by K times is the amplification circuit 70. Is output from. Thus, the voltage value output from the amplifier circuit 70 represents a value after the noise component generated in the integrating circuit 20 is removed. If such noise component removal is not necessary, the holding circuit 52 may not be provided.

また、図6に示されるように、保持回路50として4個の保持回路51,52,51,52が設けられてもよい。図6は、他の実施形態に係る光検出装置1Aの詳細構成を示す図である。図6中の4個の保持回路51,52,51,52それぞれは、既に説明した図2中の保持回路51,52の各構成と同様の構成を有する。 Further, as shown in FIG. 6, four holding circuits 51 1 as the holding circuit 50, 52 1, 51 2, 52 2 may be provided. FIG. 6 is a diagram showing a detailed configuration of a photodetecting device 1A according to another embodiment. Four holding circuits 51 1 in FIG. 6, 52 1, 51 2, 52 2, respectively, have already the configuration similar to the holding circuits 51 and 52 in FIG. 2 described.

保持回路51,51それぞれは、図2中の保持回路51と同様に、積分回路20から出力される電圧値(信号成分およびノイズ成分を含む)を保持し出力する。保持回路52,52それぞれは、図2中の保持回路52と同様に、積分回路20から出力される電圧値(ノイズ成分のみを含む)を保持し出力する。第1の組の保持回路51,52と第2の組の保持回路51,52とは、同様の動作をするものの、動作タイミングが相違する。 Each of the holding circuits 51 1 and 51 2 holds and outputs a voltage value (including a signal component and a noise component) output from the integrating circuit 20, similarly to the holding circuit 51 in FIG. Each of the holding circuits 52 1 and 52 2 holds and outputs a voltage value (including only a noise component) output from the integrating circuit 20, similarly to the holding circuit 52 in FIG. 1 the first set of holding circuit 51, 52 1 and the holding circuit 51 2 of the second set, 52 2, although the same operation, the operation timing are different.

すなわち、光検出装置1Aでは、連続する複数の期間それぞれにおいて、容量値制御部40による積分回路10の積分容量部C10の容量値の制御とともに、積分回路10,比較回路20,電荷注入回路30および計数回路60によるAD変換動作が行われて、計数回路60から計数値(第1のデジタル値)が出力されるとする。この連続する複数の期間のうち或る第1期間では、第1の組の保持回路51,52による電圧値のサンプリング動作が行われる一方で、第2の組の保持回路51,52により保持されている電圧値が増幅回路70により増幅されAD変換回路80によりAD変換されて第2のデジタル値が出力される。この第1期間に続く第2期間では、第2の組の保持回路51,52による電圧値のサンプリング動作が行われる一方で、第1の組の保持回路51,52により保持されている電圧値が増幅回路70により増幅されAD変換回路80によりAD変換されて第2のデジタル値が出力される。 That is, in the photodetector 1A, in each of a plurality of consecutive periods, with the control of the capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 according to the capacitance value control unit 40, the integrating circuit 10, comparator circuit 20, a charge injection circuit 30 Further, it is assumed that the AD conversion operation by the counting circuit 60 is performed and the counting value (first digital value) is output from the counting circuit 60. In a certain first period among the plurality of consecutive periods, the voltage value sampling operation is performed by the first set of holding circuits 51 1 and 52 1 , while the second set of holding circuits 51 2 and 52 is performed. 2 is amplified by the amplifier circuit 70 and AD-converted by the AD converter circuit 80 to output a second digital value. In the first period to the subsequent second period, while the sampling operation of the second set of holding circuit 51 2, 52 2 voltage value due takes place, held by the holding circuit 51 1, 52 1 of the first set The amplified voltage value is amplified by the amplifier circuit 70 and AD-converted by the AD conversion circuit 80 to output a second digital value.

このように、光検出装置1Aでは、積分回路10から出力された電圧値が第1の組の保持回路51,52と第2の組の保持回路51,52とに交互にサンプリングされ保持されて、積分回路10,比較回路20,電荷注入回路30,容量値制御部40および計数回路60による処理と、増幅回路70およびAD変換回路80による処理とが、並列的に行われる。したがって、この光検出装置1Aは、前述の光検出装置1と同様の効果を奏することに加えて、光検出または撮像を高速に行うことができる。 In this manner, in the photodetector 1A, integrated circuit voltage value output from 10 is 1 the first set of holding circuit 51, 52 1 and the second set of holding circuit 51 2, 52 2 and the sampling alternately Then, the processing by the integration circuit 10, the comparison circuit 20, the charge injection circuit 30, the capacitance value control unit 40 and the counting circuit 60 and the processing by the amplification circuit 70 and the AD conversion circuit 80 are performed in parallel. Accordingly, the photodetecting device 1A can perform photodetection or imaging at high speed in addition to the same effects as the photodetecting device 1 described above.

なお、光検出装置1Aにおいても、積分回路20で生じるノイズ成分の除去の必要がない場合には、保持回路52,52は設けられなくてもよい。 Incidentally, in the optical detection device 1A, when there is no need for removal of the noise component generated in the integration circuit 20, the holding circuit 52 1, 52 2 may not be provided.

以上までに説明した本実施形態に係る光検出装置1,1Aは、積分回路10の積分容量部C10の容量値を可変とするとともに、容量値制御部40により積分容量部C10の容量値を制御することとして、積分回路10における電荷蓄積動作開始時に積分容量部C10の容量値を最小値に設定しておき、積分回路10における電荷蓄積動作の途中で比較回路20から飽和信号が出力されたときに、積分回路10における電荷蓄積動作開始時から比較回路における飽和信号出力時までの時間が短いほど積分容量部C10の容量値を大きい値に設定する。これにより、電荷注入回路30により積分回路10の積分容量部C10へ電荷が注入される回数を削減することができ、消費電力を低減することができる。 Photodetector 1,1A according to the present embodiment described so far above is the capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 with a variable, the capacitance value of the integral capacitance part C 10 by the capacitance value control section 40 as to control, keep the capacitance value of the integral capacitance part C 10 during the charge accumulation operation starts in the integrating circuit 10 is set to the minimum value, a saturation signal from the comparator circuit 20 during the charge accumulation operation of the integrating circuit 10 is output when it is, set to a large value the capacitance value of about integral capacitance part C 10 is short time until the saturation signal output at the comparator circuit from the time of the charge accumulation operation starts in the integration circuit 10. This makes it possible to charge the integrating capacitor unit C 10 of the integrating circuit 10 by the charge injection circuit 30 can reduce the number of times to be injected, to reduce power consumption.

また、本実施形態に係る光検出装置1,1Aでは、増幅回路70は、保持回路51から出力された電圧値V51を入力するとともに、保持回路52から出力された電圧値V52を入力して、これらの入力した2つの電圧値の差をK倍にした電圧値(K(V51−V52))をAD変換回路80へ出力する。そして、AD変換回路80は、比較回路20における基準値Vref2のK倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路70から出力された電圧値を入力して、この電圧値に対応する第2のデジタル値(下位M2ビットのデータDM2−1〜D)を出力する。これにより、AD変換回路80におけるAD変換動作の際に生じるノイズがK分の1に抑制されるので、光検出装置1,1Aから出力されるデジタル値(データDM1+M2−1〜D)は高精度のものとなり得る。このように、本実施形態に係る光検出装置1,1Aは、入射光量に応じた高精度のデジタル値を出力することができる。 In the optical detecting device 1,1A according to the present embodiment, the amplifier circuit 70 inputs the voltage value V 51 output from the holding circuit 51 inputs the voltage value V 52 output from the holding circuit 52 Then, a voltage value (K (V 51 −V 52 )) obtained by multiplying the difference between these two input voltage values by K is output to the AD conversion circuit 80. The AD conversion circuit 80 sets the voltage value K times the reference value V ref2 in the comparison circuit 20 as the maximum input voltage value, inputs the voltage value output from the amplifier circuit 70, and inputs the voltage value corresponding to this voltage value. 2 digital values (lower-order M2 bit data D M2-1 to D 0 ) are output. As a result, noise generated during the AD conversion operation in the AD conversion circuit 80 is suppressed to 1 / K, so the digital values (data D M1 + M2-1 to D 0 ) output from the photodetecting devices 1 and 1A are It can be highly accurate. As described above, the photodetectors 1 and 1A according to the present embodiment can output a highly accurate digital value according to the amount of incident light.

また、本実施形態に係る光検出装置1,1Aは、消費電力の低減にも拘わらず、積分回路10のリセットに要する時間の短縮を図ることができる。本実施形態に係る光検出装置1,1Aは、電荷注入回路30により積分回路10の積分容量部C10へ電荷が注入される回数を削減することができることから、たとえ積分回路10の消費電力を大幅に落としたとしても、積分回路10の出力電圧値に誤差が生じにくい。 In addition, the photodetectors 1 and 1A according to the present embodiment can reduce the time required for resetting the integration circuit 10 despite the reduction in power consumption. Photodetector 1,1A according to the present embodiment, since it is possible to reduce the number of times charge the integrating capacitor unit C 10 of the integrating circuit 10 is injected by the charge injection circuit 30, even if the power consumption of the integrating circuit 10 Even if it drops significantly, it is difficult for an error to occur in the output voltage value of the integrating circuit 10.

また、本実施形態に係る光検出装置1,1Aは、積分回路10における電荷蓄積動作の時間を撮像対象に応じて変化させたい場合に、時間τ,τの値を外部から任意に設定し得るようにすれば、フレキシブルな対応が可能である。 In addition, the photodetecting devices 1 and 1A according to the present embodiment arbitrarily set the values of the time τ 2 and τ 3 from the outside when it is desired to change the time of the charge accumulation operation in the integration circuit 10 according to the imaging target. If possible, a flexible response is possible.

以上までに説明した構成では、複数の読出し部4〜4が設けられる場合に、各読出し部4に含まれる積分回路10の積分容量部C10の容量値は、他の読出し部に含まれる積分回路10の積分容量部C10の容量値とは無関係に設定される。したがって、増幅回路70の増幅率が一定のままであるとすれば、光検出装置1から出力される値は、各読出し部4における保持回路50による電圧値サンプリング動作時の積分回路10の積分容量部C10の容量値Cfinalによって、入射光量に対して異なるゲインを有する値になる。このような事態が問題となるような用途の場合には、図7または図8に示されるような構成とするのが好適である。 In the configuration described above, when a plurality of reading units 4 1 to 4 N are provided, the capacitance value of the integrating capacitor unit C 10 of the integrating circuit 10 included in each reading unit 4 n is set to other reading units. the capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 included is set independently of the. Therefore, if the amplification factor of the amplifier circuit 70 remains constant, the value output from the light detection device 1 is the integration of the integration circuit 10 during the voltage value sampling operation by the holding circuit 50 in each reading unit 4 n . The capacitance value C final of the capacitance unit C 10 has a value having a different gain with respect to the incident light amount. In the case of an application in which such a situation becomes a problem, a configuration as shown in FIG. 7 or FIG. 8 is preferable.

図7は、他の実施形態に係る光検出装置1Bの詳細構成を示す図である。この図では、積分回路10、保持回路50としての2個の保持回路51,52、増幅回路70およびAD変換回路80が示されている。他の構成要素については、図1および図2に示されたものと同様である。また、増幅回路70については詳細な回路構成が示されている。   FIG. 7 is a diagram illustrating a detailed configuration of a photodetecting device 1B according to another embodiment. In this figure, an integrating circuit 10, two holding circuits 51 and 52 as a holding circuit 50, an amplifier circuit 70, and an AD conversion circuit 80 are shown. Other components are the same as those shown in FIGS. 1 and 2. A detailed circuit configuration of the amplifier circuit 70 is shown.

増幅回路70は、2入力2出力のフルディファレンシャルのアンプA70,容量素子C71,容量素子C72,スイッチSW71およびスイッチSW72を含む。アンプA70の反転入力端子は、保持回路51の出力端子に接続されている。アンプA70の反転入力端子と非反転出力端子との間に互いに並列的に接続された容量素子C71およびスイッチSW71が設けられている。アンプA70の非反転入力端子は、保持回路52の出力端子に接続されている。アンプA70の非反転入力端子と反転出力端子との間に互いに並列的に接続された容量素子C72およびスイッチSW72が設けられている。AD変換回路80は、増幅回路70のアンプA70の非反転入力端子および反転入力端子それぞれから出力される電圧値の差に対応するデジタル値を出力する。 The amplifier circuit 70 includes a full differential amplifier A 70 with two inputs and two outputs, a capacitive element C 71 , a capacitive element C 72 , a switch SW 71 and a switch SW 72 . The inverting input terminal of the amplifier A 70 is connected to the output terminal of the holding circuit 51. A capacitive element C 71 and a switch SW 71 connected in parallel with each other are provided between the inverting input terminal and the non-inverting output terminal of the amplifier A 70 . The non-inverting input terminal of the amplifier A 70 is connected to the output terminal of the holding circuit 52. A capacitive element C 72 and a switch SW 72 connected in parallel to each other are provided between the non-inverting input terminal and the inverting output terminal of the amplifier A 70 . The AD conversion circuit 80 outputs a digital value corresponding to the difference between the voltage values output from the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the amplifier A 70 of the amplifier circuit 70.

容量素子C71および容量素子C72それぞれの容量値は互いに等しい。スイッチSW71およびスイッチSW72は互いに同時に開閉する。増幅回路70は、スイッチSW71およびスイッチSW72が閉じているときに、容量素子C71および容量素子C72それぞれが放電されて、出力される差動電圧値が初期化される。増幅回路70は、スイッチSW71およびスイッチSW72が開いているときに、入力された差動電圧値に応じた差動電圧値を出力する。 The capacitance values of the capacitive element C 71 and the capacitive element C 72 are equal to each other. The switch SW 71 and the switch SW 72 open and close at the same time. In the amplifier circuit 70, when the switch SW 71 and the switch SW 72 are closed, each of the capacitive element C 71 and the capacitive element C 72 is discharged, and the output differential voltage value is initialized. The amplifier circuit 70 outputs a differential voltage value corresponding to the input differential voltage value when the switch SW 71 and the switch SW 72 are open.

保持回路51,52それぞれに含まれる容量素子C50の容量値をCとし、増幅回路70に含まれる容量素子C71および容量素子C72それぞれの容量値をCとする。容量値Cは可変である。容量値Cと容量値Cとが互いに等しければ、保持回路50における電圧値サンプリング動作時の積分回路10の出力電圧値は、ゲイン1倍のまま増幅回路70から出力される。容量値Cを可変とすることでゲインを可変することができる。 The capacitance value of the capacitive element C 50 included in each of the holding circuits 51 and 52 is C H, and the capacitance value of each of the capacitive element C 71 and the capacitive element C 72 included in the amplifier circuit 70 is C A. The capacitance value C A is variable. If the capacitance value C H and the capacitance value C A are equal to each other, the output voltage value of the integration circuit 10 at the time of the voltage value sampling operation in the holding circuit 50 is output from the amplifier circuit 70 with a gain of 1. The gain can be varied by making the capacitance value C A variable.

そこで、容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作の途中で比較回路20から飽和信号が出力されたときに、積分容量部C10の容量値の可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として積分容量部C10の容量値を設定する。この所定容量値Csetは、積分容量部C10の容量値の可変範囲の上限値であってもよい。そして、増幅回路70は、保持回路50における電圧値サンプリング動作時の積分容量部C10の容量値Cfinalと所定容量値Csetとの比(Cfinal/Cset)の定数倍の値を増幅率として入力電圧値を増幅して出力する。すなわち、増幅回路70に含まれる容量素子C71および容量素子C72それぞれの容量値Cを、比(Cset/Cfinal)の定数倍の値(例えば(Cset/Cfinal)C)とする。 Therefore, when the saturation signal is output from the comparison circuit 20 during the charge accumulation operation in the integration circuit 10, the capacitance value control unit 40 sets the predetermined capacitance value C set in the variable range of the capacitance value of the integration capacitance unit C 10. setting the capacitance value of the integral capacitance part C 10 as the upper limit. The predetermined capacitance value C The set may be the upper limit of the variable range of the capacitance value of the integral capacitance part C 10. Then, the amplifier circuit 70 amplifies a value that is a constant multiple of the ratio (C final / C set ) of the capacitance value C final and the predetermined capacitance value C set of the integration capacitor C 10 during the voltage value sampling operation in the holding circuit 50. The input voltage value is amplified and output as a rate. That is, the capacitance value C A of each of the capacitive element C 71 and the capacitive element C 72 included in the amplifier circuit 70 is a value that is a constant multiple of the ratio (C set / C final ) (for example, (C set / C final ) C H ). And

このようにして増幅回路70から出力される電圧値がAD変換回路80に入力されることにより、AD変換回路80から出力されるデジタル値は入射光量に対して一定のゲインを有する値になる。また、保持回路50からAD変換回路80までの間に発生する伝達ノイズが抑制される。   In this way, when the voltage value output from the amplifier circuit 70 is input to the AD conversion circuit 80, the digital value output from the AD conversion circuit 80 becomes a value having a constant gain with respect to the amount of incident light. Further, transmission noise generated between the holding circuit 50 and the AD conversion circuit 80 is suppressed.

なお、本実施形態に係る光検出装置1Bは制御部を更に備えているのが好適である。この制御部は、積分回路10におけるスイッチSW10の開閉動作、計数回路60における計数動作、保持回路51,52におけるスイッチSW51〜SW54の開閉動作、および、AD変換回路80におけるAD変換動作、容量値制御部40の動作、を所定のタイミングで制御する。 In addition, it is preferable that the photodetector 1B according to the present embodiment further includes a control unit. The control unit, opening and closing operations of the switches SW 10 in the integrating circuit 10, the counting operation of the counter circuit 60, opening and closing operations of the switches SW 51 to SW 54 in the holding circuits 51 and 52, and, AD conversion operation in the AD converter circuit 80, The operation of the capacitance value control unit 40 is controlled at a predetermined timing.

図8は、更に他の実施形態に係る光検出装置1Cの詳細構成を示す図である。この図では、積分回路10、保持回路50としての2個の保持回路51,52、増幅回路70、AD変換回路80およびデジタル値処理部100が示されている。他の構成要素については、図1および図2に示されたものと同様である。また、増幅回路70については詳細な回路構成が示されている。増幅回路70は、図7で説明した構成と略同様の構成を有するが、容量素子C71および容量素子C72それぞれの容量値Cが一定であってよい。 FIG. 8 is a diagram showing a detailed configuration of a photodetecting device 1C according to still another embodiment. In this figure, an integration circuit 10, two holding circuits 51 and 52 as a holding circuit 50, an amplification circuit 70, an AD conversion circuit 80, and a digital value processing unit 100 are shown. Other components are the same as those shown in FIGS. 1 and 2. A detailed circuit configuration of the amplifier circuit 70 is shown. The amplifier circuit 70 has a configuration substantially similar to the configuration described in FIG. 7, but the capacitance values C A of the capacitive element C 71 and the capacitive element C 72 may be constant.

容量値制御部40は、積分回路10における電荷蓄積動作の途中で比較回路20から飽和信号が出力されたときに、積分容量部C10の容量値の可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として積分容量部C10の容量値を設定する。この所定容量値Csetは、積分容量部C10の容量値の可変範囲の上限値であってもよい。そして、AD変換回路80の後段に設けられたデジタル値処理部100は、AD変換回路80から出力されたデジタル値を入力し、保持回路50における電圧値サンプリング動作時の積分容量部C10の容量値Cfinalと所定容量値Csetとの比(Cfinal/Cset)の定数倍の値を入力デジタル値に乗じて、その乗算により得られたデジタル値を出力する。 When the saturation signal is output from the comparison circuit 20 during the charge accumulation operation in the integration circuit 10, the capacitance value control unit 40 limits the predetermined capacitance value C set within the variable range of the capacitance value of the integration capacitance unit C 10. to set the capacitance value of the integral capacitance part C 10 as. The predetermined capacitance value C The set may be the upper limit of the variable range of the capacitance value of the integral capacitance part C 10. Then, the digital value processor 100 provided on the subsequent stage of the AD conversion circuit 80 receives the digital value output from the AD conversion circuit 80, the capacitance of the voltage value sampling operation when the integral capacitance part C 10 of the holding circuit 50 The input digital value is multiplied by a constant multiple of the ratio (C final / C set ) of the value C final to the predetermined capacitance value C set, and a digital value obtained by the multiplication is output.

積分容量部C10において設定可能な容量値のうち任意の2つの容量値の比が2の冪乗の数である場合には、デジタル値処理部100は、入力デジタル値に対して必要ビット数だけビットシフト操作するだけで出力デジタル値を生成することができる。例えば、積分容量部C10において設定可能な容量値C,C,Cの間に「2=2=C」なる関係があるとし、所定容量値CsetをCとし、また、デジタル値処理部100への入力デジタル値を8ビットの[D7 D6 D5 D4 D3D2 D1 D0]として、デジタル値処理部100からの出力デジタル値を12ビットとする。 If the ratio of any two capacitance value among settable capacitance value in the integrating capacitor unit C 10 is the number of powers of 2 squared, the digital value processing unit 100, the required number of bits for the input digital value An output digital value can be generated with only a bit shift operation. For example, it is assumed that there is a relationship of “2 4 C 1 = 2 2 C 2 = C 3 ” between the capacitance values C 1 , C 2 , C 3 that can be set in the integration capacitor C 10 , and the predetermined capacitance value C set is set to C 3, and the input digital value to the digital value processing unit 100 is 8 bits [D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 ], and the output digital value from the digital value processing unit 100 Is 12 bits.

このとき、デジタル値処理部100は以下のような処理をする。図9は、デジタル値処理部100の処理内容を説明する図である。同図(a)は、保持回路50における電圧値サンプリング動作時の積分容量部C10の容量値CfinalがCである場合を示し、同図(b)は、該容量値CfinalがCである場合を示し、また、同図(c)は、該容量値CfinalがCである場合を示す。また、同図(a)〜(c)それぞれにおいて、左側に8ビットの入力デジタル値を示し、右側に12ビットの出力デジタル値を示す。 At this time, the digital value processing unit 100 performs the following processing. FIG. 9 is a diagram for explaining the processing contents of the digital value processing unit 100. FIG (a), the capacitance value C final of the integral capacitance part C 10 when a voltage value sampling operation in the holding circuit 50 represents the case where C 1, FIG. (B), the capacitive value C final is C It shows the case where 2, also FIG. (c) shows a case capacitive value C final is C 3. Further, in each of FIGS. 9A to 9C, an 8-bit input digital value is shown on the left side and a 12-bit output digital value is shown on the right side.

保持回路50における電圧値サンプリング動作時の積分容量部C10の容量値CfinalがCである場合には、同図(a)に示されるように、12ビットの出力デジタル値は、入力デジタル値をビットシフトすることなく、上位4ビットに0を挿入して、[0 0 00 D7 D6D5 D4 D3 D2 D1 D0]として出力される。保持回路50における電圧値サンプリング動作時の積分容量部C10の容量値CfinalがCである場合には、同図(b)に示されるように、12ビットの出力デジタル値は、入力デジタル値を2ビットだけ上位方向へシフトし、上位2ビットおよび下位2ビットに0を挿入して、[0 0 D7 D6D5 D4 D3 D2 D1 D00 0]として出力される。また、保持回路50における電圧値サンプリング動作時の積分容量部C10の容量値CfinalがCである場合には、同図(c)に示されるように、12ビットの出力デジタル値は、入力デジタル値を4ビットだけ上位方向へシフトし、下位4ビットに0を挿入して、[D7 D6D5 D4 D3 D2 D1 D00 0 0 0]として出力される。 When the capacitance value C final of the integration capacitor unit C 10 at the time of the voltage value sampling operation in the holding circuit 50 is C 1 , as shown in FIG. without bit shift values, by inserting 0 in the upper four bits is output as [0 0 00 D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0]. When the capacitance value C final voltage value integral capacitance part C 10 of the sampling phase in the holding circuit 50 is C 2, as shown in FIG. (B), the output digital value of 12 bits, the input digital The value is shifted upward by 2 bits, 0 is inserted into the upper 2 bits and lower 2 bits, and output as [0 0 D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 0 0] The In addition, when the capacitance value C final of the integration capacitor unit C 10 at the time of the voltage value sampling operation in the holding circuit 50 is C 3 , as shown in FIG. shifting the input digital value to the 4 bits only upper direction, by inserting 0 in the lower 4 bits are output as [D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 0 0 0 0].

このようにしてデジタル値処理部100においてデジタル値が処理されることにより、デジタル値処理部100から出力されるデジタル値は入射光量に対して一定のゲインを有する値になる。また、保持回路50からAD変換回路80までの間に発生する伝達ノイズが抑制される。さらに、AD変換により得られるデジタル値の実質的なビット数が多くなる。   By processing the digital value in the digital value processing unit 100 in this way, the digital value output from the digital value processing unit 100 becomes a value having a constant gain with respect to the incident light amount. Further, transmission noise generated between the holding circuit 50 and the AD conversion circuit 80 is suppressed. Furthermore, the substantial number of bits of the digital value obtained by AD conversion increases.

なお、本実施形態に係る光検出装置1Cは制御部を更に備えているのが好適である。この制御部は、積分回路10におけるスイッチSW10の開閉動作、計数回路60における計数動作、保持回路51,52におけるスイッチSW51〜SW54の開閉動作、および、AD変換回路80におけるAD変換動作、容量値制御部40の動作、デジタル値処理部100の動作、を所定のタイミングで制御する。 Note that it is preferable that the photodetecting device 1C according to the present embodiment further includes a control unit. The control unit, opening and closing operations of the switches SW 10 in the integrating circuit 10, the counting operation of the counter circuit 60, opening and closing operations of the switches SW 51 to SW 54 in the holding circuits 51 and 52, and, AD conversion operation in the AD converter circuit 80, The operation of the capacitance value control unit 40 and the operation of the digital value processing unit 100 are controlled at a predetermined timing.

1,1A,1B,1C…光検出装置、2…フォトダイオードアレイ、3…信号処理装置、4〜4…読出し部、10…積分回路、20…比較回路、30…電荷注入回路、40…容量値制御部、50〜52…保持回路、60…計数回路、70…増幅回路、80…AD変換回路、90…基準値生成回路、100…デジタル値処理部。
1, 1A, 1B, 1C ... photodetector, 2 ... photodiode array, 3 ... signal processing device, 4 1 to 4 N ... reading unit, 10 ... integrating circuit 20 ... comparison circuit, 30 ... charge injection circuit, 40 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Capacity value control part, 50-52 ... Holding circuit, 60 ... Count circuit, 70 ... Amplifier circuit, 80 ... AD converter circuit, 90 ... Reference value generation circuit, 100 ... Digital value processing part.

Claims (13)

フォトダイオードへの入射光量に応じて該フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する信号処理装置であって、
容量値が可変に設定され前記フォトダイオードから出力された電荷を蓄積する積分容量部を有し、この積分容量部に蓄積した電荷の量および容量値に応じた電圧値を出力する積分回路と、
前記積分回路から出力された電圧値を入力し、この電圧値と所定の基準値とを大小比較して、前記電圧値が前記基準値に達したときに、その旨を示す飽和信号を出力する比較回路と、
前記積分回路における電荷蓄積動作開始時から一定時間が経過した後に前記積分回路から出力された電圧値をサンプリングして保持し出力する保持回路と、
前記積分回路における電荷蓄積動作開始時に前記積分容量部の容量値を最小値に設定しておき、前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記比較回路から飽和信号が出力されたときに、前記積分回路における電荷蓄積動作開始時から前記比較回路における飽和信号出力時までの時間が短いほど前記積分容量部の容量値を大きい値に設定する容量値制御部と、
前記比較回路から出力された飽和信号に基づいて、前記容量値制御部が前記積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、前記積分回路の前記積分容量部に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を前記積分容量部に注入する電荷注入回路と、
前記比較回路から出力された飽和信号に基づいて、前記容量値制御部が前記積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、前記積分回路から出力された電圧値が前記基準値に達した回数を計数する計数回路と、
を備えることを特徴とする信号処理装置。
A signal processing device that outputs an electrical signal having a value corresponding to the amount of charge generated in the photodiode according to the amount of light incident on the photodiode,
An integration circuit that has an integration capacitance unit that variably sets a capacitance value and accumulates charges output from the photodiode, and outputs an amount of charge accumulated in the integration capacitance unit and a voltage value corresponding to the capacitance value;
The voltage value output from the integration circuit is input, the voltage value is compared with a predetermined reference value, and when the voltage value reaches the reference value, a saturation signal indicating that fact is output. A comparison circuit;
A holding circuit that samples and holds and outputs the voltage value output from the integrating circuit after a predetermined time has elapsed from the start of charge accumulation operation in the integrating circuit;
When the charge accumulation operation in the integration circuit is started, the capacitance value of the integration capacitor unit is set to a minimum value, and when the saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the integration circuit, the integration circuit A capacitance value control unit that sets the capacitance value of the integral capacitance unit to a larger value as the time from the start of charge accumulation operation in the circuit to the time of saturation signal output in the comparison circuit is shorter;
Except when the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the integration capacitor unit based on the saturation signal output from the comparison circuit, the charge accumulated in the integration capacitor unit of the integration circuit And a charge injection circuit for injecting a certain amount of charge of opposite polarity into the integration capacitor unit,
Based on the saturation signal output from the comparison circuit, the voltage value output from the integration circuit is the reference value except when the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the integration capacitance unit. A counting circuit for counting the number of times reached,
A signal processing apparatus comprising:
前記容量値制御部が、前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記比較回路から飽和信号が出力されたときに、前記比較回路における飽和信号出力時が前記積分回路における電荷蓄積動作開始時から前記保持回路における電圧値サンプリング動作時までの期間のうちの何れの部分期間に属するかに応じて前記積分容量部の容量値を変更して設定することを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。   When the saturation value is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the integration circuit, the capacitance value control unit outputs the saturation signal in the comparison circuit from the start of the charge accumulation operation in the integration circuit. 2. The signal processing according to claim 1, wherein the capacitance value of the integration capacitor unit is changed and set in accordance with which partial period of the period until the voltage value sampling operation in the holding circuit belongs. apparatus. 前記容量値制御部が、
前記積分容量部の各容量値、前記積分回路の飽和出力電圧値、前記比較回路に入力される基準値、および、前記積分回路における電荷蓄積動作開始時から前記保持回路における電圧値サンプリング動作時までの時間、に基づいて、前記積分回路における電荷蓄積動作開始時から前記保持回路における電圧値サンプリング動作時までの期間を複数の部分期間に区分し、
前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記比較回路から飽和信号が出力されたときに、前記比較回路における飽和信号出力時が前記複数の部分期間のうちの何れの部分期間に属するかに応じて前記積分容量部の容量値を変更して設定する、
ことを特徴とする請求項2に記載の信号処理装置。
The capacitance value control unit is
Each capacitance value of the integration capacitor unit, the saturation output voltage value of the integration circuit, the reference value input to the comparison circuit, and from the start of charge accumulation operation in the integration circuit to the time of voltage value sampling operation in the holding circuit Based on the time, the period from the start of charge accumulation operation in the integration circuit until the voltage value sampling operation in the holding circuit is divided into a plurality of partial periods,
When a saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the integration circuit, depending on which partial period of the plurality of partial periods the saturation signal output time in the comparison circuit belongs to Changing and setting the capacitance value of the integral capacitance section,
The signal processing apparatus according to claim 2.
前記容量値制御部が、前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記積分容量部の容量値を変更して設定した後に前記比較回路から飽和信号が更に出力されたときに、前記積分容量部の容量値を更に大きい値に変更して設定する、ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の信号処理装置。   When the saturation value is further output from the comparison circuit after the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the integration capacitance unit during the charge accumulation operation in the integration circuit, The signal processing apparatus according to claim 1, wherein the capacitance value is changed and set to a larger value. 前記保持回路により保持されて出力された電圧値を入力し、この入力電圧値をK倍(ただし、K>1)に増幅して出力する増幅回路と、
前記比較回路における前記基準値のK倍の電圧値を最大入力電圧値とし、前記増幅回路から出力された電圧値に応じたデジタル値を出力するAD変換回路と、
を更に備えることを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の信号処理装置。
An amplifier circuit that inputs a voltage value held and output by the holding circuit, amplifies the input voltage value K times (where K> 1), and outputs the amplified voltage value;
An AD converter circuit that sets a voltage value K times the reference value in the comparison circuit as a maximum input voltage value and outputs a digital value corresponding to the voltage value output from the amplifier circuit;
The signal processing apparatus according to any one of claim 1 to 4, further comprising a.
前記AD変換回路における前記最大入力電圧値を設定する為の基準値を入力して、この基準値のK分の1の電圧値を前記基準値として前記比較回路に与える基準値生成回路を更に備えることを特徴とする請求項に記載の信号処理装置。 A reference value generation circuit is further provided that inputs a reference value for setting the maximum input voltage value in the AD conversion circuit and supplies the voltage value of 1 / K of the reference value as the reference value to the comparison circuit. The signal processing apparatus according to claim 5 . 前記保持回路により保持されて出力された電圧値を入力し、この入力電圧値を増幅して出力する増幅回路を更に備え、
前記容量値制御部が、前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記比較回路から飽和信号が出力されたときに、前記積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として前記積分容量部の容量値を設定し、
前記増幅回路が、前記保持回路における電圧値サンプリング動作時の前記積分容量部の容量値Cfinalと前記所定容量値Csetとの比(Cfinal/Cset)の定数倍の値を増幅率として入力電圧値を増幅して出力する、
ことを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の信号処理装置。
An input voltage value that is held and output by the holding circuit is input, and an amplification circuit that amplifies and outputs the input voltage value is further provided.
When the saturation value is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the integration circuit, the capacitance value control unit sets a predetermined capacitance value Cset as an upper limit in the variable range of the capacitance value of the integration capacitance unit. Set the capacitance value of the integral capacitance section,
The amplification circuit uses a value that is a constant multiple of the ratio (C final / C set ) of the capacitance value C final of the integration capacitor unit and the predetermined capacitance value C set during the voltage value sampling operation in the holding circuit as an amplification factor. Amplifies and outputs the input voltage value,
The signal processing apparatus according to any one of claim 1 to 4, characterized in that.
前記保持回路により保持されて出力された電圧値に応じたデジタル値を出力するAD変換回路と、前記AD変換回路から出力されたデジタル値を入力し、この入力デジタル値を処理して出力するデジタル値処理部と、を更に備え、
前記容量値制御部が、前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記比較回路から飽和信号が出力されたときに、前記積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として前記積分容量部の容量値を設定し、
前記デジタル値処理部が、前記保持回路における電圧値サンプリング動作時の前記積分容量部の容量値Cfinalと前記所定容量値Csetとの比(Cfinal/Cset)の定数倍の値を入力デジタル値に乗じて、その乗算により得られたデジタル値を出力する、
ことを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の信号処理装置。
An AD conversion circuit that outputs a digital value corresponding to the voltage value held and output by the holding circuit, and a digital value that inputs the digital value output from the AD conversion circuit, processes the input digital value, and outputs the digital value A value processing unit,
When the saturation value is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the integration circuit, the capacitance value control unit sets a predetermined capacitance value Cset as an upper limit in the variable range of the capacitance value of the integration capacitance unit. Set the capacitance value of the integral capacitance section,
The digital value processing unit inputs a value that is a constant multiple of the ratio (C final / C set ) of the capacitance value C final of the integration capacitance unit and the predetermined capacitance value C set during the voltage value sampling operation in the holding circuit. Multiply the digital value and output the digital value obtained by the multiplication,
The signal processing apparatus according to any one of claim 1 to 4, characterized in that.
前記保持回路として第1保持回路および第2保持回路を備え、
前記増幅回路が、前記第1保持回路および前記第2保持回路それぞれから出力された電圧値の差に応じた電圧値を出力する、
ことを特徴とする請求項5〜7の何れか1項に記載の信号処理装置。
A first holding circuit and a second holding circuit as the holding circuit;
The amplifier circuit outputs a voltage value corresponding to a difference between the voltage values output from the first holding circuit and the second holding circuit;
The signal processing device according to claim 5 , wherein the signal processing device is a signal processing device.
前記保持回路として第1保持回路および第2保持回路を備え、
前記AD変換回路が、前記第1保持回路および前記第2保持回路それぞれから出力された電圧値の差に応じたデジタル値を出力する、
ことを特徴とする請求項に記載の信号処理装置。
A first holding circuit and a second holding circuit as the holding circuit;
The AD conversion circuit outputs a digital value corresponding to a difference in voltage value output from each of the first holding circuit and the second holding circuit;
The signal processing apparatus according to claim 8 .
前記保持回路として第1保持回路および第2保持回路を備え、
前記積分回路から出力された電圧値を前記第1保持回路および前記第2保持回路に交互に保持させて、前記積分回路,前記比較回路および前記容量値制御部による処理と、前記AD変換回路による処理とを、並列的に行う、
ことを特徴とする請求項5,6および8の何れか1項に記載の信号処理装置。
A first holding circuit and a second holding circuit as the holding circuit;
The voltage value output from the integration circuit is alternately held in the first holding circuit and the second holding circuit, the processing by the integration circuit, the comparison circuit and the capacitance value control unit, and the AD conversion circuit Process in parallel,
The signal processing apparatus according to claim 5 , wherein the signal processing apparatus is any one of claims 5, 6, and 8 .
複数組の前記積分回路,前記比較回路,前記保持回路および前記容量値制御部に対して、1個の前記AD変換回路が設けられ、
前記AD変換回路が、各組の前記保持回路により順次に出力される電圧値に応じたデジタル値を出力する、
ことを特徴とする請求項5,6および8の何れか1項に記載の信号処理装置。
One AD conversion circuit is provided for a plurality of sets of the integration circuit, the comparison circuit, the holding circuit, and the capacitance value control unit,
The AD converter circuit outputs a digital value corresponding to a voltage value sequentially output by each holding circuit;
The signal processing apparatus according to claim 5 , wherein the signal processing apparatus is any one of the following.
入射光量に応じた電荷を発生するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する請求項1〜12の何れか1項に記載の信号処理装置と、
を備えることを特徴とする光検出装置。
A photodiode that generates charge according to the amount of incident light;
The signal processing apparatus according to any one of claims 1 to 12 , which outputs an electric signal having a value corresponding to an amount of electric charge generated in the photodiode.
An optical detection device comprising:
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