JP5542504B2 - Signal processing apparatus and light detection apparatus - Google Patents
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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。また、信号処理装置は、アンプおよび積分容量部を含む積分回路を備え、フォトダイオードで発生した電荷を積分回路の積分容量部に蓄積し、その積分容量部の容量値および蓄積電荷量に応じた電圧値を積分回路から出力する。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変換機能をも有していて、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. In addition, the signal processing device includes an integration circuit including an amplifier and an integration capacitor unit, accumulates the charge generated by the photodiode in the integration capacitor unit of the integration circuit, and according to the capacitance value and the accumulated charge amount of the integration capacitor unit. The voltage value is output from the integration circuit. As such a light detection device, for example, one described in
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.
上記のような信号処理回路は以下のような問題点を有していることを本発明者は見出した。 The present inventor has found that the signal processing circuit as described above has the following problems.
フォトダイオードの出力電流値をIとし、積分回路の積分容量部における電荷蓄積時間をTとし、積分回路の積分容量部の容量値をCfとし、フォトダイオードと積分容量部との間の配線容量をCdとし、積分回路のアンプのオープンループゲインをAとしたとき、積分回路から出力される電圧値Vは下記(1)式で表される。 The output current value of the photodiode is I, the charge storage time in the integration capacitor part of the integration circuit is T, the capacitance value of the integration capacitor part of the integration circuit is C f, and the wiring capacitance between the photodiode and the integration capacitor part was a C d, when the open loop gain of the amplifier of the integrating circuit is a, the voltage value V outputted from the integrating circuit is expressed by the following equation (1).
一般には、積分回路のアンプのオープンループゲインAは無限大であるとしていいから、(1)式は下記(2)式で近似され得る。従来では、(2)式の近似式が充分に高精度に成り立つことを前提として、この(2)式に拠って、積分回路の出力電圧値Vに基づいて、フォトダイオードの出力電流値Iすなわちフォトダイオードへの入射光量が求められていた。 In general, since the open loop gain A of the amplifier of the integration circuit may be infinite, the equation (1) can be approximated by the following equation (2). Conventionally, on the assumption that the approximate expression of the expression (2) is sufficiently accurate, the output current value I of the photodiode, that is, based on the output voltage value V of the integration circuit, based on the expression (2), that is, There has been a demand for the amount of light incident on the photodiode.
しかしながら、積分回路のアンプのオープンループゲインAは、理想的には無限大であるとして扱われるものの、現実には有限の値を有する。1/Aと Cf/(Cf+Cd)との比の大きさによっては、Cf/(Cf+Cd) と比較して 1/Aが無視し得ない値となって、上記(2)式の近似式が成り立たなくなる。 However, although the open loop gain A of the amplifier of the integration circuit is ideally treated as being infinite, it actually has a finite value. Depending on the ratio of 1 / A and C f / (C f + C d ), 1 / A becomes a value that cannot be ignored compared to C f / (C f + C d ). The approximate expression 2) does not hold.
以上のようなことから、高精度の容量値Cfを有する積分容量部を含む積分回路を製造することができたとしても、信号処理回路の出力値が積分容量部の容量値Cfに反比例する関係((2)式)が崩れて、フォトダイオードへの入射光量が高精度に求められない場合がある。 As described above, even if an integration circuit including an integration capacitor unit having a highly accurate capacitance value C f can be manufactured, the output value of the signal processing circuit is inversely proportional to the capacitance value C f of the integration capacitor unit. The relationship (equation (2)) may be broken and the amount of light incident on the photodiode may not be obtained with high accuracy.
本発明は、上記のような本発明者の知見に基づいてなされたものであり、フォトダイオードへの入射光量を高精度に求めることができる信号処理装置および光検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made on the basis of the inventor's knowledge as described above, and an object of the present invention is to provide a signal processing device and a photodetection device capable of obtaining the amount of light incident on a photodiode with high accuracy. 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) 第1アンプ,第1積分容量部および第1スイッチを含み、第1アンプの入力端と出力端との間に第1積分容量部および第1スイッチが並列的に設けられ、第1アンプの入力端がフォトダイオードに接続され、第1スイッチが閉状態である初期化期間に第1積分容量部を放電させ、第1スイッチが閉状態から開状態に転じる電荷蓄積動作開始時より以降、フォトダイオードから出力された電荷を第1積分容量部に蓄積して、第1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第1積分回路と、(2) 電荷蓄積動作開始時より以降に一定の電圧値を出力する電圧源と、(3) 第2アンプ,第2積分容量部,第2スイッチおよび抵抗器を含み、第2アンプの入力端と出力端との間に第2積分容量部および第2スイッチが並列的に設けられ、第2アンプの入力端が抵抗器を介して電圧源の出力端に接続され、第2アンプのオープンループゲインが第1アンプのオープンループゲインと等しく、第2積分容量部の容量値が第1積分容量部の容量値と等しく、電荷蓄積動作開始時に第2スイッチが閉状態から開状態に転じて、電荷蓄積動作開始時より以降に電圧源から出力される電圧値を積分した値を表す電圧値を出力する第2積分回路と、(4) 第2積分回路から出力される電圧値と基準値とを大小比較して電圧値が基準値に達したタイミングを表すタイミング指示信号を出力するタイミング指示信号生成回路と、(5) タイミング指示信号生成回路から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、第1積分回路から出力される電圧値をサンプリングして保持し出力する保持回路と、を備えることを特徴とする。 A signal processing apparatus according to the present invention is a signal processing apparatus that outputs an electrical signal having a value corresponding to the amount of electric charge generated in a photodiode in accordance with the amount of light incident on the photodiode, and (1) a first amplifier , The first integration capacitor unit and the first switch, the first integration capacitor unit and the first switch are provided in parallel between the input terminal and the output terminal of the first amplifier, and the input terminal of the first amplifier is a photo Connected to the diode, discharged from the photodiode after the start of the charge accumulation operation in which the first integration capacitor unit is discharged during the initialization period in which the first switch is closed and the first switch changes from the closed state to the open state. A first integration circuit that accumulates the accumulated charge in the first integration capacitor unit and outputs a voltage value corresponding to the amount and capacitance value of the charge accumulated in the first integration capacitor unit, and (2) from the start of the charge accumulation operation After that, a constant voltage value is output And (3) a second amplifier, a second integration capacitor unit, a second switch and a resistor, and the second integration capacitor unit and the second switch are provided between the input terminal and the output terminal of the second amplifier. The second amplifier is provided in parallel, the input terminal of the second amplifier is connected to the output terminal of the voltage source through a resistor, the open loop gain of the second amplifier is equal to the open loop gain of the first amplifier, Is equal to the capacitance value of the first integration capacitor unit, and the second switch changes from the closed state to the open state when the charge accumulation operation starts, and the voltage value output from the voltage source after the charge accumulation operation starts A second integration circuit that outputs a voltage value representing the integrated value; and (4) a timing that represents a timing at which the voltage value reaches the reference value by comparing the voltage value output from the second integration circuit with the reference value. Timing instruction signal generation times for outputting instruction signals And (5) a holding circuit that samples and holds and outputs the voltage value output from the first integration circuit at a timing represented by the timing instruction signal output from the timing instruction signal generation circuit. To do.
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。この信号処理装置の第1積分回路は、第1アンプ,第1積分容量部および第1スイッチを含む。この第1積分回路では、第1アンプの入力端と出力端との間に第1積分容量部および第1スイッチが並列的に設けられている。また、第1積分回路では、第1アンプの入力端がフォトダイオードに接続されている。第1積分回路では、第1スイッチが閉状態である初期化期間に第1積分容量部が放電され、リセットレベルの電圧値が出力される。また、第1積分回路では、第1スイッチが閉状態から開状態に転じる電荷蓄積動作開始時より以降、フォトダイオードへの入射光量に応じて発生した電荷が第1積分容量部に蓄積されて、この第1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が出力される。 This signal processing device is used together with a photodiode. The first integration circuit of the signal processing device includes a first amplifier, a first integration capacitor unit, and a first switch. In the first integration circuit, a first integration capacitor unit and a first switch are provided in parallel between the input terminal and the output terminal of the first amplifier. In the first integration circuit, the input terminal of the first amplifier is connected to the photodiode. In the first integration circuit, the first integration capacitor unit is discharged during the initialization period in which the first switch is closed, and a reset level voltage value is output. Further, in the first integration circuit, the charge generated according to the amount of light incident on the photodiode is accumulated in the first integration capacitor unit from the start of the charge accumulation operation in which the first switch changes from the closed state to the open state, A voltage value corresponding to the amount of charge accumulated in the first integration capacitor and the capacitance value is output.
この信号処理装置の第2積分回路は、第2アンプ,第2積分容量部,第2スイッチおよび抵抗器を含む。この第2積分回路では、第2アンプの入力端と出力端との間に第2積分容量部および第2スイッチが並列的に設けられている。第2積分回路では、第2アンプの入力端が抵抗器を介して電圧源の出力端に接続されている。第2積分回路の第2アンプのオープンループゲインは、第1積分回路の第1アンプのオープンループゲインと等しい。また、第2積分回路の第2積分容量部の容量値は、第1積分回路の第1積分容量部の容量値と等しい。第2積分回路では、電荷蓄積動作開始時に第2スイッチが閉状態から開状態に転じて、電荷蓄積動作開始時より以降に電圧源から出力される一定の電圧値が入力され、この電圧値を積分した値を表す電圧値が出力される。 The second integration circuit of this signal processing device includes a second amplifier, a second integration capacitor, a second switch, and a resistor. In the second integration circuit, a second integration capacitor unit and a second switch are provided in parallel between the input terminal and the output terminal of the second amplifier. In the second integration circuit, the input terminal of the second amplifier is connected to the output terminal of the voltage source via a resistor. The open loop gain of the second amplifier of the second integration circuit is equal to the open loop gain of the first amplifier of the first integration circuit. Further, the capacitance value of the second integration capacitor unit of the second integration circuit is equal to the capacitance value of the first integration capacitor unit of the first integration circuit. In the second integration circuit, the second switch changes from the closed state to the open state at the start of the charge accumulation operation, and a constant voltage value output from the voltage source after the start of the charge accumulation operation is input. A voltage value representing the integrated value is output.
タイミング指示信号生成回路により、第2積分回路から出力される電圧値が基準値と大小比較されて、該電圧値が該基準値に達したタイミングを表すタイミング指示信号が出力される。そして、保持回路により、タイミング指示信号生成回路から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、第1積分回路から出力される電圧値がサンプリングされて保持され出力される。保持回路から出力される電圧値は、フォトダイオードへの入射光量を表す。 The timing instruction signal generation circuit compares the voltage value output from the second integration circuit with a reference value, and outputs a timing instruction signal indicating the timing at which the voltage value reaches the reference value. The holding circuit samples, holds, and outputs the voltage value output from the first integration circuit at the timing indicated by the timing instruction signal output from the timing instruction signal generation circuit. The voltage value output from the holding circuit represents the amount of light incident on the photodiode.
このように、第1積分回路から出力される電圧値が保持回路によりサンプリングされるタイミングは、電圧源,第2積分回路およびタイミング指示信号生成回路により設定される。ここで、第2積分回路の第2アンプのオープンループゲインは第1積分回路の第1アンプのオープンループゲインと等しく、また、第2積分回路の第2積分容量部の容量値は第1積分回路の第1積分容量部の容量値と等しい。したがって、これらのアンプのオープンループゲインが有限の値を有するとしても、第1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が適切に調整されて、フォトダイオードへの入射光量が高精度に求められ得る。 Thus, the timing at which the voltage value output from the first integration circuit is sampled by the holding circuit is set by the voltage source, the second integration circuit, and the timing instruction signal generation circuit. Here, the open loop gain of the second amplifier of the second integration circuit is equal to the open loop gain of the first amplifier of the first integration circuit, and the capacitance value of the second integration capacitance unit of the second integration circuit is the first integration value. It is equal to the capacitance value of the first integration capacitor part of the circuit. Therefore, even if the open loop gain of these amplifiers has a finite value, the time from the start of the charge accumulation operation in the first integration circuit to the voltage value sampling operation in the holding circuit is appropriately adjusted, and the photodiode is Can be obtained with high accuracy.
本発明に係る信号処理装置は、(1) 第1積分容量部がM個の容量値C1〜CMのうちの何れかの容量値を有するように選択的に設定され、(2) 第2積分回路としてM個の積分回路S1〜SMを備え、各積分回路S m が第2積分回路と同じ構成を有し、各積分回路Smの第2積分容量部が容量値Cmを有し、各積分回路S m の抵抗器が抵抗値R m を有し、M個の積分回路S1〜SMの間で抵抗値R m と容量値Cmとの積が互いに等しく、(3) タイミング指示信号生成回路としてM個の生成回路T1〜TMを備え、各生成回路Tmが積分回路Smから出力される電圧値と基準値とを大小比較して電圧値が基準値に達したタイミングを表すタイミング指示信号を出力し、(4) 保持回路が、第1積分容量部の設定された容量値Cmに対応する生成回路Tmから出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、第1積分回路から出力される電圧値をサンプリングして保持し出力するのが好適である。ただし、Mは2以上の整数であり、mは1以上M以下の整数である。
In the signal processing apparatus according to the present invention, (1) the first integration capacitor unit is selectively set to have any one of M capacitance values C 1 to C M , and (2) the first M integrating circuits S 1 to S M are provided as two integrating circuits, each integrating circuit S m has the same configuration as the second integrating circuit, and the second integrating capacitor part of each integrating circuit S m has a capacitance value C m. the a, resistors of each integrating circuit S m has a resistance value R m, a product of the resistance value R m and the capacitance value C m among the
この場合には、第1積分回路の第1積分容量部は、M個の容量値C1〜CMのうちの何れかの容量値を有するように選択的に設定される。第1積分回路の第1積分容量部の容量値Cmに対応して、第2積分回路としての積分回路Smが設けられており、また、タイミング指示信号生成回路としての生成回路Tmが設けられている。各積分回路Smの第2積分容量部は容量値Cmを有する。M個の積分回路S1〜SMの間で抵抗器の抵抗値と容量値Cmとの積は互いに等しい。また、M個の積分回路S1〜SMそれぞれの第2アンプのオープンループゲインは、第1積分回路の第1アンプのオープンループゲインと等しい。したがって、第1積分回路の第1積分容量部がM個の容量値C1〜CMのうちの何れの容量値を有するように設定されたとしても、第1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が適切に調整されて、フォトダイオードへの入射光量が高精度に求められ得る。 In this case, the first integration capacitor unit of the first integration circuit is selectively set to have any one of M capacitance values C 1 to C M. Corresponding to the capacitance value C m of the first integrating capacitor of the first integrating circuit, the integrating circuit S m is provided as a second integrating circuit, also generation circuit the T m of the timing instruction signal generating circuit Is provided. Second integration capacitance section of each integrating circuit S m has a capacitance value C m. Product of the resistance value and the capacitance value C m of the resistor between the M integrating circuits S 1 to S M are equal to each other. Further, the open loop gain of the second amplifier of each of the M integration circuits S 1 to S M is equal to the open loop gain of the first amplifier of the first integration circuit. Therefore, even if the first integration capacitor portion of the first integration circuit is set to have any one of the M capacitance values C 1 to C M , when the charge accumulation operation starts in the first integration circuit The time from the voltage value to the voltage value sampling operation in the holding circuit is appropriately adjusted, and the amount of light incident on the photodiode can be obtained with high accuracy.
本発明に係る信号処理装置は、(1) 第1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、(2) 第1積分回路における電荷蓄積動作開始時に第1積分容量部の容量値を最小値に設定しておき、第1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、第1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第1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、を更に備えるのが好適である。 The signal processing apparatus according to the present invention: (1) When the voltage value output from the first integration circuit is input, the voltage value is compared with a predetermined reference value, and the voltage value reaches the reference value And (2) the capacitance value of the first integration capacitor unit set to the minimum value at the start of the charge accumulation operation in the first integration circuit, When a saturation signal is output from the comparison circuit in the middle of the charge accumulation operation, the capacitance value of the first integration capacitor section is shorter as the time from the start of the charge accumulation operation in the first integration circuit to the output of the saturation signal in the comparison circuit is shorter. It is preferable to further include a capacitance value control unit that sets a large value.
この場合には、第1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。第1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所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。第1積分回路の第1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、第1積分回路の第1積分容量部の容量値は、第1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、第1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、第1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。 In this case, the voltage value output from the first integration circuit is input to the comparison circuit, the input voltage value and the predetermined reference value are compared in magnitude by the comparison circuit, and the input voltage value reaches the reference value. Sometimes, a saturation signal indicating that is output from the comparison circuit. The voltage value output from the first 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 first integration capacitor unit of the first integration circuit is set by the capacitance value control unit. The capacitance value control unit sets the capacitance value of the first integration capacitor unit of the first integration circuit to the minimum value at the start of the charge accumulation operation in the first integration circuit, and during the charge accumulation operation in the first integration circuit. When the saturation signal is output from the comparison circuit, the value is set to a larger value as the time from the start of the charge accumulation operation in the first integration circuit to the output of the saturation signal in the comparison circuit is shorter.
本発明に係る信号処理装置では、容量値制御部は、第1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第1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たときの何れの部分期間に属するかに応じて第1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、第1積分容量部の各容量値、第1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、第1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、第1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、第1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第1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、第1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て第1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、第1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, the capacitance value control unit is configured such that when the saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the first integration circuit, the saturation signal is output from the comparison circuit when the saturation signal is output. The capacitance value of the first integration capacitor unit is changed according to which partial period when the period from the start of the charge accumulation operation to the voltage value sampling operation in the holding circuit is divided into a plurality of partial periods. It is preferable to set. Further, the capacitance value control unit includes the capacitance values of the first integration capacitor unit, the saturation output voltage value of the first integration circuit, the reference value input to the comparison circuit, and the charge accumulation operation start time in the first integration circuit. Based on the time until the voltage value sampling operation in the holding circuit, the period from the start of the charge accumulation operation in the first integration circuit to the voltage value sampling operation in the holding circuit is divided into a plurality of partial periods, and the first integration When a saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the circuit, the first integration capacitor unit according to which partial period of the plurality of partial periods the saturation signal output time of the comparison circuit belongs to It is also preferable to change and set the capacitance value. In addition, the capacitance value control unit outputs a saturation signal from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the first integration circuit, changes the capacitance value of the first integration capacitance unit, and then sets the saturation signal from the comparison circuit. It is also preferable to set the capacitance value of the first integration capacitor unit by changing it to a larger value.
本発明に係る信号処理装置は、(1) 比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が第1積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、第1積分回路の第1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第1積分容量部に注入する電荷注入回路と、(2) 比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が第1積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、第1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、を更に備えるのが好適である。 The signal processing apparatus according to the present invention includes (1) the first processing except that the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the first integration capacitance unit based on the saturation signal output from the comparison circuit. A charge injection circuit for injecting a certain amount of charge of opposite polarity to the charge accumulated in the first integration capacitor of the integration circuit into the first integration capacitor, and (2) based on the saturation signal output from the comparison circuit, A counting circuit that counts the number of times that the voltage value output from the first integration circuit reaches the reference value, except when the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the first integration capacitance unit; It is suitable to provide.
この場合には、比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が第1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、第1積分回路の第1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第1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、容量値制御部が第1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、第1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。これら第1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。 In this case, the charge integration circuit uses the first integration circuit except for the case where the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the first integration capacitor unit based on the saturation signal output from the comparison circuit. A certain amount of charge having a polarity opposite to that of the charge accumulated in the first integration capacitor is injected into the first integration capacitor. Also, based on the saturation signal output from the comparison circuit, the count value is output from the first integration circuit by the counting circuit except when the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the first integration capacitance unit. The number of times the voltage value reaches the reference value is counted. An AD conversion function is realized by the first 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、第1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、第1積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として第1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第1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 first integration circuit, the first integration capacitance is set with the predetermined capacitance value Cset as the upper limit in the variable range of the capacitance value of the first integration capacitance section. (3) The ratio of the capacitance value C final of the first integral capacitance unit and the predetermined capacitance value C set during the voltage value sampling operation in the holding circuit (C final / C set ) It is preferable that the input voltage value is amplified and output with a value that is a constant multiple of.
この場合には、容量値制御部により、第1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、第1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第1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, when the saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the first integration circuit by the capacitance value control unit, the capacitance value of the first integration capacitance unit is a predetermined capacitance value within the variable range. C set is set as the upper limit. The voltage value held and output by the holding circuit is converted into a ratio (C final / C) between the capacitance value C final of the first integration capacitor unit and the predetermined capacitance value C set during the voltage value sampling operation in the holding circuit. The value is multiplied by a constant multiple of set ).
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、第1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、第1積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として第1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第1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 an input digital value; and (2) when the capacitance value control unit outputs a saturation signal from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the first integration circuit. The capacitance value of the first integration capacitor unit is set with the predetermined capacitance value C set as the upper limit in the variable range of the capacitance value of the first integration capacitor unit. (3) The digital value processing unit performs the voltage value sampling operation in the holding circuit. Multiplying the input digital value by a constant multiple of the ratio (C final / C set ) of the capacitance value C final of the first integral capacitance part and the predetermined capacitance value C set to the digital value obtained by the multiplication It is preferable to output.
この場合には、容量値制御部により、第1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、第1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第1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, when the saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the first integration circuit by the capacitance value control unit, the capacitance value of the first integration capacitance unit is a predetermined capacitance value within the variable range. C set is set as the upper limit. 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 converter circuit is converted into a ratio (C final / C) between the capacitance value C final of the first integration capacitor unit and the predetermined capacitance value C set during the voltage value sampling operation in the holding circuit by the digital value processing unit. set ) 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、第1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、第1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 first integration circuit is held by the first holding circuit, and the voltage value including only the noise component output from the first integration circuit is held second. Held by the circuit. 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、第1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、第1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 apparatus according to the present invention includes a first holding circuit and a second holding circuit as holding circuits, and alternately holds the voltage value output from the first integrating circuit in the first holding circuit and the second holding circuit. The processing by the first integration circuit, the comparison circuit and the capacitance value control unit and the processing by the AD conversion circuit are preferably performed in parallel. By performing such a parallel operation, light detection can be performed at high speed.
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、フォトダイオードへの入射光量を高精度に求めることができる。 The signal processing device and the light detection device according to the present invention can obtain the amount of light incident on the photodiode with high accuracy.
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
フォトダイオードアレイ2は、N個のフォトダイオードPD1〜PDNを含む。N個のフォトダイオードPD1〜PDNは共通の構成を有する。N個のフォトダイオードPD1〜PDN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PD1〜PDN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PDnのカソード端子は基準電位Vref0が入力される。各フォトダイオードPDnは、入射光量に応じた電荷を発生しアノード端子から出力する。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PD1〜PDNが1次元状または2次元状に配列されていてもよい。
信号処理装置3は、各フォトダイオードPDn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41〜4N,増幅回路70,AD変換回路80,基準値生成回路90,電圧源100,積分回路(第2積分回路)110およびタイミング指示信号生成回路120を含む。N個の読出し部41〜4Nは共通の構成を有する。各読出し部4nはフォトダイオードPDn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
各読出し部4nは、積分回路(第1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4nに含まれる積分回路10は、アンプ,積分容量部およびスイッチを含み、対応するフォトダイオードPDn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。積分容量部の容量値は可変に設定される。
Each readout unit 4 n includes an integration circuit (first integration circuit) 10, a
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。電圧値のサンプリングのタイミングは、タイミング指示信号生成回路120から出力されるタイミング指示信号により指示される。
The
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の容量値を大きい値に設定する。
The capacitance
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4n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
増幅回路70の入力端は、各読出し部4n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4n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。
The input terminal of the
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
電圧源100は、積分回路10における電荷蓄積動作開始時より以降、タイミング指示信号生成回路120からタイミング指示信号が出力されるまで、一定の電圧値を積分回路110へ出力する。電圧源100から出力される電圧値は、外部から入力されるデジタルコードにより設定されるのが好ましい。
The
積分回路110は、アンプ,積分容量部,スイッチおよび抵抗器を含み、積分回路10における電荷蓄積動作開始時より以降に電圧源100から出力される電圧値を積分した値を表す電圧値をタイミング指示信号生成回路120へ出力する。積分回路110のアンプのオープンループゲインは、積分回路10のアンプのオープンループゲインと等しい。また、積分回路110の積分容量部の容量値は、積分回路10の積分容量部の容量値と等しい。
The integration circuit 110 includes an amplifier, an integration capacitor unit, a switch, and a resistor, and a timing instruction is given for a voltage value representing a value obtained by integrating the voltage value output from the
タイミング指示信号生成回路120は、積分回路110から出力される電圧値と基準値とを大小比較して該電圧値が該基準値に達したタイミングを表すタイミング指示信号を保持回路50へ出力する。
The timing instruction
図2および図3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。図2には、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。図3には、電圧源100,積分回路110およびタイミング指示信号生成回路120が示されている。
2 and 3 are diagrams showing a detailed configuration of the
図2に示されるように、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基準電位Vref0に接続される。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が閉じている初期化期間には、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が閉状態から開状態に転じる電荷蓄積動作開始時より以降、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に蓄積して、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。以下では、積分容量部C10の容量値はC1,C2およびC3の何れかに設定されるものとする。
As shown in FIG. 2, the
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φ1を出力する。
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
電荷注入回路30は、スイッチSW31〜SW34および容量部C30を有する。スイッチSW31、容量部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と容量部C30との接続点は、スイッチSW33を介して基準電位Vref0と接続される。スイッチSW32と容量部C30との接続点は、スイッチSW34を介して基準電位Vref0と接続される。
The
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φ1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φ1の論理反転信号φ2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φ1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
計数回路60は、比較回路20から出力された飽和信号φ1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
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Q0とし、比較回路20から出力される飽和信号φ1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Q1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、Q0をQ1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、Q0をQ1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
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および容量部C50を有する。スイッチSW51、容量部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と容量部C50との接続点は、スイッチSW53を介して基準電位Vref0と接続される。スイッチSW52と容量部C50との接続点は、スイッチSW54を介して基準電位Vref0と接続される。
The holding
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部C50に保持される。スイッチSW52,SW53が閉じると、容量部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
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。この保持回路51による電圧値のサンプリングのタイミングは、タイミング指示信号生成回路120から出力されるタイミング指示信号により指示される。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
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。
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
図3に示されるように、電圧源100は、基準電源101,電圧値設定部102,アンプA100,容量部C100,容量部C101およびスイッチSW100〜SW104を含む。電圧源100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)より以降に一定の電圧値を積分回路110へ出力する。
As shown in FIG. 3, the
基準電源101は、一定電圧を出力する電源であって、電源電圧変動や温度変動に対して安定して一定の電圧を出力することができるバンドギャップ回路からなるのが好ましい。基準電源101とアンプA100の反転入力端子との間に、スイッチSW101,容量部C101およびスイッチSW102が順に設けられている。スイッチSW101と容量部C101との接続点は、スイッチSW103を介して基準電位Vref0に接続される。容量部C101とスイッチSW102との接続点は、スイッチSW104を介して基準電位Vref0に接続される。アンプA100の非反転入力端子は基準電位Vref0に接続される。アンプA100の反転入力端子と出力端子との間に容量部C100およびスイッチSW100が並列的に設けられている。電圧値設定部102は、電圧源100から出力すべき電圧値を指示するデジタルコードを外部から入力して、そのデジタルコードが表す値に応じた回数だけスイッチSW101〜SW104の開閉動作を行う。
The
この電圧源100では、スイッチSW100が閉じることにより、容量部C100が放電されて、出力電圧値がVref0に初期化される。スイッチSW100が開いている期間に、スイッチSW101,SW104が閉じていてスイッチSW102,SW103が開いている状態から、スイッチSW101,SW104が開いていてスイッチSW102,SW103が閉じている状態に転じることで、基準電源101の出力電圧値と容量部C101の容量値との積に応じた量の電荷(以下「単位量電荷」という。)が容量部C100に蓄積される。
In the
スイッチSW100が開いている期間に、電圧値設定部102に入力されるデジタルコードが表す値に応じた回数だけ、容量部C100への単位量電荷の蓄積が行われる。このような容量部C100への電荷の蓄積は、積分回路10のスイッチSW10が閉じている初期化期間に行われる。積分回路10における電荷蓄積動作開始時より以降に電圧源100から出力される電圧値は、この単位量電荷と蓄積回数との積に応じた値となる。
During the period in which the switch SW 100 is open, the unit amount charge is accumulated in the capacitor unit C 100 as many times as the value represented by the digital code input to the voltage value setting unit 102. Such accumulation of charge in the capacitor unit C 100 is performed during an initialization period in which the switch SW 10 of the integration circuit 10 is closed. The voltage value output from the
積分回路(第2積分回路)110として、3個の積分回路1101〜1103が設けられる。積分回路1101は、アンプA111,積分容量部C111,スイッチCW111および抵抗器R111を含む。アンプA111の反転入力端子と出力端子との間に容量部C111およびスイッチSW111が並列的に設けられている。アンプA111の反転入力端子は、抵抗器R111を介して電圧源100の出力端に接続されている。アンプA111の非反転入力端子は基準電位Vref0に接続される。
As the integration circuit (second integration circuit) 110, three integration circuits 110 1 to 110 3 are provided. The integration circuit 110 1 includes an amplifier A 111 , an integration capacitor unit C 111 , a switch CW 111 and a resistor R 111 . A capacitor C 111 and a switch SW 111 are provided in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the amplifier A 111 . The inverting input terminal of the amplifier A 111 is connected to the output terminal of the
積分回路1101では、積分回路10のスイッチSW10が閉状態から開状態に転じる電荷蓄積動作開始時に、スイッチSW111が閉状態から開状態に転じる。そして、積分回路1101は、電荷蓄積動作開始時より以降に電圧源100から出力される電圧値を積分した値を表す電圧値を出力する。
The integrating circuit 110 1, the switch SW 10 of the integrating
積分回路1102は、アンプA112,積分容量部C112,スイッチCW112および抵抗器R112を含む。積分回路1103は、アンプA113,積分容量部C113,スイッチCW113および抵抗器R113を含む。積分回路1102,1103それぞれの構成および動作は、積分回路1101と同様である。 Integrator circuit 110 2 includes an amplifier A 112, the integrating capacitor unit C 112, a switch CW 112 and resistor R 112. Integrator circuit 110 3 includes an amplifier A 113, the integrating capacitor unit C 113, switches CW 113 and resistor R 113. The configurations and operations of the integration circuits 110 2 and 110 3 are the same as those of the integration circuit 110 1 .
アンプA111,A112,A113それぞれのオープンループゲインは、積分回路10のアンプA10のオープンループゲインと等しい。これらアンプA111,A112,A113,A10は、共通の構成を有しているのが好ましい。積分回路1101の積分容量部C111の容量値はC1であり、積分回路1102の積分容量部C112の容量値はC2であり、積分回路1103の積分容量部C113の容量値はC3である。これら容量値C1〜C3は、積分回路10の積分容量部C10の容量値として設定され得る値である。積分回路1101の抵抗器R111の抵抗値と積分容量部C111の容量値C1との積、積分回路1102の抵抗器R112の抵抗値と積分容量部C112の容量値C2との積、および、積分回路1103の抵抗器R113の抵抗値と積分容量部C113の容量値C3との積は、互いに等しい。
The open loop gains of the amplifiers A 111 , A 112 , and A 113 are equal to the open loop gain of the amplifier A 10 of the
タイミング指示信号生成回路120として、3個の生成回路1201〜1203が設けられる。生成回路1201は、積分回路1101から出力される電圧値と基準値Vref3とを大小比較して、該電圧値が基準値Vref3に達したタイミングを表すタイミング指示信号を出力する。生成回路1202は、積分回路1102から出力される電圧値と基準値Vref3とを大小比較して、該電圧値が基準値Vref3に達したタイミングを表すタイミング指示信号を出力する。また、生成回路1203は、積分回路1103から出力される電圧値と基準値Vref3とを大小比較して、該電圧値が基準値Vref3に達したタイミングを表すタイミング指示信号を出力する。
As the timing instruction
保持回路51は、積分回路10の積分容量部C10の設定された容量値Cmに対応する生成回路120mから出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、積分回路10から出力される電圧値をサンプリングして保持し出力する。
The holding
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、AD変換回路80におけるAD変換動作、電圧源100スイッチSW100の開閉動作、および、タイミング指示信号生成回路120としての生成回路1201〜1203のスイッチSW111〜SW113の開閉動作、を所定のタイミングで制御する。
In addition, it is preferable that the
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4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。ここでは、読出し部4n,増幅回路70およびAD変換回路80それぞれの動作について説明し、積分回路110,タイミング指示信号生成回路120およびデジタル値処理部130それぞれの動作については後に説明する。ただし、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
時刻t0から時刻t1までの初期化期間に、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φ1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。
During the initialization period from time t 0 to time t 1 , the switch SW 10 of the
時刻t1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、これ以降、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
時刻t2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φ1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
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の容量部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の容量部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
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φ1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
時刻t3,時刻t4,時刻t5および時刻t6それぞれにおいても、時刻t2における上述した一連の動作が行われる。ここで、時刻t1から時刻t2までの時間τ12、時刻t2から時刻t3までの時間τ23、時刻t3から時刻t4までの時間τ34、時刻t4から時刻t5までの時間τ45、および、時刻t5から時刻t6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t1から積分期間Tが経過する時刻t7(=t1+T)まで行われる。時刻t6から時刻t7までの時間は、上記時間τ12などより短い。この積分期間Tの間に、比較回路20から出力される飽和信号φ1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t2に値1となり、時刻t3に値2となり、時刻t4に値3となり、時刻t5に値4となり、時刻t6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 from time t 1 when the charge accumulation operation in the
時刻t7前に保持回路51のスイッチSW51,SW54が閉じ、時刻t7に保持回路51のスイッチSW51,SW54が開いて、その結果、時刻t7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t1に保持回路52のスイッチSW51,SW54が閉じ、時刻t1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t1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
そして、時刻t7以降の時刻t8〜t9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
また、時刻t7以降は計数回路60における計数動作が停止され、時刻t7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t8〜t9の間に、読出し部4nのスイッチSWが閉じて、その読出し部4n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
以上の動作のうち、時刻t0〜t7の間の動作は、N個の読出し部41〜4Nにおいて並列的に同時に行われる。一方、時刻t7以降の動作は、N個の読出し部41〜4N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41〜4N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
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〜D0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〜D0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
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t1〜t7)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
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〜D0)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〜D0)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
しかし、積分回路10における電荷蓄積動作の期間T(時刻t1〜t7)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
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基準電位Vref0が供給される。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. 5 is a circuit diagram of the integrating
積分回路10の積分容量部C10は、スイッチSW12,SW13および容量部C11〜C13を含む。容量部C11と、直列的に接続されたスイッチSW12および容量部C12と、直列的に接続されたスイッチSW13および容量部C13とは、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。容量部C11の容量値はC1であり、容量部C11および容量部C12それぞれの容量値の和はC2であり、容量部C11〜C13それぞれの容量値の和はC3である。容量値C1〜C3の間の大小関係は「C1<C2<C3」である。
Integral capacitance part C 10 of the integrating
容量値制御部40は、積分容量部C10に含まれるスイッチSW12,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C1〜C3のうちの何れかの値に設定する。容量値制御部40は、スイッチSW12,SW13の双方を開状態とすることで、積分容量部C10の容量値をC1に設定する。容量値制御部40は、スイッチSW12を閉状態としスイッチSW13を開状態とすることで、積分容量部C10の容量値をC2に設定する。また、容量値制御部40は、スイッチSW12,SW13の双方を閉状態とすることで、積分容量部C10の容量値をC3に設定する。
Capacity
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4中の時刻t1)に、スイッチSW12,SW13の双方を開状態とすることで、積分容量部C10の容量値を最小値C1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4中の時刻t2)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4中の時刻t1から時刻t2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。
The capacitance
図6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L2,L3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C1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 6 is a diagram showing the time variation of the voltage value V 10 outputted from the integrating
直線L3で示される場合のフォトダイオードPDの出力電流値I3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C2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I3の場合、積分容量部C10の容量値を最小値C1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τ3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
直線L2で示される場合のフォトダイオードPDの出力電流値I2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C1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I2の場合、積分容量部C10の容量値を最小値C1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τ2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
フォトダイオードPDの出力電流値I2,I3は下記(3)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τ2,τ3は下記(4)式で表される。ここで、m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 (3). Time tau 2 from the start charge accumulation operation of the integrating
なお、時間τ2,τ3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C1,C2,C3、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τ2,τ3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
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
図6(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τ3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C1からC3へ変更して設定する。同図(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τ3から時間τ2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C1からC2へ変更して設定する。また、同図(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τ2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C1のままとする。
As shown in FIG. 6B, when the saturation signal output time from the
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C1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
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C1からC2へ変更した場合または当初の最小値C1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
また、積分容量部C10の容量値をC2,C3へ変更した場合または当初のC1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
本実施形態に係る光検出装置1は、大きなダイナミックレンジで短時間に入射光量を検出することができ、また、消費電力を低減することができる。しかし、本実施形態に係る光検出装置1では、積分回路10の積分容量部C10が設計どおりの容量値C1〜C3の何れかに高精度に設定されるとしても、アンプA10のオープンループゲインが理想的な無限大ではなく有限の値であることから、積分回路10の出力値が積分容量部C10の容量値に反比例する近似式((2)式)の関係が崩れて、フォトダイオードPDへの入射光量が高精度に求められない場合がある。
The
そこで、本実施形態に係る光検出装置1は、電圧源100,積分回路110およびタイミング指示信号生成回路120を更に備えて、これらにより、積分回路10における電荷蓄積動作開始時(図4中の時刻t1)から保持回路51における電圧値サンプリング動作時(図4中の時刻t7)までの期間Tの長さを調整する。
Therefore, the
図7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。ここでは、電圧源100,積分回路110,タイミング指示信号生成回路120および保持回路51それぞれの動作について説明する。この図7中に示される時刻t0,t1は、図4中に示される時刻t0,t1と同じである。また、図7中に示される時刻t71,t72,t73のうちの何れかは、図4中に示される時刻t7に相当する。
FIG. 7 is a timing chart for explaining the operation of the
前述したとおり、電圧源100において、積分回路10のスイッチSW10が閉じている初期化期間t0〜t1に、電圧値設定部102に入力されるデジタルコードが表す値に応じた回数だけ容量部C100への単位量電荷の蓄積が行われる。そして、電荷蓄積動作開始時t1より以降に電圧源100から出力される電圧値は、この単位量電荷と蓄積回数との積に応じた一定値となる。
As described above, in the
積分回路1101〜1103のスイッチSW111〜SW113は、積分回路10のスイッチSW10と同様に、初期化期間t0〜t1では閉状態であり、電荷蓄積動作開始時t1より以降では開状態である。初期化期間t0〜t1に積分回路1101〜1103から出力される電圧値は基準電位Vref0である。電荷蓄積動作開始時t1より以降に積分回路1101〜1103から出力される電圧値は、基準電位Vref0から変化していって、やがて基準電位Vref3に達する。
Switch SW 111 to SW 113 of the integration circuit 1101 3, similar to the switches SW 10 of the integrating
積分回路1101の抵抗器R111の抵抗値と積分容量部C111の容量値C1との積、積分回路1102の抵抗器R112の抵抗値と積分容量部C112の容量値C2との積、および、積分回路1103の抵抗器R113の抵抗値と積分容量部C113の容量値C3との積は、互いに等しい。したがって、積分回路1101〜1103のアンプA111〜A113のオープンループゲインが無限大であるとする理想的な場合を想定すれば、電荷蓄積動作開始時t1より以降に積分回路1101〜1103から出力される電圧値は、互いに同じ速さで変化していく。 The product of the resistance value of the resistor R 111 of the integrating circuit 110 1 and the capacitance value C 1 of the integrating capacitor unit C 111 , the resistance value of the resistor R 112 of the integrating circuit 110 2 and the capacitance value C 2 of the integrating capacitor unit C 112. product of, and, the product of the resistance value and the capacitance value C 3 of the integral capacitance part C 113 of the integrator circuit 110 third resistor R 113 are equal to each other. Thus, assuming the ideal case the open loop gain of the amplifier A 111 to A 113 of the integration circuit 1101 3 is assumed to be infinite, the integration circuit 110 after than the charge accumulation operation starts t 1 1 110 voltage value output from the 3 will change with each other as fast.
しかし、実際には、積分回路1101〜1103のアンプA111〜A113のオープンループゲインは無限大ではなく有限の値であるので、電荷蓄積動作開始時t1より以降に積分回路1101〜1103から出力される電圧値は、互いに異なる速さで変化していく。したがって、電荷蓄積動作開始時t1より以降に積分回路1101〜1103から出力される電圧値が基準電位Vref3に達する時刻t71,t72,t73は互いに異なる。 However, in practice, the open loop gain of the amplifier A 111 to A 113 of the integration circuit 1101 3 because it is a finite value not infinite, the charge accumulation start time t 1 integrator circuit 110 1 later than 110 voltage value output from the 3, will change at different speeds from each other. Accordingly, the times t 71 , t 72 , and t 73 at which the voltage values output from the integrating circuits 110 1 to 110 3 reach the reference potential V ref3 after the charge accumulation operation start time t 1 are different from each other.
そして、積分回路10の容量素子C10が容量値C1に設定された場合には、積分回路1101から出力される電圧値が基準電位Vref3に達する時刻t71に生成回路1201からタイミング指示信号が出力され、この生成回路1201から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、積分回路10から出力された電圧値が保持回路51によりサンプリングされる。積分回路10の容量素子C10が容量値C2に設定された場合には、積分回路1102から出力される電圧値が基準電位Vref3に達する時刻t72に生成回路1202からタイミング指示信号が出力され、この生成回路1202から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、積分回路10から出力された電圧値が保持回路51によりサンプリングされる。また、積分回路10の容量素子C10が容量値C3に設定された場合には、積分回路1103から出力される電圧値が基準電位Vref3に達する時刻t73に生成回路1203からタイミング指示信号が出力され、この生成回路1203から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、積分回路10から出力された電圧値が保持回路51によりサンプリングされる。
When the capacitive element C 10 of the integrating
ここで、積分回路1101〜1103のアンプA111,A113,A113それぞれのオープンループゲインは、積分回路10のアンプA10のオープンループゲインと等しい。また、積分回路1101の積分容量部C111の容量値はC1であり、積分回路1102の積分容量部C112の容量値はC2であり、積分回路1103の積分容量部C113の容量値はC3であって、これら容量値C1〜C3は積分回路10の積分容量部C10の容量値として設定され得る値である。
Here, the open loop gains of the amplifiers A 111 , A 113 , and A 113 of the integrating circuits 110 1 to 110 3 are equal to the open loop gain of the amplifier A 10 of the integrating
すなわち、積分回路1101は、積分容量部の容量値がC1に設定された場合の積分回路10において抵抗器R111の抵抗値に応じた電流が流入するものと同等である。積分回路1102は、積分容量部の容量値がC2に設定された場合の積分回路10において抵抗器R112の抵抗値に応じた電流が流入するものと同等である。積分回路1103は、積分容量部の容量値がC3に設定された場合の積分回路10において抵抗器R113の抵抗値に応じた電流が流入するものと同等である。
In other words, the integration circuit 110 1 is equivalent to a circuit in which a current corresponding to the resistance value of the resistor R 111 flows in the
このような関係が積分回路1101〜1103と積分回路10との間にあることから、積分回路10のアンプA10のオープンループゲインが理想的な無限大ではなく有限の値であることにより近似式((2)式)の関係が崩れたとしても、保持回路51による電圧値サンプリングのタイミングが調整されるので、フォトダイオードPDへの入射光量が高精度に求められ得る。
Since such a relationship exists between the integrating circuits 110 1 to 110 3 and the integrating
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、保持回路50などで生じるスイッチングノイズが抑圧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
また、図8に示されるように、保持回路50として4個の保持回路511,521,512,522が設けられてもよい。図8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8中の4個の保持回路511,521,512,522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. 8, four holding
保持回路511,512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521,522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511,521と第2の組の保持回路512,522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
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511,521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512,522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512,522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511,521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
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511,521と第2の組の保持回路512,522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
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521,522は設けられなくてもよい。
Incidentally, in the
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。
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〜D0)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〜D0)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
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
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τ2,τ3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
以上までに説明した構成では、複数の読出し部41〜4Nが設けられる場合に、各読出し部4n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4n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9または図10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
図9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. 9 is a diagram illustrating a detailed configuration of a
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,容量部C71,容量部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部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部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
容量部C71および容量部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、容量部C71および容量部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 part C 71 and the capacitive part 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
保持回路51,52それぞれに含まれる容量部C50の容量値をCHとし、増幅回路70に含まれる容量部C71および容量部C72それぞれの容量値をCAとする。容量値CAは可変である。容量値CHと容量値CA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CA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 capacitance unit C 50 included in each of the holding
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に含まれる容量部C71および容量部C72それぞれの容量値CAを、比(Cset/Cfinal)の定数倍の値(例えば(Cset/Cfinal)CH)とする。
Therefore, when the saturation signal is output from the
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
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、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
図10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130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9で説明した構成と略同様の構成を有するが、容量部C71および容量部C72それぞれの容量値CAが一定であってよい。
FIG. 10 is a diagram showing a detailed configuration of a
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130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
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130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C1,C2,C3の間に「24C1=22C2=C3」なる関係があるとし、所定容量値CsetをC1とし、また、デジタル値処理部130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130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 power of 2, the digital
このとき、デジタル値処理部130は以下のような処理をする。図11は、デジタル値処理部130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C1である場合を示し、同図(b)は、該容量値CfinalがC2である場合を示し、また、同図(c)は、該容量値CfinalがC3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
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C1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C2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C3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
このようにしてデジタル値処理部130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130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
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、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130の動作、を所定のタイミングで制御する。
Note that it is preferable that the
これまでに説明した本実施形態に係る光検出装置は、積分回路10の積分容量部C10の容量値が可変であって、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、電荷蓄積動作開始時より以降に積分容量部C10の容量値を変更するものであった。しかし、本発明は、電荷蓄積動作開始時より以降に積分容量部C10の容量値を変更しない場合にも適用することができ、また、積分回路10の積分容量部C10の容量値が可変でなく固定である場合にも適用することができ、何れの場合にもフォトダイオードPDへの入射光量を高精度に求めることができる。
Light detection apparatus according to the present embodiment described so far, a capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating
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、41〜4N…読出し部、10…積分回路(第1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…電圧源、110…積分回路(第2積分回路)、120…タイミング指示信号生成回路、130…デジタル値処理部。
1, 1A, 1B, 1C ... photodetector, 2 ... photodiode array, 3 ...
Claims (15)
第1アンプ,第1積分容量部および第1スイッチを含み、前記第1アンプの入力端と出力端との間に前記第1積分容量部および前記第1スイッチが並列的に設けられ、前記第1アンプの入力端が前記フォトダイオードに接続され、前記第1スイッチが閉状態である初期化期間に前記第1積分容量部を放電させ、前記第1スイッチが閉状態から開状態に転じる電荷蓄積動作開始時より以降、前記フォトダイオードから出力された電荷を前記第1積分容量部に蓄積して、前記第1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第1積分回路と、
前記電荷蓄積動作開始時より以降に一定の電圧値を出力する電圧源と、
第2アンプ,第2積分容量部,第2スイッチおよび抵抗器を含み、前記第2アンプの入力端と出力端との間に前記第2積分容量部および前記第2スイッチが並列的に設けられ、前記第2アンプの入力端が前記抵抗器を介して前記電圧源の出力端に接続され、前記第2アンプのオープンループゲインが前記第1アンプのオープンループゲインと等しく、前記第2積分容量部の容量値が前記第1積分容量部の容量値と等しく、前記電荷蓄積動作開始時に前記第2スイッチが閉状態から開状態に転じて、前記電荷蓄積動作開始時より以降に前記電圧源から出力される電圧値を積分した値を表す電圧値を出力する第2積分回路と、
前記第2積分回路から出力される電圧値と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タイミングを表すタイミング指示信号を出力するタイミング指示信号生成回路と、
前記タイミング指示信号生成回路から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、前記第1積分回路から出力される電圧値をサンプリングして保持し出力する保持回路と、
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,
A first amplifier, a first integration capacitor unit, and a first switch, wherein the first integration capacitor unit and the first switch are provided in parallel between an input terminal and an output terminal of the first amplifier; Charge storage in which an input terminal of one amplifier is connected to the photodiode, discharges the first integration capacitor unit during an initialization period in which the first switch is closed, and the first switch changes from a closed state to an open state From the start of the operation, a charge output from the photodiode is accumulated in the first integration capacitor, and a voltage value corresponding to the amount of charge accumulated in the first integration capacitor and the capacitance value is output. One integration circuit,
A voltage source that outputs a constant voltage value after the start of the charge accumulation operation;
A second amplifier, a second integrating capacitor, a second switch, and a resistor, wherein the second integrating capacitor and the second switch are provided in parallel between an input terminal and an output terminal of the second amplifier; The input terminal of the second amplifier is connected to the output terminal of the voltage source via the resistor, the open loop gain of the second amplifier is equal to the open loop gain of the first amplifier, and the second integration capacitor And the second switch is changed from a closed state to an open state at the start of the charge storage operation, and from the voltage source after the charge storage operation starts. A second integration circuit that outputs a voltage value representing a value obtained by integrating the output voltage value;
A timing instruction signal generation circuit that compares a voltage value output from the second integration circuit with a reference value and outputs a timing instruction signal indicating a timing at which the voltage value reaches the reference value;
A holding circuit that samples and holds the voltage value output from the first integration circuit at a timing represented by the timing instruction signal output from the timing instruction signal generation circuit; and
A signal processing apparatus comprising:
前記第2積分回路としてM個の積分回路S1〜SMを備え、各積分回路S m が前記第2積分回路と同じ構成を有し、各積分回路Smの前記第2積分容量部が容量値Cmを有し、各積分回路S m の前記抵抗器が抵抗値R m を有し、前記M個の積分回路S1〜SMの間で抵抗値R m と容量値Cmとの積が互いに等しく、
前記タイミング指示信号生成回路としてM個の生成回路T1〜TMを備え、各生成回路Tmが積分回路Smから出力される電圧値と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タイミングを表すタイミング指示信号を出力し、
前記保持回路が、前記第1積分容量部の設定された容量値Cmに対応する生成回路Tmから出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、前記第1積分回路から出力される電圧値をサンプリングして保持し出力する、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置(ただし、Mは2以上の整数、mは1以上M以下の整数)。 The first integration capacitor is selectively set to have any one of M capacitance values C 1 to C M ;
Comprises M integrating circuits S 1 to S M as said second integrator circuit, each integrating circuit S m has the same configuration as the second integration circuit, said second integral capacitance part of each integrating circuit S m has a capacity value C m, the resistor has a resistance value R m of each integrating circuit S m, the resistance value R m between the M integrating circuits S 1 to S M and the capacitance value C m Are equal to each other,
As the timing instruction signal generation circuit, M generation circuits T 1 to T M are provided, and each generation circuit T m compares the voltage value output from the integration circuit S m with a reference value to determine the voltage value. Output a timing instruction signal indicating the timing of reaching the reference value,
The holding circuit outputs a voltage value output from the first integration circuit at a timing indicated by a timing instruction signal output from the generation circuit T m corresponding to the set capacitance value C m of the first integration capacitance unit. Sampling, holding and outputting,
2. The signal processing apparatus according to claim 1, wherein M is an integer of 2 or more and m is an integer of 1 or more and M or less.
前記第1積分回路における電荷蓄積動作開始時に前記第1積分容量部の容量値を最小値に設定しておき、前記第1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、前記第1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第1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、
を更に備えることを特徴とする請求項2に記載の信号処理装置。 The voltage value output from the first 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 is provided. A comparator circuit to output,
When the charge accumulation operation in the first integration circuit is started, the capacitance value of the first integration capacitor is set to a minimum value, and a saturation signal is output from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the first integration circuit. A capacitance value control unit that sets the capacitance value of the first integration capacitor unit to a larger value as the time from the start of the charge accumulation operation in the first integration circuit to the output of the saturation signal in the comparison circuit is shorter. ,
The signal processing apparatus according to claim 2, further comprising:
前記第1積分容量部の各容量値、前記第1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、前記第1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、前記第1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、
前記第1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第1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4に記載の信号処理装置。 The capacitance value control unit is
Each capacitance value of the first integration capacitor unit, a saturated output voltage value of the first integration circuit, a reference value input to the comparison circuit, and a charge accumulation operation in the first integration circuit from the start of the charge accumulation operation in the holding circuit Based on the time until the voltage value sampling operation, the period from the start of the charge accumulation operation in the first integration circuit to 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 first integration circuit, which partial period of the plurality of partial periods the saturation signal output time of the comparison circuit belongs to And changing and setting the capacitance value of the first integral capacitance unit accordingly.
The signal processing apparatus according to claim 4.
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第1積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、前記第1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、
を更に備えることを特徴とする請求項3〜6の何れか1項に記載の信号処理装置。 Except when the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the first integration capacitor unit based on the saturation signal output from the comparison circuit, the first integration capacitor of the first integration circuit A charge injection circuit for injecting into the first integration capacitor part a certain amount of charge having a polarity opposite to that of the charge accumulated in the part;
The voltage value output from the first integration circuit, except when the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the first integration capacitance unit based on the saturation signal output from the comparison circuit. A counting circuit that counts the number of times the reference value is reached;
The signal processing apparatus according to claim 3, further comprising:
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3〜7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 claim 3, further comprising:
前記容量値制御部が、前記第1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、前記第1積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として前記第1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第1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3〜7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 capacitance value control unit outputs a saturation signal from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the first integration circuit, a predetermined capacitance value C of the variable range of the capacitance value of the first integration capacitance unit is obtained. Set the capacitance value of the first integral capacitor with set as the upper limit,
The amplifying circuit amplifies a value that is a constant multiple of a ratio (C final / C set ) between the capacitance value C final of the first integration capacitor unit and the predetermined capacitance value C set during the voltage value sampling operation in the holding circuit. Amplifies and outputs the input voltage value as a rate,
The signal processing device according to claim 3, wherein the signal processing device is a signal processing device.
前記容量値制御部が、前記第1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、前記第1積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Csetを上限として前記第1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第1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3〜7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 capacitance value control unit outputs a saturation signal from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the first integration circuit, a predetermined capacitance value C of the variable range of the capacitance value of the first integration capacitance unit is obtained. Set the capacitance value of the first integral capacitor with set as the upper limit,
The digital value processing unit is a constant multiple of a ratio (C final / C set ) of the capacitance value C final of the first integration capacitor unit and the predetermined capacitance value C set during the voltage value sampling operation in the holding circuit. Is multiplied by the input digital value, and the digital value obtained by the multiplication is output.
The signal processing device according to claim 3, wherein the signal processing device is a signal processing device.
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8〜10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 8, wherein the signal processing device is a signal processing device.
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11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 11.
前記第1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、前記第1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8,9および11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 first integration circuit is alternately held in the first holding circuit and the second holding circuit, and the processing by the first integration circuit, the comparison circuit, and the capacitance value control unit, In parallel with the processing by the AD conversion circuit,
The signal processing device according to claim 8, wherein the signal processing device is a signal processing device.
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1〜14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 device according to any one of claims 1 to 14, 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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