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 Patent Document 1 is known. The photodetector described in this document also 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

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C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C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).

Figure 0005542504
Figure 0005542504

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.

Figure 0005542504
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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 C/(C+C)との比の大きさによっては、C/(C+C) 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C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C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C〜C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S〜Sを備え、各積分回路S が第2積分回路と同じ構成を有し、各積分回路Sの第2積分容量部が容量値Cを有し、各積分回路S の抵抗器が抵抗値R を有し、M個の積分回路S〜Sの間で抵抗値R と容量値C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T〜Tを備え、各生成回路Tが積分回路S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Cに対応する生成回路T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 M integrating circuits S 1 to S M are equal to each other, (3) M generation circuits T 1 to T M are provided as timing instruction signal generation circuits, and each generation circuit T m compares the voltage value output from the integration circuit S m with the reference value to determine the voltage value. and it outputs a timing indication signal representative of the timing reaches the reference value, (4) holding circuit, to correspond to the set capacitance value C m of the first integrating capacitor unit At the timing indicated by the output timing instruction signal from the generating circuit T m, it is preferable to retain outputs by sampling the voltage value output from the first integrating circuit. However, M is an integer of 2 or more, and m is an integer of 1 or more and M or less.

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C〜C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Cに対応して、第2積分回路としての積分回路S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Tが設けられている。各積分回路Sの第2積分容量部は容量値Cを有する。M個の積分回路S〜Sの間で抵抗器の抵抗値と容量値Cとの積は互いに等しい。また、M個の積分回路S〜S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C〜C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.

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. 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. 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130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 130 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PD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. The cathode terminals of the photodiodes PD n reference potential V ref0 is inputted. Each photodiode PD n is outputted from the generated charges corresponding to the amount of incident light anode terminal. 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,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 amplifier circuit 70, an AD conversion circuit 80, a reference value generation circuit 90, a voltage source 100, an integration circuit (second integration circuit) 110, and a timing instruction signal generation Circuit 120 is included. 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. Further, 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(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4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。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 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 integrating circuit 10 included in each reading unit 4 n includes an amplifier, an integrating capacitor unit, and a switch, accumulates the charge output from the corresponding photodiode PD n in the integrating capacitor unit, and stores the accumulated charge amount and the capacitance value. Is output to the comparison circuit 20 and the holding circuit 50. The capacitance value of the integration capacitor is set variably.

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 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. The timing of sampling the voltage value is instructed by a timing instruction signal output from the timing instruction signal generation circuit 120.

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 value control unit 40 controls the capacitance value of the integration capacitor unit of the integration circuit 10. Specifically, the capacitance value control section 40 is set to the minimum value the capacitance value of the integral capacitance part C 10 during the charge accumulation operation starts in the integration circuit 10. 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。 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.

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 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.

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 voltage source 100 outputs a constant voltage value to the integrating circuit 110 from the start of the charge accumulation operation in the integrating circuit 10 until the timing indicating signal is output from the timing indicating signal generation circuit 120. The voltage value output from the voltage source 100 is preferably set by a digital code input from the outside.

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 voltage source 100 after the charge storage operation in the integration circuit 10 is started. Output to the signal generation circuit 120. The open loop gain of the amplifier of the integration circuit 110 is equal to the open loop gain of the amplifier of the integration circuit 10. Further, the capacitance value of the integration capacitor unit of the integration circuit 110 is equal to the capacitance value of the integration capacitor unit of the integration circuit 10.

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 signal generation circuit 120 compares the voltage value output from the integration circuit 110 with a reference value, and outputs a timing instruction signal indicating the timing at which the voltage value reaches the reference value to the holding circuit 50.

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 photodetecting device 1 according to the present embodiment. FIG. 2 shows a set of photodiodes PD and a reading unit 4, and also shows an amplifier circuit 70, an AD conversion circuit 80, and a reference value generation circuit 90. Here, it is assumed that two holding circuits 51 and 52 are provided as the holding circuit 50. FIG. 3 shows a voltage source 100, an integration circuit 110, and a timing instruction signal generation circuit 120.

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C,CおよびCの何れかに設定されるものとする。 As shown in FIG. 2, 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 connected to the reference potential V ref0. 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. In the integration circuit 10, during the initialization period in which the switch SW 10 is closed, the integration capacitor unit C 10 is discharged, and a reset level voltage value is output. On the other hand, the integrating circuit 10, later than the charge accumulation start switch SW 10 turns from the closed state to the open state, to accumulate charges output from the photodiode PD in the integrating capacitor unit C 10, the integral capacitance part A voltage value V 10 corresponding to the amount of charge accumulated in C 10 and the capacitance value is output. In the following, the capacitance value of the integral capacitance part C 10 shall be set to any one of C 1, C 2 and C 3.

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 charge injection circuit 30 includes switches SW 31 to SW 34 and a capacitor unit C 30 . The switch SW 31 , the capacitor unit 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 capacitor C 30 is connected to the reference potential V ref0 via the switch SW 33 . A connection point between the switch SW 32 and the capacitor C 30 is connected to the reference potential V ref0 through 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 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 capacitor unit C 50 . The switch SW 51 , the capacitor unit 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 capacitor C 50 is connected to the reference potential V ref0 through the switch SW 53 . A connection point between the switch SW 52 and the capacitor C 50 is connected to the reference potential V ref0 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 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 capacitor unit C 50 immediately before that. When the switches SW 52 and SW 53 are closed, the voltage value held in the capacitor unit 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。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 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. The timing of sampling the voltage value by the holding circuit 51 is instructed by a timing instruction signal output from the timing instruction signal generation circuit 120. 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 .

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 voltage source 100 includes a reference power source 101, a voltage value setting unit 102, an amplifier A 100 , a capacitor unit C 100 , a capacitor unit C 101, and switches SW 100 to SW 104 . The voltage source 100 outputs a constant voltage value to the integration circuit 110 after the start of the charge accumulation operation in the integration circuit 10 (that is, when the switch SW 10 changes from the closed state to the open state).

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 reference power supply 101 is a power supply that outputs a constant voltage, and preferably comprises a band gap circuit that can output a constant voltage stably against power supply voltage fluctuations and temperature fluctuations. Between the reference power supply 101 and the inverting input terminal of the amplifier A 100 , a switch SW 101 , a capacitor unit C 101 and a switch SW 102 are provided in this order. A connection point between the switch SW 101 and the capacitor C 101 is connected to the reference potential V ref0 through the switch SW 103 . A connection point between the capacitor C 101 and the switch SW 102 is connected to the reference potential V ref0 via the switch SW 104 . The non-inverting input terminal of the amplifier A 100 is connected to the reference potential V ref0. A capacitor C 100 and a switch SW 100 are provided in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the amplifier A 100 . The voltage value setting unit 102 inputs a digital code indicating the voltage value to be output from the voltage source 100 from the outside, and performs the opening / closing operation of the switches SW 101 to SW 104 as many times as the value represented by the digital code. .

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 voltage source 100, by the switch SW 100 is closed, capacitor portion C 100 is discharged, the output voltage value is initialized to V ref0. While the switch SW 100 is open, the switches SW 101 and SW 104 are closed and the switches SW 102 and SW 103 are open, and then the switches SW 101 and SW 104 are open and the switches SW 102 and SW 103 are open. By switching to the closed state, an amount of electric charge (hereinafter referred to as “unit amount electric charge”) corresponding to the product of the output voltage value of the reference power supply 101 and the capacitance value of the capacitor C 101 is accumulated in the capacitor C 100 . Is done.

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 voltage source 100 after the start of the charge accumulation operation in the integration circuit 10 is a value corresponding to the product of the unit amount charge and the number of accumulations.

積分回路(第2積分回路)110として、3個の積分回路110〜110が設けられる。積分回路110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 voltage source 100 via the resistor R 111 . The non-inverting input terminal of the amplifier A 111 is connected to the reference potential V ref0 .

積分回路110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110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 circuit 10 to the charge accumulation operation starts to turn from a closed state to an open state, the switch SW 111 turns from the closed state to an open state. Then, the integrating circuit 110 1 outputs a voltage value that represents the integrated value of the voltage output from the voltage source 100 since from the start of charge accumulation operations.

積分回路110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110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110,110それぞれの構成および動作は、積分回路110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110の積分容量部C111の容量値はCであり、積分回路110の積分容量部C112の容量値はCであり、積分回路110の積分容量部C113の容量値はCである。これら容量値C〜C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110の抵抗器R111の抵抗値と積分容量部C111の容量値Cとの積、積分回路110の抵抗器R112の抵抗値と積分容量部C112の容量値Cとの積、および、積分回路110の抵抗器R113の抵抗値と積分容量部C113の容量値C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 integration circuit 10. These amplifiers A 111 , A 112 , A 113 and A 10 preferably have a common configuration. The capacitance value of the integration capacitor unit C 111 of the integration circuit 110 1 is C 1 , the capacitance value of the integration capacitor unit C 112 of the integration circuit 110 2 is C 2 , and the capacitance value of the integration capacitor unit C 113 of the integration circuit 110 3. value is C 3. These capacitance values C 1 to C 3 are values that can be set as the capacitance value of the integration capacitor unit C 10 of the integration circuit 10. 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.

タイミング指示信号生成回路120として、3個の生成回路120〜120が設けられる。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120は、積分回路110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120は、積分回路110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 signal generation circuit 120, three generation circuits 120 1 to 120 3 are provided. Generating circuit 120 1, the voltage value and the reference value V ref3 output from the integrating circuit 110 1 and compares outputs a timing indication signal indicating the timing at which the voltage value has reached the reference value V ref3. Generating circuit 120 2, the voltage value and the reference value V ref3 output from the integrating circuit 110 2 and compares outputs a timing indication signal indicating the timing at which the voltage value has reached the reference value V ref3. Also, generating circuit 120 3, the voltage value and the reference value V ref3 output from the integrating circuit 110 3 and compares outputs a timing indication signal indicating the timing at which the voltage value has reached the reference value V ref3 .

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Cに対応する生成回路120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 circuit 51 is a voltage value output from the integrating circuit 10 at a timing indicated by the timing instruction signal output from the generating circuit 120 m corresponding to the set capacitance value C m of the integrating capacitor unit C 10 of the integrating circuit 10. Is sampled, held and output.

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120〜120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 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 circuit 51 and 52, AD conversion operation in the AD converter circuit 80, a voltage source The opening / closing operation of the 100 switch SW 100 and the opening / closing operation of the switches SW 111 to SW 113 of the generation circuits 120 1 to 120 3 as the timing instruction signal generation circuit 120 are 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4,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 photodetecting device 1 according to this embodiment will be described. FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the photodetecting device 1 according to this embodiment. Here, the operations of the reading unit 4 n , the amplifier circuit 70, and the AD conversion circuit 80 will be described, and the operations of the integrating circuit 110, the timing instruction signal generation circuit 120, and the digital value processing unit 130 will be described later. However, 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 capacitance value of the integral capacitance part C 10 over a period of charge accumulation operations in the integrating circuit 10 Suppose that it is constant.

時刻tから時刻t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。 During the initialization period from time t 0 to time t 1 , the switch SW 10 of the integration circuit 10 is closed, the integration capacitor C 10 is discharged, and the voltage value V 10 output from the integration circuit 10 is at 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、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 integration circuit 10 is opened and the charge accumulation operation is started. Thereafter, the charge generated in the photodiode PD is accumulated in the integration capacitor unit C 10, and the accumulated charge A voltage value V 10 corresponding to the amount 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 integration circuit 10 reaches the reference value V ref2 , and until that time charge amount Q 30 that has been accumulated in the capacitance section C 30 of the charge injection circuit 30 into equal (= C 30 · V inj) and to each other, the charges accumulated in the capacitor section 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から積分期間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。この積分期間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 from time t 1 when the charge accumulation operation in the integration circuit 10 is started to time t 7 (= t 1 + T) when the integration period T elapses. Time from the time t 6 to time t 7 is shorter than such as the time τ 12. During the integration period T, 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. 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 that has been sampled is sampled and 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 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 the reference potential V ref0 supplied. 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C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Cであり、容量部C11〜C13それぞれの容量値の和はCである。容量値C〜Cの間の大小関係は「C<C<C」である。 Integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 includes a switch SW 12, SW 13 and the capacitor unit C 11 -C 13. A capacitor unit C 11, a switch SW 12 and the capacitor section C 12 which are serially connected, the switch SW 13 and the capacitor section C 13 which are serially connected, an inverting input terminal of the amplifier A 10 and the output terminal Are provided in parallel. Capacitance of the capacitor section C 11 is C 1, the sum of the capacitance section C 11 and the capacitor unit C 12 each capacitance value is C 2, capacitor unit C 11 -C 13 is the sum of the capacitance value C 3 It is. The magnitude relationship between the capacitance values C 1 to C 3 is “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C〜C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C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C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Cに設定する。 Capacity value control unit 40, by controlling the switch SW 12, SW 13 of each opening and closing operation included in the integrating capacitor unit C 10, the capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 of C 1 -C 3 Set to one of these values. Capacity value control unit 40, by both the switch SW 12, SW 13 in the open state and sets the capacitance value of the integral capacitance part C 10 to C 1. Capacity value control unit 40, the switch SW 12 by the switch SW 13 are closed to the open state and sets the capacitance value of the integral capacitance part C 10 to C 2. The capacitance value control unit 40, both the switches SW 12, 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4中の時刻t)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4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4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。 The capacitance value control unit 40 opens both the switches SW 12 and SW 13 at the start of the charge accumulation operation in the integration circuit 10 (time t 1 in FIG. 4), so that the capacitance of the integration capacitance unit C 10 is opened. setting the value to the minimum value C 1. 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. 4). set to a large value the capacitance value of shorter integral capacitance part C 10 (time tau 12 from the time t 1 in FIG. 4 to time t 2) time until the saturation signal output at the comparator circuit 20 from.

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 6 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(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τ,τ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 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 (4). Here, m is 2 or 3.

Figure 0005542504
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Figure 0005542504
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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。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、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. 6B, 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. 4C, the capacitance value control unit 40, when the saturation signal output 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. 2 (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.

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C〜C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 light detection apparatus 1 according to the present embodiment can detect the amount of incident light in a short time with a large dynamic range, and can reduce power consumption. However, in the optical detection apparatus 1 according to the present embodiment, even if the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 is set with high accuracy in any of the capacitance C 1 -C 3 as designed, the amplifier A 10 since the open loop gain is finite value not an ideal infinite, collapses the relationship approximate expression the output value of the integrating circuit 10 is inversely proportional to the capacitance value of the integral capacitance part C 10 ((2) formula) In some cases, the amount of light incident on the photodiode PD cannot be obtained with high accuracy.

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t)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t)までの期間Tの長さを調整する。 Therefore, the photodetection device 1 according to the present embodiment further includes a voltage source 100, an integration circuit 110, and a timing instruction signal generation circuit 120, and thereby, when the charge accumulation operation starts in the integration circuit 10 (time in FIG. 4). The length of the period T from the time t 1 ) to the time of the voltage value sampling operation in the holding circuit 51 (time t 7 in FIG. 4) is adjusted.

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t,tは、図4中に示される時刻t,t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tに相当する。 FIG. 7 is a timing chart for explaining the operation of the photodetecting device 1 according to this embodiment. Here, operations of voltage source 100, integration circuit 110, timing instruction signal generation circuit 120, and holding circuit 51 will be described. The time t 0, t 1 shown in FIG. 7 is the same as the time t 0, t 1 shown in FIG. Further, any one of the times t 71 , t 72 , and t 73 shown in FIG. 7 corresponds to the time t 7 shown in FIG.

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t〜t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t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 voltage source 100, the initialization period t 0 ~t 1 switch SW 10 of the integrating circuit 10 is closed, a number of times corresponding to a value represented by a digital code that is input to the voltage value setting portion 102 capacity accumulation unit quantity charges to parts C 100 is performed. Then, the voltage value outputted from the voltage source 100 since from the charge accumulation operation starts t 1 is a constant value corresponding to the product of and the accumulation times the unit weight charge.

積分回路110〜110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t〜tでは閉状態であり、電荷蓄積動作開始時tより以降では開状態である。初期化期間t〜tに積分回路110〜110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tより以降に積分回路110〜110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 circuit 10, an initialization period t 0 ~t closed at 1, the charge accumulation operation starts t 1 later than Then it is open. The voltage value output from the integrating circuits 110 1 to 110 3 during the initialization period t 0 to t 1 is the reference potential V ref0 . The voltage value output from the integration circuits 110 1 to 110 3 after the charge accumulation operation start time t 1 has changed from the reference potential V ref0 and eventually reaches the reference potential V ref3 .

積分回路110の抵抗器R111の抵抗値と積分容量部C111の容量値Cとの積、積分回路110の抵抗器R112の抵抗値と積分容量部C112の容量値Cとの積、および、積分回路110の抵抗器R113の抵抗値と積分容量部C113の容量値Cとの積は、互いに等しい。したがって、積分回路110〜110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tより以降に積分回路110〜110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110〜110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tより以降に積分回路110〜110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tより以降に積分回路110〜110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Cに設定された場合には、積分回路110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120からタイミング指示信号が出力され、この生成回路120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Cに設定された場合には、積分回路110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120からタイミング指示信号が出力され、この生成回路120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Cに設定された場合には、積分回路110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120からタイミング指示信号が出力され、この生成回路120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 circuit 10 is set to the capacitance value C 1, the timing from the generating circuit 120 1 to the time t 71 to the voltage value output from the integrating circuit 110 1 reaches the reference voltage V ref3 instruction signal is outputted at the timing indicated by the timing indication signal output from the generating circuit 120 1, the voltage value output from the integrating circuit 10 is sampled by a hold circuit 51. When the capacitive element C 10 of the integrating circuit 10 is set to the capacitance value C 2 is generating circuit 120 2 from the timing instruction signal to the time t 72 to the voltage value output from the integrating circuit 110 2 reaches the reference voltage V ref3 There is output at the timing indicated by the timing indication signal output from the generating circuit 120 2, a voltage value output from the integrating circuit 10 is sampled by a hold circuit 51. Further, when the capacitive element C 10 of the integrating circuit 10 is set to the capacitance value C 3 is the timing from the generation circuit 120 3 to the time t 73 to the voltage value outputted from the integration circuit 110 3 reaches the reference voltage V ref3 instruction signal is outputted at the timing indicated by the timing indication signal output from the generating circuit 120 3, the voltage value output from the integrating circuit 10 is sampled by a hold circuit 51.

ここで、積分回路110〜110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110の積分容量部C111の容量値はCであり、積分回路110の積分容量部C112の容量値はCであり、積分回路110の積分容量部C113の容量値はCであって、これら容量値C〜C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 circuit 10. Further, the capacitance value of the integration capacitor unit C 111 of the integration circuit 110 1 is C 1 , the capacitance value of the integration capacitor unit C 112 of the integration circuit 110 2 is C 2 , and the integration capacitor unit C 113 of the integration circuit 110 3. The capacitance value C 3 is C 3 , and these capacitance values C 1 to C 3 are values that can be set as the capacitance value of the integration capacitor C 10 of the integration circuit 10.

すなわち、積分回路110は、積分容量部の容量値がC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110は、積分容量部の容量値がC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110は、積分容量部の容量値がC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 integration circuit 10 when the capacitance value of the integration capacitor unit is set to C 1 . Integrator circuit 110 2, a current corresponding to the resistance value of the resistor R 112 in the integrating circuit 10 when the capacitance value of the integral capacitance part is set to C 2 is equal to that flowing. Integrator circuit 110 3, a current corresponding to the resistance value of the resistor R 113 in the integrating circuit 10 when the capacitance value of the integral capacitance part is set to C 3 are equivalent to those flows.

このような関係が積分回路110〜110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 circuit 10, the open loop gain of the amplifier A 10 of the integrating circuit 10 is not ideal infinity but a finite value. Even if the relationship of the approximate expression (formula (2)) is broken, the timing of voltage value sampling by the holding circuit 51 is adjusted, so that the amount of light incident on the photodiode PD can be obtained with high accuracy.

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 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. Accordingly, the voltage value output from the amplifier circuit 70 represents a value after the switching noise generated in the holding circuit 50 or the like is suppressed. If such noise component removal is not necessary, the holding circuit 52 may not be provided.

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51,52,51,52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. 8, four holding circuits 51 1 as the holding circuit 50, 52 1, 51 2, 52 2 may be provided. FIG. 8 is a diagram showing a detailed configuration of a photodetecting device 1A according to another embodiment. Four holding circuits 51 1 in FIG. 8, 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 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. 9 or FIG. 10 is preferable.

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 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 amplifier circuit 70 includes a two-input two-output full differential amplifier A 70 , a capacitor unit C 71 , a capacitor unit 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. Capacitance section C 71 and the switch SW 71 which are connected in parallel to each other between the inverting input terminal and the non-inverting output terminal of the amplifier A 70 is provided. The non-inverting input terminal of the amplifier A 70 is connected to the output terminal of the holding circuit 52. Between the non-inverting input terminal and the inverting output terminal of the amplifier A 70 , a capacitor unit C 72 and a switch SW 72 connected in parallel with each other are provided. 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 amplifier circuit 70, when the switch SW 71 and the switch SW 72 are closed, each of the capacitor unit C 71 and the capacitor unit 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部C50の容量値をC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 capacitance unit C 50 included in each of the holding circuits 51 and 52 is C H, and the capacitance value of each of the capacitance unit C 71 and the capacitance unit 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に含まれる容量部C71および容量部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 capacitance unit C 71 and the capacitance unit 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、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 circuit 51 and 52, AD conversion operation in the AD converter circuit 80, the capacitance value The operation of the control unit 40 is controlled at a predetermined timing.

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Cが一定であってよい。 FIG. 10 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 amplifier circuit 70, an AD conversion circuit 80, and a digital value processing unit 130 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 substantially the same configuration as that described with reference to FIG. 9, but the capacitance values C A of the capacitance unit C 71 and the capacitance unit 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 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 130 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 value processing unit 130, 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 1 and the digital value input to the digital value processing unit 130 as 8-bit [D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 ], the output digital value from the digital value processing unit 130 Is 12 bits.

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 130 performs the following processing. FIG. 11 is a diagram for explaining the processing contents of the digital value processing unit 130. 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 indicates the case of 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 value processing unit 130 in this way, the digital value output from the digital value processing unit 130 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、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 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 circuit 51 and 52, AD conversion operation in the AD converter circuit 80, the capacitance value The operation of the control unit 40 and the operation of the digital value processing unit 130 are controlled at a predetermined timing.

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 circuit 10 is variable, the capacitance value of the integral capacitance part C 10 at the start charge accumulation operation of the integrating circuit 10 may be set to the minimum value, it was to change the capacitance value of the integral capacitance part C 10 since from the time of the charge accumulation operation starts. However, the present invention also can be applied to a case that does not change the capacitance value of the integral capacitance part C 10 since from the start of charge accumulation operation, also, the capacitance value of the integral capacitance part C 10 of the integrating circuit 10 is variable However, the present invention can be applied to the case where it is fixed, and in any case, the amount of light incident on the photodiode PD can be obtained with high accuracy.

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(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 ... signal processing device, 4 1 to 4 N ... reading unit, 10 ... integrating circuit (first integration circuit), 20 ... comparison circuit, 30 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Charge injection circuit, 40 ... Capacity value control part, 50-52 ... Holding circuit, 60 ... Count circuit, 70 ... Amplification circuit, 80 ... AD converter circuit, 90 ... Reference value generation circuit, 100 ... Voltage source, 110 ... Integration Circuit (second integration circuit), 120... Timing instruction signal generation circuit, 130... Digital value processing unit.

Claims (15)

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、
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1積分容量部がM個の容量値C〜C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、
前記第2積分回路としてM個の積分回路S〜Sを備え、各積分回路S が前記第2積分回路と同じ構成を有し、各積分回路Sの前記第2積分容量部が容量値Cを有し、各積分回路S の前記抵抗器が抵抗値R を有し、前記M個の積分回路S〜Sの間で抵抗値R と容量値C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T〜Tを備え、各生成回路Tが積分回路S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Cに対応する生成回路T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、前記比較回路における飽和信号出力時が前記第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たとき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3に記載の信号処理装置。 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 charge accumulation operation in the first integration circuit is performed when the saturation signal is output in the comparison circuit. The capacitance value of the first integration capacitor unit is changed and set according to which partial period when the period from the start to the voltage value sampling operation in the holding circuit is divided into a plurality of partial periods. The signal processing apparatus according to claim 3. 前記容量値制御部が、
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て前記第1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、ことを特徴とする請求項3〜5の何れか1項に記載の信号処理装置。 After the capacitance value control unit changes and sets the capacitance value of the first integration capacitor unit by outputting a saturation signal from the comparison circuit during the charge accumulation operation in the first integration circuit , the comparison circuit 6. The signal according to claim 3, wherein when a saturation signal is further output from the signal, the capacitance value of the first integration capacitor unit is changed to a larger value and set. Processing equipment. 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積分回路の前記第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前記第1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8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 8. 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.
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1〜14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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