JP6121148B2 - 改善された照射範囲を有する放射線検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁放射線（electromagnetic radiation）を検出するための装置に関するものである。

検出装置の分野において、一般的には、フォトデテクターは読み出し回路と結合される。フォトデテクターは、観測現場（observed scene）を示す信号を出力するように特定の範囲の電位にバイアスされ、この信号は、分析回路に信号を送信するために読み出し回路により処理される。

フォトデテクターをバイアスすることは、フォトデテクターの第１の端子に基板電位(substrate potential)を印加することと、フォトデテクターの第２の端子に基準電位（reference potential）を印加することとにより得ることができる。例えば、容量性伝送インピーダンスアンプタイプ（capacitive transimpedence amplifier）の読み出し回路は、基準電圧を印加することができる。

感知した（experienced）光の状態（condition）に依存して、フォトデテクターは、ある程度の電流をこの情報を集積する読み出し回路に与える。このようにして、フォトデテクターが低強度の放射線を受けた場合には、フォトデテクターは低強度の電気信号を放出し、放射線の強度が増加する場合には、同じフォトデテクターからの電気信号は同じように増加する。

検出装置に流れる電気信号は、初期電磁放射線（initial electromagnetic radiation）の強度の関数である場合、スプリアス信号及び得られた利用可能な信号対ノイズ比の大きさ（importance）を可能な限り小さくするために、検出装置を形成する様々な素子を同じサイズにすることは重要である。例えば、得られた受信可能な信号対ノイズ比は、読み出し回路のディメンションに関する賢明な選択を必要とし、特に、容量性ロードの値と、検出装置の様々な素子に印加される電力供給状態とに関してである。

検出回路は、期待された照射状態（illumination conditions）に基づいて設計され、及び／又は、バイアスされる。その結果、受信された電磁放射線が期待値よりも大きくなった場合には、フォトデテクターは検出装置の電気回路を飽和させる大きな信号を生成する。いくつかのフォトデテクターが受信した光束（luminous flux）を示す情報を供給することが依然として可能な場合には、検出装置は完全に又は部分的に混乱(dazzle)する。

改良された検出装置であって同時に使用が容易であるような検出装置に対しての要求があることが知られている。

以下を備える検出装置を提供することによりこの要求は満足される。

− ２つの端子が設けられたフォトデテクターと、
− フォトデテクターにより与えられた電流を、ロードを用いて第１の電気変数（a first electrical variable）に変換するように構成された制御回路と、
− フォトデテクターと制御回路とを含むピクセルであって、分析回路と接続するように設計された出力端子が設けられたピクセルと、
− 第１の動作状態（a first operating condition）においてフォトデテクターの複数の端子の間に第１の電位差を与えるように構成され、且つ、第２の動作状態においてフォトデテクターの複数の端子のうちの１つがフローティング電位になるように構成されたフォトデテクターのバイアス装置と、
− フォトデテクターが第１の動作モードにあるときは、制御回路をピクセルの出力端子とフォトデテクターとに接続し、フォトデテクターが第２の動作モードにあるときは、制御回路を遮断する（disconnecting）ように構成された接続回路と、
− フォトデテクターをピクセルの出力端子と接続し、且つ、フォトデテクターが第１の動作モードにあるときは遮断状態になるように構成され、フォトデテクターが第２の動作モードにあるときは導通状態となるように構成されたスイッチと、
− ロードに印加された電圧をしきい値に対して比較するように構成され、且つ、その比較に応じて第１の信号又は第２の信号を供給するように構成された比較器であって、接続回路とスイッチとに接続されている比較器と。

図１は、検出回路を概略的に示す。 図２は、図１の検出回路の特有の実施形態を概略的に示す。 図３は、図２の比較器の特有の実施形態を概略的に示す。 図４ａから図４ｆは、検出回路におけるそれぞれ異なる電圧のクロノグラムを概略的に示す。

他の利点及び特徴は、本発明の特有の実施形態についての下記の説明により、さらに明らかにされる。本発明の特有の実施形態は、単なる例示であって、本発明を限定するものではない。本発明の特有の実施形態は、添付の図面により示される。

図１に示されるように、検出装置は少なくとも１つのピクセルを備え、好ましくはマトリックス状に配置することができる複数のピクセルを備える。ピクセルは、少なくとも１つのフォトデテクター１を備える。従って、検出装置はフォトデテクター１を有し、好ましくは、例えばマトリックス状に配置された複数のフォトデテクターを有する。

フォトデテクター１は構成（organization）における第１の軸Ｘに沿って配置することができ、すなわち、フォトデテクター１は、第１の軸Ｘに従った列又は行を形成する。フォトデテクター１は、反復されるピッチを持ってＸ軸に沿って並んでおり、有利には、一定の反復ピッチを持つ。

フォトデテクター１は、第１の端子と第２の端子とを備える。フォトデテクターは、観測現場についての情報を分析回路に供給するためにバイアスされる。

装置は、第１及び第２の動作モードの間にフォトデテクター１をスイッチするスイッチ回路を備える。スイッチ回路は、フォトデテクター１を第１の動作モードに、もしくは、第１の動作モードとは異なる第２の動作モードにするように構成されている。

フォトデテクター１のバイアスは、フォトデテクター１の各端子に接続することができるバイアス装置を用いて実現することができる。フォトデテクター１のバイアス装置は、第１の動作モードにおいては、フォトデテクター１の複数の端子の間に第１の電位差を与えるように構成される。第１の動作モードにおいては、第１の電位差は、フォトデテクター１の複数の端子の間に与えられ、これは、基板電位Ｖ_{ＳＵＢＰＶ}と基準電位Ｖ_ＲＥＦとである。有利には、フォトデテクター１は、受信した電磁放射線の束を電荷キャリアの流れにリニアに変換する変換を得るようにバイアスされる。フォトデテクターがフォトダイオードであるという特有の場合においては、好ましくは、フォトダイオードは電流がほぼ一定となるように逆バイアスされる。

第１の動作モードにおいては、フォトデテクターは、その第１の端子と第２の端子との間に与えられた第１の電位差を用いてバイアスされる。第１の端子は、バイアス電圧Ｖ_{ＳＵＢＰＶ}（基板電位とも呼ばれる）を与える第１の電圧源に電気的に接続される。第２の端子は、制御回路３の入力端子と電気的に接続される。本実施形態によれば、制御回路３は、フォトデテクターから出力された電流を第１の電気変数に変換するように、及び／又は、基準電位Ｖ_ＲＥＦをフォトデテクター１に接続された制御回路の入力端子に印加するように構成される。このようにして、制御回路３は、フォトデテクター１の複数の端子の間に第１の電位差を与えることにかかわり、よって第１の動作モードを確立する。基準電圧ＶＲＥＦは、有利には、フォトデテクター１を受信した電磁放射線の束を電流にリニアに変換するようなモードで動作させるように、選択される。制御回路３は、電流信号から他の電気信号への変換回路として機能し、好ましくはリニアに変換する変換回路として機能する。

第２の端子にバイアスすることは、制御回路３、及び／又は、他の回路（不図示）により行うことができる。示された例においては、フォトデテクター１は電圧源２と制御回路３とを用いてバイアスされる。

特有の実施形態においては、フォトデテクター１から出力される情報の集積は、集積容量（integration capacitor ）を備える制御回路３を用いて行われる。他の実施形態においては、情報の集積及び／又は格納は、装置の出力に接続することができる補助回路（不図示）の中で行われる。更なる他の実施形態においては、情報の集積は、フォトデテクターがフォトダイオードである場合には、フォトデテクターの寄生容量の中で行われる。この場合、制御回路３は、フォトダイオードがソースフォロワ検出器（a Source Follower per Detector ）(ＳＦＤ）として動作するようにフォトダイオードのバイアスが行われ、電流の変換及び集積はフォトダイオード１の中で直接行われる。

特有の実施形態においては、フォトデテクター１は半導体材料から形成された基板の上に形成され、バイアス電圧Ｖ_{ＳＵＢＰＶ}は電圧源２に接続されたバイアスラインを介して半導体基板に印加される。バイアスラインは導電性材料から形成されたラインであり、例えば、基板の表面を走る金属ラインである。他の実施形態においては、バイアスラインは、基板のドーピング領域であり、この領域は、バイアスラインに沿った電位の急低下を少なくするように、基板の他の領域よりも高くドーピングされている。好ましくは、バイアスラインは基板と同じタイプの導電性のドーピング領域である。基板は第１の導電性タイプであり、例えばＰ型である。Ｎ型にすることも可能である。

有利には、複数のフォトデテクター１は複数のフォトダイオードであり、バイアス電圧Ｖ_{ＳＵＢＰＶ}と制御回路３により与えられる基準電圧Ｖ_ＲＥＦとの間に逆バイアスされる。しかしながら、観測現場を示す電気信号を得るために、フォトデテクター１の複数の端子の間の電位差を調節することにより、量子井戸フォトデテクター（quantum well photodetector ）、又は、マルチプル量子井戸フォトデテクター(multiple quantum well photodetector)（ＱＷＩＰ）を用いることが可能である。

ピクセルはフォトデテクター１を備え、制御回路３と結合される。ピクセルは、分析回路の出力端子８を介して分析回路４と接続される。フォトデテクターから出された情報を分析回路４に与えることを可能とするように、制御回路３は分析回路４と接続される。有利には、分析回路４は、複数のピクセルと接続され、すなわち、例えばフォトデテクターのマトリックスの行または列といった複数のフォトデテクターのマトリックスに接続される。

制御回路３は有利には容量性ロード（capacitive load）５を備え、容量性ロードは、フォトデテクター１から出された電荷を受け、集積回路を形成するように構成されている。容量性ロード５は、フォトデテクター１から与えられた電流を用いることにより帯電する。制御回路３の異なる構成も可能であり、例えば、制御回路３は、直接注入回路（direct injection circuit）、バッファ直接注入回路（buffered direct injection circuit）、又は、容量性伝送インピーダンスアンプ回路となることができる。容量性ロード５は、少なくとも１つの集積容量Ｃ_ＩＮＴを備える。フォトデテクターから出された電流は電圧に変換され、好ましくは、集積電流に比例した電圧に変換される。

他の実施形態においては、容量性ロード５は、抵抗又は他の要素に置きかえられる。

フォトデテクター１の２つの端子に印加された基板電位Ｖ_{ＳＵＢＰＶ}と基準電位Ｖ_ＲＥＦとを用いて、フォトデテクターは、受信した電磁放射線の束をそれを示す電流に変換する第１の動作モードで動作する。制御回路３が容量性ロード５を備えるような図示された特有の場合においては、情報を示す電流は容量性ロード５に集積される。フォトデテクター１は観測現場を示す電流信号を供給する。この電流は容量性ロード５を用いて電圧に変換される。この電圧又はこの電圧の示す値は、電圧を分析回路４に伝えるようにピクセルの出力端子８に現れる。

制御回路３の出力電圧は、集積容量Ｃ_ＩＮＴの中に集められた電荷を示し、よって、あらかじめ定められた時間においてフォトデテクター１により供給された電流の中の情報を示す。

フォトデテクター１のスイッチ回路は、第２の動作モードにおいてフォトデテクター１の複数の端子の１つがフローティング電位となるように構成されている。第２の動作モードにおいては、電位は複数の端子のうちの１つに印加され、他のものはフローティング電位に維持される。このフローティング電位の最終的な値は、観測現場を特徴づけるために用いられる。有利には、基板電位Ｖ_{ＳＵＢＰＶ}は、他の端子の電位の測定を容易にするように第１の動作モードにおいて印加される。フローティング電位又はこのフローティング電位を示す値は、ピクセルの出力端子８に伝えることができる。フォトデテクターが開回路状態で動作する場合には、すなわち、複数の端子のうちの１つがバイアスされていない場合には、この端子の電位は、受信した光束を示すものである。この情報の変換はリニアではなく、しかしながら、変換領域に伸びる対数となる。

フォトダイオードの開回路電圧Ｖ_ＣＯは、以下の式を用いて変換することができる。

Ｉ_φはフォトダイオードにより光生成された（photogenerated）電流を示す。
Ｉ_ＳＡＴはフォトダイオードの飽和電流を示す。
Ｔはフォトダイオードのケルビン温度を示す。
κはボルツマン定数を示す。
ｑはクーロン単位で示される電荷量を示す。
ｎは、フォトダイオードの理想係数を示す。

第１の動作モードと第２の動作モードとの間でのスイッチングを確立するために、スイッチ回路は、フォトデテクター１の出力端子８に制御回路を接続し／遮断するように構成された接続回路を備える。

接続回路は、フォトデテクター１が第１の動作モードにある場合にはフォトデテクター１の出力端子８に制御回路３を接続するように構成され、フォトデテクター１が第２の動作モードにある場合には制御回路３を遮断するように構成される。有利には、制御回路３を接続／遮断するように構成された接続回路は、ピクセルの出力端子８に制御回路３を接続／遮断するように構成することができる。

スイッチ回路はスイッチ９も備え、スイッチはピクセルの出力端子８にフォトデテクター１を接続する。スイッチ９は、フォトデテクター１が第１の動作モードにある場合には遮断状態（blocking state）になるように構成され、フォトデテクター１が第２の動作モードにある場合には導通状態(passing state)になるように構成される。

スイッチ９と制御回路３を接続／遮断するように構成された接続回路とは、好ましくは、フォトデテクター１が出す情報を出力端子８に達するようにそれぞれ２つの別の経路を通過させることができるように互いに相反する状態になるように構成される。第１の場合には、フォトデテクター１が出した電流は制御回路３に達し、容量性ロード５の中に集積することができる。容量性ロード５に集積された情報は出力端子８に伝達される。この電位の値又はこの電位により与えられる値は出力端子８に送られる。

第２の動作モードにおいては、光発電機（photovoltaic generator）として動作する。この動作モードにおいては、観測現場を示す電流の移動は、測定装置内部に限定される。フォトデテクター１により受信された光束に応じて、フォトデテクターの複数の端子の間の電圧の増加と、次いでフローティング端子の電位の変化とが生じる。

ここでは、特有の実施形態においては、バイアス電圧Ｖ_{ＳＵＢＰＶ}は常にフォトデテクター１に印加され、第２の端子はフローティング電位にある。この場合には、放出された電荷は部分的にフォトデテクター内にブロックされ、第２の端子の電位の値は観測現場を特徴づけるために用いられる。第２の端子の電圧は、受信した光強度に従って変化する。他の実施形態においては、第２の動作モードにおいて、第１の端子と第２の端子との間の電圧差のレンジの管理おいてさらなる自由度を持たせるために、基板電位の値は、第１の動作モードと第２の動作モードとで異なる。

制御回路３を接続／遮断するように構成された接続回路はさまざまな方法で得ることができ、例えば、フォトデテクターと制御回路との間及び出力端子と制御回路との間に配置されたスイッチの対を用いることにより得ることができる。フォトデテクター１と出力端子８との間に接続又は遮断を形成するために、１つのスイッチは制御回路の入力端子に配置され、他のスイッチは制御回路３の出力端子に配置される。

第１のスイッチ６が導通状態にある場合には、フォトデテクター１により与えられた電流が第１のスイッチ６を通過し制御回路３に達するように、第１のスイッチ６はフォトデテクター１と制御回路３との間に配置される。

第２のスイッチが導通状態にある場合には、制御回路３により出された情報が第２のスイッチ７を通過してピクセルの出力端子８に到達するように、第２のスイッチ７は、制御回路３の出力端子に配置される。

コンパクトな形態を有する好ましい実施形態においては、第２のスイッチ７は、ピクセルの出力端子８と容量性ロード５の複数の端子の１つである制御回路３の出力端子との間を直接接続する。同様に、第１のスイッチ６は、フォトデテクター１と直接接続された端子と制御回路３に直接接続された他の端子とを有する。

この場合、スイッチ９は第３のスイッチ９として説明される。スイッチ９と、第１のスイッチ６により形成されるアセンブリと、制御回路３と、第２のスイッチ７とは、並列に接続される。

好ましい実施形態においては、第３のスイッチ９は、フォトデテクター１の端子と第１のスイッチ６の端子とを有する第１の電気ノードＡを定める。第３のスイッチ９は、ピクセルの出力端子８と第２のスイッチ７の端子とを有する第２の電気ノードＢを定める。

第３のスイッチ９は、第１のスイッチ６の状態と相反する状態に、有利には、第２のスイッチ７の状態とも相反する状態になるように構成される。第１及び第２のスイッチにおける反対の状態は、第１の動作モードの間に電荷のロスを生じることなく２つの動作モードの間をスイッチすることを可能にする。しかしながら、回路の構成に依存して、導通状態の２つのトランジスタを用いることも可能である。

従って、第３のスイッチ９が導通状態にある場合には、第１のスイッチ６及び第２のスイッチ７は遮断状態にある。第３のスイッチ９が遮断状態にある場合には、第１のスイッチ６及び第２のスイッチ７は導通状態にある。

その結果、第３のスイッチ９が導通状態にある場合には、出力端子８はフォトデテクター１の第２の端子に接続される。この場合には、出力端子８はフォトデテクター１のフローティング電位にあり、この情報は分析回路４に伝えられる。フォトデテクター１は、観測現場に関する「電圧」情報を直接与える。第１のスイッチ６と第２のスイッチ７とが導通状態にある場合には、ピクセルの出力端子８は、制御回路３の出力端子に接続される。制御回路３は、ピクセルの出力端子８に、フォトデテクター１により供給された電流を示す電圧を与える。フォトデテクターは、観測現場に関する「電流」の中の情報を出力する。この情報は制御回路３により「電圧」情報に変換される。

フォトデテクター１により与えられた電流が非常に大きい場合には、制御回路３は飽和し、容量Ｃ_ＩＮＴの出力における出力電圧は、フォトデテクター１により伝えられた情報を示すものではない。このシナリオは、制御回路３がフォトデテクター１から来た過剰な電荷を除去するアンチブルーミング回路（anti-blooming circuit）を含む、又は、アンチブルーミング回路と結合されている場合に生じる。アンチブルーミング回路は、容量性ロード５の端子の電位差がしきい値に達した場合に動作を開始する。

フォトデテクター１のバイアス状態（bias condition）がシフトした場合には、例えば、制御回路３によってフォトデテクター１に印加された基準電圧Ｖ_ＲＥＦの電荷を導くような容量Ｃ_ＩＮＴの端子の間の大きな電位差のためにシフトした場合には、集積した情報が観測現場を示すものではないようにすることができる。

両方の場合において、異なる照射状態が想定された照射状態よりも強いために、ピクセルは観測現場を示す情報を与えることができない。

フォトデテクター１の照射状態に関する情報を格納するために、装置は、容量性ロード５の端子の間のバイアス状態をしきい値Ｖ_thresholdに対して比較するように構成された比較器１０を備える。

測定された値がしきい値Ｖ_thresholdよりも小さい又は大きいことに依存して、比較器１０は第１の信号又は第２の信号をその出力端子に出力する。第１の信号は第２の信号と異なる。

特有の実施形態においては、比較器１０は容量性ロード５の端子の間の電圧の測定を行い、この例においては、集積容量Ｃ_ＩＮＴの端子の間の電圧の測定を行う。他の実施形態においては、比較器１０は制御回路３の出力の電圧の測定を行う。好ましい実施形態においては、容量性ロード５の端子は、固定電位が印加された回路に接続され、例えば固定電位とはグランド又は検出装置の他の特定の電圧である。この場合、容量性ロード５の端子の測定状態は、他の端子の電位の測定により決定され、他の端子とは固定電位ではない端子のことである。他の端子は制御回路３の出力端子又は制御回路３の他の端子とすることができる。

一般的には、電圧測定は容量性ロード５に集積されたエネルギー量に応じて、すなわち、容量性ロード５の端子の間に存在する電位差に応じて、変化する電位を持つ電気ノードにおいて行うことができる。

比較器１０は、制御回路を接続／遮断するように構成された接続回路とスイッチ９とに接続される。スイッチ９の導通及び遮断状態と、接続回路の導通及び遮断状態とは、比較器１０が出す信号に応じて、すなわち、比較結果に応じて決定される。

図１の例においては、比較器１０の出力端子は第１のスイッチ６と第２のスイッチ７と第３のスイッチ９との複数の制御端子に接続される。

スイッチ６、７及び９は、容量性ロード５の両端の間の電圧がしきい値Ｖ_thresholdに達していない場合において、比較器１０が第１の信号を出力し、その結果、第１のスイッチ６及び第２のスイッチ７が導通状態となり、第３のスイッチ９が遮断状態となるように構成される。バイアス状態に依存して、容量性ロード５の両端の間の電圧がしきい値Ｖ_thresholdよりも低い又は高い場合に、第１の信号を与えることができる。

容量性ロード５の両端の間の電圧がしきい値に達する、又は、しきい値を横切る場合には、比較器１０は第２の信号を出力し、その結果、第１のスイッチ６及び第２のスイッチ７が遮断状態となり、第３のスイッチ９が導通状態となる。スイッチは、光束が非常に強くなった場合に、フォトダイオードの減極（depolarization）と読み出し回路の飽和とを避ける。

このようにして、容量性ロード５中に集積された電荷の量に応じて、ピクセルは「電流」情報又は「電圧」情報を分析回路４に伝える。「電流」又は「電圧」という単語はフォトデテクター１の動作モードに対応する。

従来技術においては、ブルームドピクセル（bloomed pixel）は観測現場の状態の情報を与えることがないが、この構成によれば観測現場を示す他の情報を与えることができる。

「電圧」情報はフォトデテクターの他の動作モードから来る。この第２の動作モードにおいては、フォトデテクターは光電気セル（photovoltaic cell）として働き、フォトデテクター１の両端の間のバイアスは照射状態と関連する。受信した光束に応じた対数型の情報は、その結果、光束と電気信号との間に存在する変換のスケールを圧縮する。このスケールの圧縮は、光束が非常に大きなスケールであっても行うことができる。第２の動作モードにおいて照射が強い場合には、分析回路はこの電圧領域で最適に動作するように構成する必要はない場合であっても、信号対ノイズ比は高いままである。

第２の動作モードにおいて与えられた情報を第１の動作モードの間において与えられた情報の値と比較することが難しい場合には、同じ動作モードにおいて動作する２つのフォトデテクターの２つの照射状態を比較することも可能である。２つの異なる時間に関する２つの異なる情報を与えるように同じ動作モードにおける同じフォトデテクターを比較することも可能である。

この構成は、照射状態に検出装置を合わせるために、受信された光束と出力された電気信号との間の変換スケールを変更することを容易にする。第１の動作モードにおいては、フォトデテクターは観測現場を示す電流を与え、好ましくは、詳細な分析を可能にするように観測現場に比例した電流を与える。

第２の動作モードにおいては、この照射状態が強く、電流を管理するには大きすぎるため、フォトデテクター１の両端の間の電圧を分析することにより照射範囲（illumination range）を広げるように働くように選択される。

しきい値Ｖ_thresholdに達した際に第１のスイッチ６及び第２のスイッチ７を遮断状態にスイッチすることは、「電圧」情報の値を破壊するピクセルにおける容量性ロード５の放電を避ける。しきい値Ｖ_thresholdに達する前に第３のスイッチ９を遮断状態にすることも同様である。この構成は、フォトデテクター１により出された電荷の消耗を避ける。これらの電荷は、ピクセルの出力端子８と分析回路４とに流れることができる。従って、電荷が容量性ロード５の中に集積することはない。スイッチのシンクロは、有利には情報の良好な感度を得るようなものであり、しかしながら、タイムラグは、第１及び第２の動作モードの間のスイッチを行うことを排除するものではない。

図２に示される好ましい実施形態においては、制御回路３は「直接注入」タイプであり、すなわち、バイアストランジスタ１１は容量性ロード５とフォトデテクター１との間に接続される。バイアストランジスタ１１のゲート電極にバイアスを印加することは、フォトデテクター１の端子に印加される基準電圧Ｖ_ＲＥＦを設定することを可能にする。

容量性ロード５の両端の間の電圧がしきい値に達していない場合には第１のゲート電圧がゲート電極に印加されるように、容量性ロード５の両端の間の電圧がしきい値に達した場合には第２のゲート電圧をゲート電極に印加するように、バイアストランジスタ１１のゲート電極は比較器１０に接続される。バイアストランジスタ１１に印加される２つのゲート電圧は、比較器１０により出された第１の信号及び第２の信号となることができる。しかしながら、第１の信号と第２の信号との間の差は、電流、又は、例えば周波数といった他のパラメータの差である。変換回路は比較器１０の出力とゲート電極との間で使用することができる。

第１のゲート電圧が印加された場合には、バイアストランジスタ１１は導通状態にあり、フォトデテクター１により出された電荷は制御回路３に伝えられ、容量性ロード５に情報が集積される。第２のゲート電圧が印加された場合には、バイアストランジスタ１１は遮断状態にある。

フォトデテクター１と容量性ロード５との間の電荷の伝達を妨げ又は可能とすることから、バイアストランジスタ１１は第１のスイッチ６に取り込まれることができる。この実施形態においては、制御回路３のバイアストランジスタ１１は、制御回路３を接続／遮断するように構成された接続回路の一部である。トランジスタ１１のゲート電極に印加された電位が比較器から直接又は間接に与えられる場合においては、第１のスイッチ６は有利にはバイアストランジスタ１１である。

非常にコンパクトな特有の実施形態においては、フォトデテクター１の第２の端子は、電気ノードＡを形成するように、バイアストランジスタ１１の第１の端子と第３スイッチ９の第１の端子とに接続される。

バイアストランジスタ１１の第２の端子は、集積容量Ｃ_ＩＮＴの第１の端子に接続される。第２のスイッチ７と第３のスイッチ９とピクセルの出力端子８とは、第２の電気ノード８を形成するように、互いに接続される。

集積容量Ｃ_ＩＮＴの第２の端子はバイアス回路から来た固定電位（ここではグランド）に接続される。比較器１０は、フォトデテクター１により供給された電流を用いて集積容量Ｃ_ＩＮＴを充電している間の電位をモニターするように、容量Ｃ_ＩＮＴの第１の端子の電位の測定を行う。

第２の電圧源１２は、容量性ロード５をリセットするためのリセット電圧Ｖ_Ｒを与えるために用いることができる。第２の電圧源１２は、第４のスイッチ１３を介して集積容量Ｃ_ＩＮＴの第１の端子に接続される。第４のスイッチ１３が導通状態にある場合には、集積容量はリセットされる。容量性ロードのリセットは他の回路によっても行うことができる。

比較器１０が検出装置のさまざまな素子に接続されている場合には、有利には、異なる電圧範囲にある第１の信号及び第２の信号をそれぞれの出力端子に供給する。例えば、バイアストランジスタ１１のゲート電極に印加された電圧Ｖ_ＰＯＬは、第２のスイッチ、及び／又は、第３のスイッチに印加された電圧と異なるものとすることができる。

比較器１０は、第１の信号及び第２の信号を供給する出力を備える。この出力は、電圧レベルを変化させるための回路と結合されたバイパス回路と接続することができる。このようにして、比較器１０により出された信号は、複数の信号に変換され、好ましくは同相（same phase）の複数の信号に変換される。様々な信号は異なる電圧範囲にある。

他の実施形態においては、バイパス回路は比較器１０に集積され、電圧レベルを変化させる回路もまた比較器に集積される。

例えば、図３は比較器１０の特有の実施形態を示す。比較器１０は直列に接続された第１のトランジスタＴ１と第２のトランジスタＴ２とを備える。２つのトランジスタは、しきい値Ｖ_thresholdとグランド又は電力供給電Ｖｄｄである回路の固定電圧との間に直列に接続されている。２つのトランジスタＴ１及びＴ２は、反対のタイプである。図３の特有の例においては、２つのトランジスタＴ１及びＴ２は、グランドとしきい値Ｖ_thresholdとの間に接続されている。トランジスタＴ１はＰＭＯＳタイプであり、しきい値電圧Ｖ_thresholdに接続されている。トランジスタＴ２はグランドに接続されており、ＮＭＯＳタイプである。しきい値電圧は追加電圧源（不図示）を用いて印加される。

比較器１０により測定された電圧は、しきい値電圧Ｖ_thresholdを供給する追加電圧源に接続されたトランジスタのゲート電極に印加される。他のゲート電極は、容量性ロード５をリセットするためのリセット信号φを受信する。

トランジスタＴ１及びＴ２の共通端子は、しきい値Ｖ_thresholdに対する容量性ロード５の端子の電圧の比較を示す信号Ｖ_ＣＴＲＴを供給する。例に示されるように、電圧Ｖ_ＣＩＮＴが（トランジスタＴ１のしきい値電圧を差し引いた）しきい値Ｖ_thresholdよりも大きい際には、信号Ｖ_ＣＴＲＬがグランドと等しい。電圧Ｖ_ＣＩＮＴがしきい値Ｖ_thresholdと等しくなった場合には、信号Ｖ_ＣＴＲＬはしきい値Ｖ_thresholdと等しくなる。電圧Ｖ_ＣＴＲＬは、第１の信号と第２の信号とを示す個別の２つの状態を示す。

反対の動作は、電圧Ｖｄｄをグランドと入れ替え、ＰＭＯＳをＮＭＯＳと入れ替えることにより行うことができる。その反対も可能である。

信号Ｖ_ＣＴＲＬは２つの他のトランジスタ、トランジスタＴ３及びＴ４のゲート電極に接続される。第３のトランジスタＴ３と第４のトランジスタＴ４とは直列に接続される。第３のトランジスタは第４のトランジスタのタイプと反対のタイプである。図に示される例においては、トランジスタＴ３及びＴ４は、バイアストランジスタ１１のゲート電極の第１のバイアス電圧と第２のバイアス電圧との間に直列に接続される。図３に示される例においては、第１のバイアス電圧は電圧Ｖ_ＧＰＯＬであり、第２のバイアス電圧はグランドである。トランジスタＴ３及びＴ４の共通端子は、バイアストランジスタ１１のゲート電極に接続される。ここでは、バイアストランジスタ１１はＮＭＯＳである。

トランジスタＴ３及びＴ４は、第１の信号と第２の信号とに対応する電圧レベルをシフトさせるように構成されたシフト回路を形成する。

このようにして、しきい値電圧Ｖ_thresholdと集積容量Ｃ_ＩＮＴの端子の間の電圧との間を比較した結果に従い、第１及び第２のバイアス電圧はトランジスタ１１のゲート電極に印加される。

トランジスタＴ３及びＴ４の共通端子は信号Ｖ_ＰＯＬを供給し、この信号はバイアストランジスタ１１のゲート電極に印加される。このようにして、比較器１０がトランジスタ１１のゲート電極のバイアス状態と比較した信号を供給することができる、コンパクトな構成を容易に得ることができる。この回路は、信号Ｖ_ＣＴＲＬとバイアストランジスタ１１に印加された電圧との間の電圧範囲を変化させることができる。

同様の集積は、スイッチ７及び９をスイッチさせるように行うことができる。このような構成は、トランジスタＴ３及びＴ４の第２のグループを複製し、それらに信号Ｖ_ＣＴＲＬを印加し、供給状態を変化させることにより、得ることができる。電圧レベルをシフトさせるための第２の回路は例えば電圧Ｖｄｄとグランドとの間に形成される。電圧をシフトさせるためのこの第２の回路の出力（信号）は、スイッチ７及び９のゲート電極に送られる。

他の実施形態においては、有利には、並列に接続された２つのトランジスタによりスイッチ７、及び／又は、スイッチ９が形成される。２つのトランジスタは反対のタイプである。従って、ＮＭＯＳトランジスタは信号を受信し、ＰＭＯＳトランジスタは補完関係の又は反対の信号を受信する。

トランジスタ７及び９のスイッチが連続的に行われた場合には、有利にはスイッチ７のＮＭＯＳトランジスタとスイッチ９のＰＭＯＳトランジスタとには同じ信号が印加される。補完する信号は、スイッチ９のＮＭＯＳトランジスタとスイッチ７のＰＭＯＳトランジスタとに印加される。

図４ａから図４ｆは検出装置の特徴的な要素の異なるクロノグラフを示す。図４ａは、容量性ロードをリセットするためのリセット信号φを示し、これにより、回路の集積期間とリフレッシュ期間とを定めることができる。時間ｔ_０において、信号φは第４のスイッチ１３を導通状態にスイッチし、もしくは、集積容量をリセットするための他の回路をスイッチする。リセットは時間ｔ_０からｔ_１の間に行われる。観測現場の集積は時間ｔ_１からｔ_３の間に行われる。時間ｔ_３においては、容量性ロード５のリセット相（reset phase）を持って新しい集積サイクルが始まる。

図４ｂは、曲線Ａ及びＢにより示される２つの異なる照射状態における容量性ロード５の端子の間の電圧を示す。図４ｃは、両方の照射状態における比較器１０の出力に与えられる電圧Ｖ_ＣＴＲＬを示す。図４ｄは、バイアストランジスタ１１のゲート電極に印加された電圧を示す。図４ｆは、フォトデテクターの第２の端子の電位Ｖ_ＰＶの値の変化を示す。図４ｇは、出力端子８の電位の値Ｖ_８の変化を示す。

図４ｂに示されるように、曲線Ａ（実線）は第１の照射状態に対応し、第１の照射状態は、集積期間の最後であるｔ_３において、容量性ロードの両端の間の電圧がしきい値電圧Ｖ_thresholdに達しない場合である。曲線Ａの場合には、電圧Ｖ_ＣＩＮＴは常に時間ｔ_１とｔ_３との間において電圧Ｖ_threshold−Ｖ_Ｔよりも大きい。照射は、集積容量Ｃ_ＩＮＴの両端の間のコンスタントな電圧変化を導くコンスタントなものと考える。

時間ｔ_３において、容量性ロードの両端の間の電圧がしきい値を超えている場合には、追加電圧源により注入されたしきい値電圧からトランジスタ１３のしきい値電圧Ｖ_Ｔのしきい値電圧を差し引き（図４ｂ）、比較器１０はその状態と第１の信号とを変化させることなく、電圧Ｖｓｓは、図４ｃに示される集積期間（時間ｔ_１からｔ_３の間）のすべての間に比較器１０により定められる。バイアストランジスタ１１のゲートに印加された電圧Ｖ_ＰＯＬは、集積期間のすべてにおいて一定であり、図４ｄに示される電圧Ｖ_ＧＰＯＬと等しい。

フォトデテクター１の第２の端子の電圧Ｖ_ＰＶは、Ｖ_ＧＰＯＬ−Ｖ_Ｔに等しく、すなわち、バイアストランジスタ１１のゲート電極に印加された電圧からバイアストランジスタ１１のしきい値から差し引く（図４ｅ）。

示された例においては、電圧Ｖ_ＣＴＲＬ、Ｖ_ＰＯＬ及びＶ_ＰＶは、時間ｔ_０からｔ_３の間で一定である。

ピクセルにより伝えられた情報は、出力端子８の電圧に対応し、容量Ｃ_ＩＮＴの端子に印加された固定電圧Ｖ_Ｒから、集積期間における集積電流の積分（ここでは、Ｉ^＊（ｔ_３−ｔ_１）と示す。）を容量性ロードの容量値によって割った値を引いたものと対応する（図４ｆ）。すなわち、Ｖ_Ｒ−Ｉ^＊（ｔ_３−ｔ_１）／Ｃ_ＩＮＴである。電圧Ｖ_８の値は、フォトデテクターにより与えられた電流に応じて、時間ｔ_１から変化する。

フォトデテクターにより出力された電流が大きな場合には（図４ｂから図４ｆの点線の曲線Ｂ）、容量性ロードの両端の間の電圧がしきい値に達していることが図４ｂからわかる。時間ｔ_２においては、容量性ロードの両端の間の電圧はしきい値に達している。時間ｔ_１からｔ_２の間においては、装置の動作は、曲線Ａとしてすでに説明した動作と同じである。

時間ｔ_１からｔ_２の間においては、比較器１０はその出力端子から第１の信号を伝達する。時間ｔ_２から時間ｔ_３までは、比較器１０は第２の信号であるＶ_thresholdを伝達する（図４ｃ）。

従って、第１のバイアス電圧はＶ_ＧＰＯＬであり、これは、時間ｔ_０からｔ_２の間においてバイアストランジスタ１１のゲート電極に印加される。第２のバイアス電圧（ここではＶｓｓ）は時間ｔ_２からｔ_３の間に印加される（図４ｄ）。バイアストランジスタ１１は時間ｔ_２から遮断されるようになる。

時間ｔ_１からｔ_２の間において、フォトデテクターの第２の端子に印加される電圧は曲線Ａの場合におけるＶ_ＧＰＯＬ−Ｖ_Ｔに等しい。時間ｔ_２からｔ_３までは、フォトデテクターの第２の端子に印加される電圧は、第１の電極に印加された電圧からフォトデテクターの照射状態に関連する開回路電圧Ｖ_ＣＯを引いたものと等しい。示された例においては、第１の照射状態は時間ｔ_２からｔ_２´の間に印加される。第２の照射状態は時間ｔ_２´からｔ_３の間に印加される。照射状態が変化する場合、フォトデテクターの第２の電極の電圧が変化する（図４ｅ）。フォトデテクターの照射の増加は、第１の端子に印加された電圧のギャップを増加させる。

集積期間の始まりから時間ｔ_２まで、出力端子８の電圧は曲線Ａの場合の集積電流に対応する。時間ｔ_２から、フォトデテクターのバイアス状態が変化し、出力電圧Ｖ_８はフォトデテクターの第２の端子の電圧に対応する。従って、時間ｔ_２の後の光状態が変化した場合、出力電圧Ｖ_８において変化がある。

Claims (7)

1. 電磁放射線を検出するための検出装置であって、
   − ２つの端子が設けられたフォトデテクター（１）と、
   − 前記フォトデテクター（１）により与えられた電流を、ロード（５）を用いて第１の電気変数に変換するように構成された制御回路（３）と、
   − 前記フォトデテクター（１）と前記制御回路（３）とを含むピクセルであって、分析回路（４）と接続するように設計された出力端子（８）が設けられたピクセルと、
   を備え、
   − 第１の動作状態において前記フォトデテクター（１）の複数の前記端子の間に第１の電位差を与えるように構成され、且つ、第２の動作状態において前記フォトデテクターの前記複数の端子のうちの１つがフローティング電位になるように構成された前記フォトデテクター（１）のバイアス回路（２、３、６、７）と、
   − 前記フォトデテクター（１）が前記第１の動作状態にあるときは、前記制御回路（３）を前記ピクセルの前記出力端子（８）と前記フォトデテクター（１）とに接続するように構成され、且つ、前記フォトデテクター（１）が前記第２の動作状態にあるときは、前記フォトデテクター（１）と前記制御回路（３）との接続及び前記出力端子（８）と前記制御回路（３）との接続を遮断するように構成された接続回路と、
   − 前記フォトデテクター（１）を前記ピクセルの前記出力端子（８）と接続し、且つ、前記フォトデテクター（１）が前記第１の動作モードにあるときは遮断状態になるように構成され、前記フォトデテクター（１）が前記第２の動作モードにあるときは導通状態となるように構成されたスイッチ（９）と、
   − 前記ロードに印加された電圧をしきい値に対して比較するように構成され、且つ、その比較に応じて第１の信号又は第２の信号を供給するように構成された比較器（１０）であって、前記制御回路（３）を接続／遮断する前記接続回路と前記スイッチ（９）とに接続されている比較器と、
   を備える検出装置。
2. 前記比較器（１０）は、前記ロード（５）の前記複数の端子の間の電圧が前記しきい値（Ｖ_threshold）に達していない間には、前記制御回路（３）が前記フォトデテクター（１）と前記ピクセルの前記出力端子（８）とに接続され、前記ロード（５）の前記複数の端子の電圧が前記しきい値に達した場合には、前記制御回路（３）が前記ピクセルの前記出力端子（８）と接続されるように、構成されている請求項１に記載の検出装置。
3. 前記接続回路（６、７）は、前記フォトデテクター（１）と前記制御回路（３）との間に接続された第１のスイッチ（６）を備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の検出装置。
4. 前記制御回路（３）は、バイアストランジスタ（１１）を有する直接注入回路であり、前記バイアストランジスタは、前記フォトデテクター（１）と接続された第１の端子と、前記ロード（５）と接続された第２の端子とを有し、前記バイアストランジスタ（１１）は前記接続回路の一部を形成し、前記バイアストランジスタ（１１）のゲート電極は前記比較器（１０）と接続されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の検出装置。
5. 前記接続回路は、前記制御回路（３）と前記ピクセルの前記出力端子（８）との間に接続された第２のスイッチ（７）を備える、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の検出装置。
6. 前記ロード（５）は容量性ロードであって、第１の端子を有する集積容量（Ｃ_ＩＮＴ）を備え、前記第１の端子は、前記第１の端子に固定電位を印加するように構成された回路に接続され、前記比較器（１０）は前記集積容量（Ｃ_ＩＮＴ）の第２の端子に接続されている、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の検出装置。
7. 前記比較器（１０）は前記分析回路（４）と接続された出力端子を備え、前記フォトデテクター（１）の動作モードを前記分析回路（４）に伝えるように構成されている、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の検出装置。

Images