JP6205883B2 - 光電変換装置及び画像生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光を電気信号に変換する光電変換装置に関し、また、当該光電変換装置を備えた画像生成装置に関する。

フォトダイオードを用いた光電変換装置（ＣＭＯＳイメージセンサなど）では、入射光から発生した電荷をフォトダイオードの接合容量などに蓄積し、当該電荷を電気信号として取り出す。しかしながら、フォトダイオードに強い光があたった場合は、発生した電荷が接合容量に蓄積できる電荷量を超えてしまうので、検出できる入射光のダイナミックレンジが制限されていた。ダイナミックレンジを拡大するために、例えば、光を照射する時間又は光により生じる電荷を蓄積する時間を変化させて複数の画像を撮影し、これらの画像を合成することで、弱い光から強い光まで飽和しない画像を取得する技術が知られている。

また、入射光を電気信号に変換する光電変換装置の動作を高速化するために、例えば特許文献１〜３の発明がある。例えば、特許文献１の発明によれば、増幅素子としてフォトトランジスタを用い、各フォトトランジスタに読み出しスイッチと再充電スイッチを付ける。再充電スイッチは、読み出し終了後、１クロック時間又はそれ以上の時間導通させる（リセット動作）。読み出しスイッチの一方の電極はフォトトランジスタの電極に接続され、他方の電極は共通に接続され、画像信号の出力端子とする。特許文献１の発明によれば、残像が減少することにより、光電変換装置の高速動作が可能になる。

従来の光電変換装置のダイナミックレンジを拡大する場合、光の照射時間又は光によって発生する電荷の蓄積時間を変化させて複数の画像を撮影して合成するので、制御が複雑になり、余分なハードウェア又はソフトウェアが必要になる。また、従来の光電変換装置では、複数の画像を撮影する必要があるので、１回の撮影のみを行う場合よりも時間がかかる。このため、従来の光電変換装置は、高速に動く被写体の撮影には不利である。従って、光電変換装置のダイナミックレンジを拡大するための新しい方法が必要とされる。

また、従来の光電変換装置の動作を高速化する場合、読み出しスイッチをオフからオンに変化させた後、フォトトランジスタの出力電流が所定値に達して安定するまでにある程度の時間がかかる。この時間のために、光電変換装置の動作速度は制限される。従って、光電変換装置の動作を高速化するための新しい方法が必要とされる。

本発明の目的は、光電変換装置の外部における複雑な制御又は処理を必要とせず、広いダイナミックレンジの画像を高速に生成することができる光電変換装置を提供することにある。

本発明の態様に係る光電変換装置によれば、
少なくとも１つの光電変換セルと、第１の出力線と、第２の出力線とを備えた光電変換装置であって、
上記各光電変換セルは、
入射光の強度に対応する出力電流を発生するフォトトランジスタを含む光電変換素子と、
第１の制御信号に応答して上記光電変換素子の出力電流を上記第１の出力線に送る第１のスイッチ素子と、
第２の制御信号に応答して上記光電変換素子の出力電流を上記第２の出力線に送る第２のスイッチ素子とを備え、
上記第１のスイッチ素子が少なくとも予め決られた時間にわたって閉じられた後で開かれた直後、上記第２のスイッチ素子は閉じられ、
上記第２のスイッチ素子が開かれた後、上記第１のスイッチ素子は閉じられることを特徴とする。

本発明の光電変換装置によれば、光電変換装置の外部における複雑な制御又は処理を必要とせず、広いダイナミックレンジの画像を高速に生成することができる。

本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成を示すブロック図である。 図１の画素セル１１−１−１の詳細構成を示す回路図である。 図１の電流シンク２１−１の詳細構成を示す回路図である。 本発明の実施形態の第１の変形例に係る電流シンク２１Ａ−１の詳細構成を示す回路図である。 本発明の実施形態の第２の変形例に係る光電変換装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の第３の変形例に係る光電変換装置の構成を示すブロック図である。 図６の電流シンク２１Ｃ−１の詳細構成を示す回路図である。 図１のＩＶ変換器３１−１の詳細構成を示す回路図である。 本発明の実施形態の第４の変形例に係るＩＶ変換器３１Ａ−１の詳細構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の第５の変形例に係るＩＶ変換器３１Ｂ−１の詳細構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の第６の変形例に係るＩＶ変換器３１Ｃ−１の詳細構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の第７の変形例に係るＩＶ変換器３１Ｄ−１の詳細構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の第８の変形例に係るＩＶ変換器３１Ｅ−１の詳細構成を示すブロック図である。 図１の光電変換装置の例示的な動作を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る光電変換装置について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成を示すブロック図である。図１の光電変換装置は、２次元アレー状に配置された複数の画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎ、複数の行制御線１２−１〜１２−Ｍ，１３−１〜１３−Ｍ、及び複数の列出力線１４−１〜１４−Ｎ，１５−１〜１５−Ｎを備える。さらに、光電変換装置は、行セレクタ１０、電流シンク回路２１、ＩＶ変換回路３１、ＡＤ変換回路４１、及び制御回路５１を備える。

画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのそれぞれは、入射光の強度に対応する大きさの出力電流を発生するフォトトランジスタなどの光電変換素子を含む。行制御線１２−ｍ及び行制御線１３−ｍ（１≦ｍ≦Ｍ）には、Ｎ個の画素セル１１−ｍ−１〜１１−ｍ−Ｎがそれぞれ接続される。さらに、列出力線１４−ｎ及び列出力線１５−ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）には、Ｍ個の画素セル１１−１−ｎ〜１１−Ｍ−ｎがそれぞれ接続される。行セレクタ１０は、画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎの制御装置として動作し、行制御線１２−ｍ及び行制御線１３−ｍ（１≦ｍ≦Ｍ）を介して画素セル１１−ｍ−１〜１１−ｍ−Ｎに制御信号を送る。行セレクタ１０は、各列のＭ個の画素セル１１−１−ｎ〜１１−Ｍ−ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）を逐次に選択する。各列の選択された１つの画素セルは、その出力電流を列出力線１５−ｎを介してＩＶ変換器３１−ｎに送る。各列の残りの画素セルは、その出力電流を列出力線１４−ｎを介して電流シンク２１−ｎに送るか、又は、ＩＶ変換器３１−ｎ及び電流シンク２１−ｎのいずれにも送らない。

電流シンク回路２１は、列出力線１４−１〜１４−Ｎにそれぞれ接続された電流シンク２１−１〜２１−Ｎを含む。各列出力線１４−１〜１４−Ｎ上の電流はすべて、対応する電流シンク２１−１〜２１−Ｎに流れ込む。

ＩＶ変換回路３１は、列出力線１５−１〜１５−Ｎにそれぞれ接続されたＩＶ変換器３１−１〜３１−Ｎを含む。ＩＶ変換器３１−１〜３１−Ｎは、画素セルの出力電流を出力電圧に変換する電流電圧変換手段として動作する。

ＡＤ変換回路４１は、ＩＶ変換器３１−１〜３１−Ｎの出力電圧がそれぞれ入力されるＡＤ変換器４１−１〜４１−Ｎを含む。ＡＤ変換回路４１は、ＩＶ変換器３１−１〜３１−Ｎの出力電圧に対してアナログ／ディジタル変換などの処理を実行して、出力画像信号を生成する。

制御回路５１は、行セレクタ１０及びＡＤ変換回路４１を制御し、それらの動作を同期させる。

図２は、図１の画素セル１１−１−１の詳細構成を示す回路図である。画素セル１１−１−１は、フォトトランジスタ６１及びスイッチ素子６２，６３を備える。フォトトランジスタ６１のコレクタは電圧源ＶＣＣに接続され、フォトトランジスタ６１のエミッタは、第１のスイッチ素子６２を介して列出力線１４−１に接続され、第２のスイッチ素子６３を介して列出力線１５−１に接続される。行セレクタ１０から行制御線１２−１を介して送られた制御信号に応答してスイッチ素子６２が閉じたとき、フォトトランジスタ６１の出力電流は、列出力線１４−１を介して電流シンク２１−１に送られる。行セレクタ１０から行制御線１３−１を介して送られた制御信号に応答してスイッチ素子６３が閉じたとき、フォトトランジスタ６１の出力電流は、列出力線１５−１を介してＩＶ変換器３１−１に送られる。

従来技術によれば、ＣＭＯＳイメージセンサの画素セルは、通常、入射光によってフォトダイオードに蓄積された電荷による電圧を、ＭＯＳトランジスタのソースフォロアを介して出力する。また、ＣＣＤイメージセンサの画素セルは、通常、入射光によってフォトダイオードに蓄積された電荷を転送して出力する。これらのイメージセンサは、いずれも、フォトダイオードに電荷を蓄積し、蓄積された電荷から出力信号を生成しているが、フォトダイオードに蓄積できる電荷量に制限があるので、そのダイナミックレンジはおよそ４桁程度に制限される。一方、フォトトランジスタはフォトダイオードよりも広いダイナミックレンジを有し、６桁程度のダイナミックレンジを有する入射光に対してリニアに変化する出力電流を生成することができる。従って、図２の画素セル１１−１−１は、フォトトランジスタ４１を備えたことにより、広いダイナミックレンジを有する出力電流を生成する。

フォトトランジスタにいったん電荷を蓄積し、蓄積された電荷から出力電流を生成する場合、すなわち、図２のスイッチ素子６２が設けられていない場合を考える。スイッチ素子６３を開いたとき、フォトトランジスタ６１の出力電流が列出力線１５−１に送られることなく、入射光から発生した電荷はフォトトランジスタ６１のベースに蓄積される。従って、このとき、フォトトランジスタ６１のベース電位及びエミッタ電位は、スイッチ素子６３を閉じたときと比べて異なる値になっている。その後、スイッチ素子６３を閉じると、列出力線１５−１を流れる電流は、一時的に増大した過渡状態を経て、次第に安定状態へ向かう。列出力線１５−１を流れる電流が安定するまでの時間の長さは、フォトトランジスタ６１のベースの寄生容量及びエミッタの寄生容量の充放電時間に依存する。この時間の長さは、フォトトランジスタ６１のベース電位及びエミッタ電位が、スイッチ素子６３を開いたときと、スイッチ素子６３を閉じた後で列出力線１５−１を流れる電流が安定しているときとにおいて異なっているほど、増大する。

一方、図２の画素セル１１−１−１は、２つのスイッチ素子６２，６３を備えたことにより、以下のように動作する。行セレクタ１０によって画素セル１１−１−１が選択されたとき、スイッチ素子６２が開き、かつ、スイッチ素子６３が閉じ、フォトトランジスタ６１の出力電流は、列出力線１５−１を介してＩＶ変換器３１−１に送られる。スイッチ素子６３を閉じる前に、少なくとも予め決られた整定時間にわたってスイッチ素子６２を閉じ、スイッチ素子６２を開いた直後（例えば、数ナノ秒〜０．１マイクロ秒の後）に、スイッチ素子６３を閉じる。スイッチ素子６２を閉じる整定時間は、フォトトランジスタ６１のベースに蓄積された電荷が列出力線１４−１を介して電流シンク２１−１に送られるのに十分な長さに設定される。画素セル１１−１−１が選択されていないとき、スイッチ素子６２が閉じ、かつ、スイッチ素子６３が開き、フォトトランジスタ６１の出力電流は、列出力線１４−１を介して電流シンク２１−１に送られる。スイッチ素子６３を開いた後で、０以上の時間（ただし、次にスイッチ素子６３を閉じる前にスイッチ素子６２を閉じる整定時間を確保するのに十分な時間）が経過したとき、スイッチ素子６２を閉じる。

フォトトランジスタ６１のベース電位及びエミッタ電位は、列出力線１４−１，１５−１の電位が同じになるように設定した場合には、画素セル１１−１−１が選択される前後で変化しない。

スイッチ素子６３を閉じる直前までスイッチ素子６２を開いていると、入射光から発生した電荷がフォトトランジスタ６１のベースに蓄積される。従って、フォトトランジスタ６１のベース電位及びエミッタ電位は、画素セル１１−１−１を選択してスイッチ素子６３を閉じたときとは異なる値になる。この場合、スイッチ素子６３を閉じた後、列出力線１５−１を流れる電流が安定するまでに長い時間がかかる。しかしながら、図２の画素セル１１−１−１では、スイッチ素子６２を閉じる整定時間を設けることにより、その動作を高速化することができる。

他の画素セルも、図２の画素セル１１−１−１と同様に構成される。

図１の光電変換装置によれば、画像生成装置のための光電変換装置であって、光電変換装置の外部における複雑な制御又は処理を必要とせず、広いダイナミックレンジの画像を高速に生成することができる光電変換装置を提供することができる。

図１の光電変換装置によれば、フォトトランジスタ６１のように増幅機能を有する光電変換素子を使用しているので、入射光が弱い場合であってもある程度大きな出力電流を生成し、後段の回路におけるノイズ要件を緩和できるという効果が期待できる。フォトトランジスタ６１の増幅機能は、光電変換装置の高感度化にも寄与する。

次に、図３〜図７を参照して、図１の電流シンク回路２１の詳細構成について説明する。

図３は、図１の電流シンク２１−１の詳細構成を示す回路図である。電流シンク２１−１は、電圧源Ｅ１、抵抗Ｒ１、及びオペアンプ７１を備え、電流制限機能を有する。電圧源Ｅ１は、予め決められた低いバイアス電圧値（例えば、１Ｖ又は接地電圧）を有し、これにより、選択されていない各画素セルの出力電流の和が列出力線１４−１を介して電流シンク２１−１に向かって流れ込む。列出力線１４−１を流れる電流は、光電変換装置から出力される画像信号に寄与することのない無駄な電流である。このため、光電変換装置の消費電力量を削減するために、この電流の大きさを制限することが望ましい。オペアンプ７１は、抵抗Ｒ１を用いて、列出力線１４−１を流れる電流の大きさをモニタし、その結果を行セレクタ１０に送る。行セレクタ１０は、列出力線１４−１を流れる電流の大きさが予め決められたしきい値を超えたとき、各画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのスイッチ素子６２を開くように制御信号を生成する。図１の他の電流シンク２１−２〜２１−Ｎもまた、図３の電流シンク２１−１と同様に構成される。行セレクタ１０は、列出力線１４−１〜１４−Ｎを流れる電流の大きさがしきい値を超えたと電流シンク２１−１〜２１−Ｎのいずれかが判断したとき、すべての画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのスイッチ素子６２を開くように制御信号を生成する。

図４は、本発明の実施形態の第１の変形例に係る電流シンク２１Ａ−１の詳細構成を示す回路図である。電流シンク２１Ａ−１は、電圧源Ｅ１、抵抗Ｒ２、及びオペアンプ７２を備え、電流制限機能を有する。図４の電流シンク２１Ａ−１を用いるとき、列出力線１４−１の電位は、列出力線１４−１を流れる電流の大きさによる影響を受けない。その他の点では、図４の電流シンク２１Ａ−１は図３の電流シンク２１−１と同様に動作する。

図５は、本発明の実施形態の第２の変形例に係る光電変換装置の構成を示すブロック図である。図５の光電変換装置は、図１の電流シンク回路２１に代えて電流シンク回路２１Ｂを備える。電流シンク回路２１Ｂは、例えば図３の電圧源Ｅ１のみをそれぞれ備える電流シンク２１Ｂ−１〜２１Ｂ−Ｎを含む。図５の光電変換装置は、ダミー画素アレー８１及び電流モニタ回路８２をさらに備える。ダミー画素アレー８１は、入射光の強度に対応する大きさの出力電流を発生する少なくとも１つのダミー画素セル８１−１〜８１−Ｍを含む。ダミー画素セル８１−１〜８１−Ｍによって大きな出力電流が発生されるとき、列出力線１４−１〜１４−Ｎにも大きな電流が流れていると考えられる。従って、このとき、図３及び図４の場合と同様に、列出力線１４−１〜１４−Ｎを流れる電流の大きさを制限することが望ましい。電流モニタ回路８２は、各ダミー画素セル８１−１〜８１−Ｍによって発生された出力電流の大きさをモニタし、その結果を行セレクタ１０に送る。行セレクタ１０は、入射光の強度が予め決められたしきい値を超えたとき、各画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのスイッチ素子６２を開くように制御信号を生成する。

図６は、本発明の実施形態の第３の変形例に係る光電変換装置の構成を示すブロック図である。図７は、図６の電流シンク２１Ｃ−１の詳細構成を示す回路図である。図６の光電変換装置は、図１の電流シンク回路２１に代えて電流シンク回路２１Ｃを備える。図７の電流シンク２１Ｃ−１は、電圧源Ｅ１及びオペアンプ７３を備え、流れ込む電流の大きさを予め決められたしきい値（例えば１０マイクロＡ）以下に制限する機能を有する。しきい値を超える電流が列出力線１４−１に流れようとするとき、列出力線１４−１の電位が上昇するので、結果として、そのような電流が流れることはない。図６の他の電流シンク２１Ｃ−２〜２１Ｃ−Ｎもまた、図７の電流シンク２１Ｃ−１と同様に構成される。

図３及び図４の例によれば、列出力線１４−１〜１４−Ｎを流れる電流の大きさがしきい値を超えたと電流シンク２１−１〜２１−Ｎのいずれかが判断したとき、すべての画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのスイッチ素子６２が開かれた。図５の例によれば、画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎの行ごとにダミー画素セル８１−１〜８１−Ｍを設けてもよい。この場合、ダミー画素セル８１−１〜８１−Ｍのいずれかにおいて入射光の強度がしきい値を超えたとき、そのダミー画素セルに対応する行の画素セルのスイッチ素子６２のみを開くことができる。図６の例によれば、列出力線１４−１〜１４−Ｎを流れる電流の大きさがしきい値を超えたと電流シンク２１Ｃ−１〜２１Ｃ−Ｎのいずれかが判断したとき、その電流シンクと同じ列出力線に接続された画素セルのスイッチ素子６２のみを開くことができる。

図３〜図５の例によれば、行セレクタ１０は、列出力線１４−１〜１４−Ｎを流れる電流の大きさを制限するために、各画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのスイッチ素子６２を開くように制御信号を生成した。それに代わって、行セレクタ１０は、列出力線１４−１〜１４−Ｎを流れる電流の大きさに応じて、又は、入射光の強度に応じて、各画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのスイッチ素子６２を閉じる整定時間の長さを増減してもよい。

図３〜図７の電流制限機能により各画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのスイッチ素子６２を開くと、各画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのスイッチ素子６２を閉じる整定時間の長さが不十分になる可能性がある。整定時間の長さが不十分であれば、入射光から発生した電荷がフォトトランジスタ６１のベースに蓄積される。しかしながら、入射光の強度が高いときには、フォトトランジスタ６１の出力電流は大きく、スイッチ素子６３を閉じた後に列出力線１５−１を流れる電流が安定するまでの時間は、入射光の強度が低いときよりも短くなる。従って、電流制限機能を用いても、光電変換装置の動作速度の低下は限定的である。光電変換装置の動作の高速化と、その消費電力量の削減とのどちらを優先するのかに応じて、図３〜図７の電流制限機能に係るしきい値を設定することができる。

次に、図８〜図１３を参照して、図１のＩＶ変換回路３１の詳細構成について説明する。

図８は、図１のＩＶ変換器３１−１の詳細構成を示す回路図である。図８のＩＶ変換器３１−１は、電圧源Ｅ１１、抵抗Ｒ１１、及びオペアンプ９１を備える。電圧源Ｅ１１は、列出力線１５−１に対応する列出力線１４−１に接続された電流シンク２１−１の電圧源Ｅ１（図３）のバイアス電圧値と同じ電圧値（例えば、１Ｖ又は接地電圧）を有する。ＩＶ変換器３１−１は負帰還回路であり、列出力線１５−１の電位は一定になるように制御される。電流シンク２１−１の電圧源Ｅ１及びＩＶ変換器３１−１の電圧源Ｅ１１が同じ電圧値を有するとき、各画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−１のフォトトランジスタ６１のベース電位及びエミッタ電位は、当該画素セルが選択される前後で変化しない。

図９は、本発明の実施形態の第４の変形例に係るＩＶ変換器３１Ａ−１の詳細構成を示すブロック図である。図９のＩＶ変換器３１Ａ−１は、電圧源Ｅ１１、キャパシタＣ１１、及びオペアンプ９２を備える。ＩＶ変換器３１Ａ−１は、積分回路として動作する。

図１０は、本発明の実施形態の第５の変形例に係るＩＶ変換器３１Ｂ−１の詳細構成を示すブロック図である。図１１は、本発明の実施形態の第６の変形例に係るＩＶ変換器３１Ｃ−１の詳細構成を示すブロック図である。図１２は、本発明の実施形態の第７の変形例に係るＩＶ変換器３１Ｄ−１の詳細構成を示すブロック図である。図１３は、本発明の実施形態の第８の変形例に係るＩＶ変換器３１Ｅ−１の詳細構成を示すブロック図である。図１０のＩＶ変換器３１Ｂ−１は、ダイオード９３を備える。図１１のＩＶ変換器３１Ｃ−１は、オペアンプ９４及びダイオード９５を備える。図１２のＩＶ変換器３１Ｄ−１は、ＭＯＳトランジスタ９６を備える。図１３のＩＶ変換器３１Ｅ−１は、オペアンプ９７及びＭＯＳトランジスタ９８を備える。ＩＶ変換器は、図１０〜図１３のように非線形素子を備え、その特性で決まる変換特性を有してもよい。

上記で示した例のみならず、他のＩＶ変換器を用いて画素セルの出力電流を出力電圧に変換してもよい。

図１の他のＩＶ変換器３１−２〜３１−Ｎも、図８〜図１３のＩＶ変換器３１−１，３１Ａ−１〜３１Ｅ−１と同様に構成される。

各ＡＤ変換器４１−ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）は、対応するＭ個の画素セル１１−１−ｎ〜１１−Ｍ−ｎのうちの１つが選択されているとき、ＩＶ変換器３１−ｎの出力電圧を複数回にわたってサンプリングしてもよい。例えば、ＡＤ変換器４１−ｎは、画素セルのスイッチ素子６３を閉じる前後においてサンプリングし、画素セルのスイッチ素子６３を開く前後においてサンプリングする。２つのサンプリング結果の差をとることにより、ＩＶ変換器３１−ｎ及びＡＤ変換器４１−ｎの誤差及びノイズを相殺することができる。

図１４は、図１の光電変換装置の例示的な動作を示すタイミングチャートである。図１４は、ある列出力線１５−ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）に接続されたＭ個の画素セル１１−１−ｎ〜１１−Ｍ−ｎが逐次に選択されるとき、その第ｍ行の画素セル１１−ｍ−ｎの動作を示す。行数Ｍは、例えば１０８０である。スイッチ素子６２，６３が例えばｎＭＯＳＦＥＴである場合、行制御線１２−ｍ，１３−ｍの制御信号がローレベルであるとき、スイッチ素子６２，６３は開き、ハイレベルであるとき、スイッチ素子６２，６３は閉じる。スイッチ素子６２，６３がｐＭＯＳＦＥＴである場合、制御信号のレベルとスイッチ素子６２，６３の開閉との関係は逆になる。画素セル１１−ｍ−ｎに割り当てられた時間区間（例えば２０マイクロ秒）において、その初期状態では、スイッチ素子６２は閉じ、スイッチ素子６３は開いている。第１のサンプリングを開始するとき、スイッチ素子６２を開き、その直後、スイッチ素子６３を閉じる。スイッチ素子６３を閉じる前後の一定時間にわたって、ＡＤ変換器４１−ｎは、ＩＶ変換器３１−ｎの出力電圧に対してＡＤ変換を行う。その後、第２のサンプリングを開始するとき、スイッチ素子６３を開く。スイッチ素子６３を開く前後の一定時間にわたって、ＡＤ変換器４１−ｎは、ＩＶ変換器３１−ｎの出力電圧に対してＡＤ変換を行う。スイッチ素子６３を開いた後、いつスイッチ素子６２を閉じるのかについては、スイッチ素子６３を再び閉じる前であれば、任意に設定可能である。

以上に説明した本発明の実施形態に係る光電変換装置によれば、入射光の強度に対応する大きさの出力電流を発生するフォトトランジスタを含む光電変換素子を用いて、広いダイナミックレンジの画像を高速に生成することができる。

入射光から発生した電荷をフォトトランジスタに蓄積せず、入射光の強度に対応する大きさの出力電流を常に発生するようにフォトトランジスタを用いる場合、フォトトランジスタの出力電流は、広いダイナミックレンジの入射光に対してリニアな特性を有する。一方、入射光から発生した電荷をフォトダイオード又はフォトトランジスタに蓄積する場合には、蓄積できる電荷に上限があるので、入射光に対してリニアな特性を得られる範囲が狭くなる。この理由で、画素セルのスイッチ素子を閉じる前後においてフォトトランジスタのベース電位及びエミッタ電位に電位差がある場合には、画素セルのスイッチ素子を閉じた後で安定状態になるまでに時間がかかる。特に、ベース電位が安定状態になるためには、入射光から発生した電荷でベースの寄生容量を充電するか、出力電流を１／ｈ_ＦＥ倍したベース電流でベースの寄生容量を放電する必要がある。従って、特に入射光の強度が低いときに、ベース電位が安定するまでに長い時間がかかる。

図２の画素セルでは、２つのスイッチ素子６２，６３を備えたことにより、スイッチ素子６３が開いているときであっても、フォトトランジスタ６１のベース電位及びエミッタ電位を、スイッチ素子６３が閉じているときと同じ状態にすることができる。従って、スイッチ素子６３が閉じたとき、フォトトランジスタ６１のベース電位及びエミッタ電位は変化せず、安定状態になるまでの時間を短縮することができる。

特許文献１の発明は、１つのフォトトランジスタに２つのスイッチ素子（再充電スイッチ及び読み出しスイッチ）を接続しているが、入射光から発生した電荷をフォトトランジスタのベース・コレクタ間の容量に蓄積し、増幅して放出するものである。特許文献１の発明では、読み出しスイッチ素子を閉じる前に、再充電スイッチ及び読み出しスイッチの両方をひらして電荷を蓄積する時間を設けなければならない。従って、読み出しスイッチ素子を閉じた後、フォトトランジスタの出力電流が安定するまでに時間を要し、動作スピードが制限されるという問題は解消できていない。一方、図１等の光電変換装置では、スイッチ素子６３が閉じる直前まで、スイッチ素子６２を閉じ、フォトトランジスタのベースに電荷を蓄積させない動作が前提になっている。

変形例．
本発明の実施形態は、以上に説明した実施形態に限定されない。

列出力線ごとに１つずつの電流シンクを配置してもよく、また、２つ以上の列出力線で１つの電流シンクを共用してもよい。

列出力線ごとに１つずつのＩＶ変換器を配置してもよく、また、２つ以上の列出力線で１つのＩＶ変換器を共用してもよい。後者の場合、列出力線を選択する機能をＩＶ変換器に追加する必要がある。

ＩＶ変換器ごとに１つずつのＡＤ変換器を配置してもよく、また、２つ以上のＩＶ変換器の出力電圧に対して１つのＡＤ変換器を配置し、ＡＤ変換器を時分割で共用してもよい。

以上説明した実施形態及び変形例に係る光電変換装置を用いて、センサ、撮像装置、事務機器、科学機器などの画像生成装置を提供してもよい。

本発明の態様に係る光電変換装置及び画像生成装置は、以下の構成を備えたことを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る光電変換装置によれば、
少なくとも１つの光電変換セルと、第１の出力線と、第２の出力線とを備えた光電変換装置であって、
上記各光電変換セルは、
入射光の強度に対応する出力電流を発生するフォトトランジスタを含む光電変換素子と、
第１の制御信号に応答して上記光電変換素子の出力電流を上記第１の出力線に送る第１のスイッチ素子と、
第２の制御信号に応答して上記光電変換素子の出力電流を上記第２の出力線に送る第２のスイッチ素子とを備え、
上記第１のスイッチ素子が少なくとも予め決られた時間にわたって閉じられた後で開かれた直後、上記第２のスイッチ素子は閉じられ、
上記第２のスイッチ素子が開かれた後、上記第１のスイッチ素子は閉じられることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る光電変換装置によれば、第１の態様に係る光電変換装置において、
上記第１の出力線を介して上記光電変換素子の出力電流が入力される電流シンク回路をさらに備えたことを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る光電変換装置によれば、第２の態様に係る光電変換装置において、
上記光電変換装置は、上記第１及び第２の制御信号を生成する制御装置をさらに備え、
上記電流シンク回路は、上記第１の出力線に流れる上記光電変換素子の出力電流の大きさをモニタし、
上記光電変換素子の出力電流の大きさが予め決められたしきい値を超えるとき、上記制御装置は、上記第１のスイッチ素子を開くように上記第１の制御信号を生成することを特徴とする。

本発明の第４の態様に係る光電変換装置によれば、第２の態様に係る光電変換装置において、
上記電流シンク回路は、上記第１の出力線を介して入力される上記光電変換素子の出力電流の大きさを予め決められたしきい値以下に制限することを特徴とする。

本発明の第５の態様に係る光電変換装置によれば、第２の態様に係る光電変換装置において、
上記光電変換装置は、
上記第１及び第２の制御信号を生成する制御装置と、
上記入射光の強度を検出する少なくとも１つのセンサとをさらに備え、
上記入射光の強度が予め決められたしきい値を超えるとき、上記制御装置は、上記第１のスイッチ素子を開くように上記第１の制御信号を生成することを特徴とする。

本発明の第６の態様に係る光電変換装置によれば、第１〜第５のいずれか１つの態様に係る光電変換装置において、
上記第２の出力線を介して入力される上記光電変換素子の出力電流を出力電圧に変換する電流電圧変換回路をさらに備えたことを特徴とする。

本発明の第７の態様に係る光電変換装置によれば、第１〜第６のいずれか１つの態様に係る光電変換装置において、
アレー状に配置された複数の光電変換セルを備えたことを特徴とする。

本発明の第８の態様に係る画像生成装置によれば、
第１〜第７のいずれか１つの態様に係る光電変換装置を備えたことを特徴とする。

本発明の光電変換装置によれば、光電変換装置の外部における複雑な制御又は処理を必要とせず、広いダイナミックレンジの画像を高速に生成することができる。

本発明の光電変換装置によれば、電流シンク回路が電流制限機能を有することにより、光電変換装置の消費電力量を削減することができる。

１０，１０Ｃ…行セレクタ、
１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎ…画素セル、
１２−１〜１２−Ｍ，１３−１〜１３−Ｍ…行制御線、
１４−１〜１４−Ｎ，１５−１〜１５−Ｎ…列出力線、
２１，２１Ｂ，２１Ｃ…電流シンク回路、
２１−１〜２１−Ｎ，２１Ａ−１，２１Ｂ−１〜２１Ｂ−Ｎ，２１Ｃ−１〜２１Ｃ−Ｎ…電流シンク、
３１…ＩＶ変換回路、
３１−１〜３１−Ｎ，３１Ａ−１〜３１Ｅ−１…ＩＶ変換器、
４１…ＡＤ変換回路、
４１−１〜４１−Ｎ…ＡＤ変換器、
５１…制御回路、
６１…フォトトランジスタ、
６２，６３…スイッチ素子、
８１…ダミー画素アレー、
８１−１〜８１−Ｍ…ダミー画素セル、
８２…電流モニタ回路、
９３，９５…ダイオード、
７１，７２，７３，９１，９２，９４，９７…オペアンプ、
９６，９８…ＭＯＳトランジスタ、
Ｃ１１…キャパシタ、
Ｅ１，Ｅ１１…電圧源、
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１…抵抗。

特開平２−１５５３６３号公報 特開平５−２３６１９６号公報 特開２０１２−０２８９７５号公報

Claims (8)

1. 少なくとも１つの光電変換セルと、第１の出力線と、第２の出力線とを備えた光電変換装置であって、
   上記各光電変換セルは、
   入射光の強度に対応する出力電流を発生するフォトトランジスタを含む光電変換素子と、
   第１の制御信号に応答して上記光電変換素子の出力電流を上記第１の出力線に送る第１のスイッチ素子と、
   第２の制御信号に応答して上記光電変換素子の出力電流を上記第２の出力線に送る第２のスイッチ素子とを備え、
   上記第１のスイッチ素子が少なくとも予め決られた時間にわたって閉じられた後で開かれた直後、上記第２のスイッチ素子は閉じられ、
   上記第２のスイッチ素子が開かれた後、上記第１のスイッチ素子は閉じられ、
   上記光電変換装置は、上記第１の出力線を介して上記光電変換素子の出力電流が入力される電流シンク回路をさらに備えたことを特徴とする光電変換装置。
2. 少なくとも１つの光電変換セルと、第１の出力線と、第２の出力線とを備えた光電変換装置であって、
   上記各光電変換セルは、
   入射光の強度に対応する出力電流を発生するフォトトランジスタを含む光電変換素子と、
   第１の制御信号に応答して上記光電変換素子の出力電流を上記第１の出力線に送る第１のスイッチ素子と、
   第２の制御信号に応答して上記光電変換素子の出力電流を上記第２の出力線に送る第２のスイッチ素子とを備え、
   上記第１のスイッチ素子が少なくとも予め決られた時間にわたって閉じられた後で開かれた直後、上記第２のスイッチ素子は閉じられ、
   上記第２のスイッチ素子が開かれた後、上記第１のスイッチ素子は閉じられ、
   上記光電変換装置は、
   上記第１及び第２の制御信号を生成する制御装置と、
   上記入射光の強度に応じた大きさの出力電流を発生するダミー光電変換セルとをさらに備え、
   上記制御装置は、上記ダミー光電変換セルの出力電流が予め決められたしきい値を超えるとき、上記第１のスイッチ素子を開くように上記第１の制御信号を生成することを特徴とする光電変換装置。
3. 上記光電変換装置は、上記第１及び第２の制御信号を生成する制御装置をさらに備え、
   上記電流シンク回路は、上記第１の出力線に流れる上記光電変換素子の出力電流の大きさをモニタし、
   上記光電変換素子の出力電流の大きさが予め決められたしきい値を超えるとき、上記制御装置は、上記第１のスイッチ素子を開くように上記第１の制御信号を生成することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
4. 上記電流シンク回路は、上記第１の出力線を介して入力される上記光電変換素子の出力電流の大きさを予め決められたしきい値以下に制限することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
5. 上記光電変換装置は、
   上記第１及び第２の制御信号を生成する制御装置と、
   上記入射光の強度を検出する少なくとも１つのセンサとをさらに備え、
   上記入射光の強度が予め決められたしきい値を超えるとき、上記制御装置は、上記第１のスイッチ素子を開くように上記第１の制御信号を生成することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
6. 上記第２の出力線を介して入力される上記光電変換素子の出力電流を出力電圧に変換する電流電圧変換回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の光電変換装置。
7. アレー状に配置された複数の光電変換セルを備えたことを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の光電変換装置。
8. 請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の光電変換装置を備えたことを特徴とする画像生成装置。

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