JPH1137841A - 電流ー電圧変換回路 - Google Patents

電流ー電圧変換回路

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JPH1137841A
JPH1137841A JP9211174A JP21117497A JPH1137841A JP H1137841 A JPH1137841 A JP H1137841A JP 9211174 A JP9211174 A JP 9211174A JP 21117497 A JP21117497 A JP 21117497A JP H1137841 A JPH1137841 A JP H1137841A
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Atsushi Matsuno
淳 松野
Takayuki Tokura
隆之 戸倉
Motoharu Yamaguchi
元治 山口
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 応答性を損なうことなく、電圧中の暗電流に
依存する部分を削除することができる電流ー電圧回路を
提供する。 【解決手段】 測光対象の光を受光して電流を出力する
第一の受光素子10と、第一の受光素子10から出力さ
れた電流を電圧に変換する第一の変換回路11とを有す
る第一変換ブロック1と、第一の受光素子10と略同じ
光電特性を持ち、かつ光が略入射しないように受光面が
覆われた第二の受光素子20と、第二の受光素子20か
ら出力された電流を電圧に変換する第二の変換回路21
とからなる第二変換ブロック2と、第一変換ブロック1
から出力された電圧から、第二変換ブロック2から出力
された電圧を減じて、第一変換ブロック1から出力され
た電圧から暗電流にて生じた電圧を略除去する減算回路
3とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、CCD等の受光素
子から出力された電流を電圧に変換するための電流ー電
圧変換回路に関し、特に受光素子の暗電流成分を除去す
ることのできる電流ー電圧変換回路に関する。
【0002】
【従来の技術】今日、CCD等の受光素子を内蔵したカ
メラや顕微鏡が普及している。このカメラ等において
は、受光素子から出力された電流を、電流ー電圧変換回
路を介して電圧に変換することが行われている。
【0003】従来、このような電流ー電圧変換回路は、
図4に示すように、測光対象の光を受光して電流を出力
するCCD等の受光素子51と、この受光素子51から
出力された電流を電圧に変換する変換回路52とを含ん
でなる変換ブロック50と、変換ブロック50から出力
された電圧に対し温度補償を行う補償回路60とから構
成されていた。
【0004】ここで、受光素子51からは、受光量に略
比例する電流(以下、この電流を「光電流」とする。)
と、受光量に略比例しない電流であって、受光素子に加
わる周囲熱等によって変化する電流(以下、この電流を
「暗電流」とする)とを合わせてなる電流が出力され
る。
【0005】このように受光素子51から出力される電
流が互いに特性の異なる光電流と暗電流とから構成され
ることにより、受光素子51への入射光量に対する、受
光素子51から出力される電流の比例特性は、この受光
素子51への入射光量の大小によって大きく異なってい
た。例えば受光素子51への入射光量が多くなる程(明
るくなる程)、光電流が多くなる一方、暗電流は変化し
ない。したがってこの場合、電流中に占める光電流の割
合が多くなり、電流は全体として入射光量にほぼ比例す
るようになる。逆に受光素子51への入射光量が少なく
なる程(暗くなる程)、光電流が少なくなる一方、暗電
流は変化しない。したがってこの場合、電流中に占める
光電流の割合が少なくなり、電流は入射光量に全体とし
て比例しなくなる。
【0006】このような特性を有する電流を電圧に変換
した場合、該電圧も電流と同じような特性を有する。い
ま、図4に示すように、変換回路52は抵抗53と演算
増幅器54から構成されている。ここで、受光素子51
から出力される光電流の電流値をIs10、暗電流の電
流値をId10、変換回路52の抵抗53の抵抗値をR
10とした場合には、点P10における変換ブロック5
0の出力電圧VP10は、
【数1】 となる。この式1から分かるように、受光素子51への
入射光量が少なくなった場合には、出力電圧VP10中
に占める光電流の電流値Is10の割合が少なくなり、
出力電圧VP10が入射光量に全体として比例しなくな
る。
【0007】また、図4に示すように、変換ブロック5
0の次段に補償回路60を設けた場合であっても、上記
のような特性は同じである。この補償回路60は2つの
抵抗61、62と1つの演算増幅器63から構成されて
いる。ここで、抵抗61、62の抵抗値をそれぞれR1
1、R12とすると、点P11における補償回路60の
出力電圧VP11は、
【数2】 となる。この式2から分かるように、抵抗53、62に
温度係数の小さな抵抗を用い、抵抗61に温度特性が光
電流の温度特性と同じ抵抗を用いることで光電流の温度
依存性を打ち消すことができる。しかし一方、温度が高
くなると暗電流の電流値Id10は増加するので、光電
流が暗電流に比べて十分に大きくないと、やはり受光素
子51からの光電流に比例する電圧を得られない。この
ように受光素子51からの光電流に比例する電圧を得ら
れない範囲では受光素子51への入射光量を正確に測光
できなくなるため、結果として、測光範囲が狭くなると
いう問題がある。このような問題は、顕微鏡のように暗
い環境において観察光を受光する装置にとっては特に深
刻である。
【0008】そこで、このような問題に鑑みて、暗電流
による影響を打ち消すための工夫が従来から提案されて
いる。その一例の回路図を図5に示す。この図5に示す
例では、受光素子55の入射光路にシャッタ56が配置
されている。そして、まずシャッタ56を閉じて受光素
子55に入射する光を遮断し、その際に受光素子55か
ら出力された電流を、図3の変換回路52と略同じ構成
の変換回路57で変換して電圧を得て、該電圧を図示し
ないメモリに記憶する。その後、シャッタ56を開いて
受光素子55に光を入射させ、受光素子55から出力さ
れた電流を変換回路57で変換して電圧を得る。そし
て、この電圧から前記メモリに記憶させた光遮断時の電
圧を、内蔵したソフトウェアを用いて減算することによ
って、電圧中の暗電流に依存する部分を削除し、光電流
のみに比例する出力電圧を得る。
【0009】またシャッタを用いない例もある。この例
の受光素子の正面図を図6に示す。この図6のCCD7
0は、受光するための感光画素71と、受光しないよう
に覆いが施された黒基準画素72とから構成されてい
る。そして、感光画素71から出力された信号を信号処
理回路に入力して光電荷信号を得ると共に、黒基準画素
72から出力された信号も、信号処理回路に入力して、
黒基準信号を得る。そして、感光画素71から出力され
た光電荷信号から、黒基準画素72から出力された黒基
準信号を、内蔵したソフトウェアを用いて減算すること
で、光電荷信号中の黒基準信号に依存する部分を削除し
光電荷のみに比例する出力信号を得る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の電流ー電圧変換回路においては、電圧中の暗電
流に依存する部分を削除するためにソフトウェアを用い
た減算処理を行っていたので、この減算処理に時間を要
し、電流ー電圧変換の応答が遅くなるという問題があっ
た。
【0011】本発明は、従来のこのような電流ー電圧回
路における問題点に鑑みてなされたもので、応答性を損
なうことなく、電圧中の暗電流に依存する部分を削除す
ることができる電流ー電圧回路を提供することを目的と
する。
【0012】この目的を達成するために請求項1記載の
本発明は、測光対象の光を受光して電流を出力する第一
の受光素子と、該第一の受光素子から出力された電流を
電圧に変換する第一の変換回路とを有する第一の変換手
段と、前記第一の受光素子と略同じ光電特性を持ち、か
つ光が略入射しないように受光面が覆われた第二の受光
素子と、該第二の受光素子から出力された電流を電圧に
変換する第二の変換回路とからなる第二の変換手段と、
前記第一の変換手段から出力された電圧から、前記第二
の変換手段から出力された電圧を減ずることによって、
前記第一の変換手段から出力された電圧から暗電流にて
生じた電圧を略除去する減算回路とを備えることを特徴
として構成されている。
【0013】また請求項2記載の本発明は、測光対象の
光を受光して電流を出力する第一の受光素子と、前記第
一の受光素子と略同じ光電特性を持ち、かつ光が略入射
しないように受光面が覆われた第二の受光素子と、前記
第一の受光素子から出力された電流から前記第二の受光
素子から出力された電流を減ずることによって、前記第
一の受光素子から出力された電流から暗電流を略除去す
る電流減算回路と、前記電流減算回路から出力される電
流を電圧に変換する変換手段とを備えることを特徴とし
て構成されている。
【0014】また請求項3記載の本発明は、請求項1又
は2記載の本発明において、前記減算回路は、前記第一
の受光素子から出力された電流に対する温度補償を行う
ことを特徴として構成されている。
【0015】また請求項4記載の本発明は、請求項1〜
3のいずれかに記載の本発明において、前記第一の受光
素子と前記第二の受光素子とを互いに近接配置したこと
を特徴として構成されている。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の電流ー電圧回路の
第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本実施形態における電流ー電圧回路の全体構成を
示す回路図、図2は後述する第一の受光素子及び第二の
受光素子の正面図である。図1に示すように、本実施形
態の電流ー電圧回路は、第一の変換手段たる第一変換ブ
ロック1と、第二の変換手段たる第二変換ブロック2
と、減算回路3と、補償回路4とから構成されている。
【0017】第一変換ブロック1は、第一の受光素子1
0と第一の変換回路11から構成されている。このうち
第一の受光素子10は、測光対象の光を受光して電流を
出力する2分割半導体センサの一方であり、受光量に略
比例する光電流と、受光量に略比例しない電流であって
受光素子に加わる周囲熱等によって変化する暗電流とを
合わせてなる電流を出力する。また第一の変換回路11
は、抵抗12と演算増幅器13から構成されており、第
一の受光素子10から出力された電流を、抵抗12の抵
抗値に応じた電圧に変換して出力する。
【0018】一方、第二変換ブロック2は、第二の受光
素子20と第二の変換回路21から構成されている。こ
の第二変換ブロック2の第二の受光素子20は、測光対
象の光を受光して電流を出力する2分割半導体センサの
他方の素子である。この第二の受光素子20も、本来、
前記第一の受光素子10と同様に、受光量に略比例する
光電流と、受光量に略比例しない電流であって受光素子
に加わる周囲熱等によって変化する暗電流とを合わせて
なる電流を出力するが、本形態においては、暗電流のみ
を出力する。この理由については後述する。
【0019】この第二の受光素子20は、第一の受光素
子10と略同じ光電特性を有する。この「同じ光電特
性」とは、各素子が同一面積であり、入射光量及び周囲
温度を含む環境が同じ場合に、同じ値の光電流及び暗電
流を出力することをいう。ここで、本形態における第一
の受光素子10と第二の受光素子20との位置関係を説
明する。図2は第一の受光素子10及び第二の受光素子
20の正面図である。この図2に示すように第二の受光
素子20は第一の受光素子10に隣接して配置されてお
り、したがって第一の受光素子10及び第二の受光素子
20の周囲温度を含む環境はほぼ同じである。このた
め、これら第一の受光素子10及び第二の受光素子20
から出力された暗電流は互いに同じといえる。
【0020】この第二の受光素子20は、図1、2に示
すように、その受光面の全面をマスク20aにて覆われ
ており、該受光面に一切の光が入射しないようにされて
いる。したがって、第二の受光素子20からは光電流が
出力されず、暗電流のみが出力される。
【0021】図1において、第二変換ブロック2の第二
の変換回路21は、抵抗22と演算増幅器23から構成
されており、第一の変換回路11と同様に、第二の受光
素子20から出力された電流を、抵抗22の抵抗値に応
じた電圧に変換して出力するものである。
【0022】減算回路3は、4つの抵抗31〜34と1
つの演算増幅器35から構成されており、第一変換ブロ
ック1から出力された電圧から、第二変換ブロック2か
ら出力された電圧を減ずるものである。補償回路4は、
2つの抵抗41、42と1つの演算増幅器43から構成
されており、減算回路3から出力された電圧に対し温度
補償を行う。
【0023】次に、これら減算回路3の変換及び補償回
路4の補償の具体的内容について説明する。いま、第一
変換ブロック1の第一の受光素子10に光が入射してい
る場合、該第一の受光素子10からは光電流と暗電流の
双方が出力される。この光電流の電流値をIs1、暗電
流の電流値をId1とする。また演算増幅器13の入力
バイアス電流の電流値をIb1、抵抗12の抵抗値をR
1とすると、点P1における第一変換ブロック1の出力
電圧VP1は、
【数3】 となる。
【0024】一方、図1に示す第二変換ブロック2にお
いては、第二の受光素子20に入射した光はマスクにて
遮断され、該第二の受光素子20からは暗電流のみが出
力される。この暗電流の電流値をId2とする。また第
二の変換回路21の演算増幅器23の入力バイアス電流
の電流値をIb2、抵抗22の抵抗値をR2とすると、
点P2における第二変換ブロック2の出力電圧VP2
は、
【数4】 となる。
【0025】ここで、減算回路3の抵抗31〜34のそ
れぞれの抵抗値をR3、R4、R5、R6とすると、点
P3における減算回路3の出力電圧VP3は、
【数5】 となる。
【0026】ここで、第一の受光素子10と第二の受光
素子20とは略同じ光電特性を有することから、Id1
=Id2である。また、Ib1=Ib2、R1=R2、
R3=R5、R4=R6、と設定すると、式5は、
【数6】 となる。
【0027】すなわち、この式6から分かるように、減
算回路3の出力電圧VP3中には第一の受光素子10か
ら出力された暗電流の電流値Id1が存在せず、また抵
抗値R1、R3及びR4は温度が一定であれば一定値を
取るので、出力電圧VP3は第一の受光素子10から出
力された光電流の電流値Is1にのみ比例する。つまり
減算回路3を介すことによって、暗電流成分が除去さ
れ、光電流のみに比例する出力電圧を得ることができ
る。
【0028】さらに、下記式7〜12の条件を全て満足
するように、抵抗12、22、31〜34の抵抗値R1
〜6、温度係数を設定することにより、式6の条件を維
持できると共に、該式6中における光電流の温度依存性
を打ち消すことができる。すなわち、特に補償回路4を
設けることなく、減算回路3によって温度補償をも行う
ことができる。
【数7】
【数8】
【数9】
【数10】
【数11】
【数12】
【0029】ここで、このように減算回路3によって温
度補償を行う場合には、式9と式12から分かるよう
に、抵抗31、33の温度係数を光電流の温度係数に合
わせる必要がある。しかし、このような抵抗は高価であ
り、電流ー電圧変化回路全体のコストを増大させること
になるため、必ずしも減算回路3によって温度補償を行
うことは好ましくない。そこで、本形態においては、減
算回路3の次段に補償回路4を設けることによって、温
度補償を行っている。
【0030】この補償回路4は、図1に示すように、2
つの抵抗41、42と演算増幅器43にて構成されてい
る。この補償回路4に、減算回路3の出力電圧VP3が
入力された場合、補償回路4の抵抗41、42の抵抗値
をそれぞれR7、R8とすると、点P4における補償回
路4の出力電圧VP4は、
【数13】 となる。
【0031】ここで、下記式14〜18の条件を全て満
足するように、抵抗11、22、31〜34、41、4
2の抵抗値R1〜8、温度係数を設定することにより、
式6の条件を維持できると共に、該式13中における光
電流の温度依存性を打ち消すことができる。
【数14】
【数15】
【数16】
【数17】
【数18】
【0032】この場合、式15と式16から分かるよう
に、抵抗41の温度係数を光電流の温度係数に合わせれ
ばよく、減算回路3によって温度補償を行う場合に比べ
て、特殊な抵抗の数を減らしてコストを低減化すること
ができる。
【0033】次に、本発明の第二実施形態を説明する。
図3は第二実施形態の電流一電圧回路を示す図である。
図1に示す部材と同じ機能を果たす部材には同一の符号
を付し、その説明は省略する。本実施形態は、図3に示
すように、受光素子10、20から出力される電流をま
ず電流減算回路80にて減じたのち、変換回路90にて
電圧に変換するものである。光電素子20には、ダイオ
ード81、トランジスタQ1〜Q3、抵抗R21,R2
2から構成される第1のユニットが接続されている。同
様に、光電素子10には、第1のユニットと同じ構成
の、ダイオード82、トランジスタQ4〜Q6、抵抗R
23,R24から構成される第2のユニットが接続され
ている。また、電源83は抵抗20とともに、光電素子
10、20に電源電圧を与えている。
【0034】ダイオード81を流れる電流I1は、受光
素子20の暗電流Id2であり、トランジスタQ3を流
れる電流I2と等しい。トランジスタQ3は、受光素子
10とダイオード82との間に接続されているため、ダ
イオード82を流れる電流I3は、受光素子10からの
電流I5(光電流Is1と暗電流Id1との和)から電
流I2を引いたものとなる。また、電流I3は、トラン
ジスタQ6を流れる電流I4と等しい。従って、抵抗R
24を介して変換回路90を流れる電流I4は、I4=
I3=I5- I2=I5−I 1=Is1+Id1−Id2
であり、また、受光素子10の暗電流Id1と受光素子
20の暗電流Id2とが互いに等しいので、I4=Is
1となる。このことにより、変換回路90から出力され
る電圧Voutは、暗電流成分を含まない受光素子10
の光電流Is1を電圧に変換した値となる。以上の第二
実施形態により、上述の第一実施形態と同じ効果を得る
ことができる。また、本実施形態においても、変換回路
90の出力端に、図1に示す補償回路4を接続すること
ができる。
【0035】さてこれまで本発明の一実施形態について
説明したが、本発明は上記に示した実施形態に限定され
ず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態に
て実施されてよいものであり、以下、これら異なる形態
について説明する。まず上記実施形態では、第二の受光
素子20の受光面の全面をマスク20aにて覆うものと
して説明したが、マスクでなくシャッタ等の遮光手段を
用いてもよい。すなわち、第二の受光素子20への入射
する光を遮光できればよい。
【0036】また第一の受光素子10と第二の受光素子
20は互いに同じ光電特性を有することが望ましいが、
完全に同じでなく、測定誤差範囲内に納まる程度の相違
があってもよい。また第二の受光素子20は第一の受光
素子10に対し近接配置されていなくともよく、第一の
受光素子10から出力される暗電流と同値の暗電流を出
力するような環境下に配置されていればよい。さらに、
上述の第一、第二実施形態においては、2分割半導体セ
ンサを実施形態として挙げ、第一の受光素子10、第二
の受光素子20はそれそれ単一の素子からなるものであ
ったが、本発明はこの構成に限らず、例えば、第一、第
二の受光素子10、20が、それぞれ同じ光電特性を有
し同じ分割数の多分割センサであっても良い。このと
き、例えば第一の受光素子(多分割素子)のうちの任意
の1個(2個、3個・・・)の素子の光電流成分を検出
するような場合は、その面積に対応して、第二の受光素
子(多分割素子)のうちの任意の1個(2個、3個・・
・)の素子の暗電流成分を減算すれば良い。
【0037】上記形態においては減算回路の次段に補償
回路を設けたが、上述したように減算回路によって温度
補償を行ってもよい。この場合には補償回路が不要とな
り、回路全体の構成を単純化できる。この他、本発明の
回路構成は図1に示されたものに限られず、測定誤差の
補償やさらなる機能を付加するために、抵抗、演算増幅
回路等の周知の電気素子を付加してもよい。
【0038】
【発明の効果】さて、これまで説明したように請求項1
記載の本発明は、測光対象の光を受光して電流を出力す
る第一の受光素子と、該第一の受光素子から出力された
電流を電圧に変換する第一の変換回路とを有する第一の
変換手段と、前記第一の受光素子と略同じ光電特性を持
ち、かつ光が略入射しないように受光面が覆われた第二
の受光素子と、該第二の受光素子から出力された電流を
電圧に変換する第二の変換回路とからなる第二の変換手
段と、前記第一の変換手段から出力された電圧から、前
記第二の変換手段から出力された電圧を減ずることによ
って、前記第一の変換手段から出力された電圧から暗電
流にて生じた電圧を略除去する減算回路とを備えたこと
により、受光素子からの暗電流、演算増幅器からの入力
バイアス電流に依存せず、光電流に比例した出力電圧を
得ることができる。特にソフトウェアでなく回路によっ
て暗電流を除去しているので、応答性を損なうことな
く、電圧中の暗電流に依存する部分を削除することがで
きる。
【0039】しかも請求項2記載の本発明は、測光対象
の光を受光して電流を出力する第一の受光素子と、第一
の受光素子と略同じ光電特性を持ち、かつ光が略入射し
ないように受光面が覆われた第二の受光素子と、第一の
受光素子から出力された電流から第二の受光素子から出
力された電流を減ずることによって、第一の受光素子か
ら出力された電流から暗電流を略除去する電流減算回路
と、電流減算回路から出力される電流を電圧に変換する
変換手段とを備えることにより、上述した請求項1記載
の本発明と同様の効果を得ることができる。
【0040】しかもまた請求項3記載の本発明は、減算
回路は、第一の受光素子から出力された電流に対する温
度補償を行うことにより、補償回路が不要となり、回路
全体の構成を単純化できる。
【0041】さらに請求項4記載の本発明は、第一の受
光素子と第二の受光素子とを互いに近接配置したことに
より、これらの素子を相互に同じ環境下に配置でき、こ
れら素子から相互に同じ暗電流を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施形態の電流ー電圧回路の全体
構成を示す回路図である。
【図2】第一の受光素子及び第二の受光素子の正面図で
ある。
【図3】本発明の第二実施形態の電気−電圧回路の全体
構成を示す回路図である。
【図4】従来の電流ー電圧回路の全体構成を示す回路図
である。
【図5】従来の他の電流ー電圧回路の要部を示す回路図
である。
【図6】従来の他の電流ー電圧回路の受光素子の正面図
である。
【符号の説明】
1 第一変換ブロック 2 第二変換ブロック 3 減算回路 4 補償回路 10 第一の受光素子 11 第一の変換回路 12、22、31〜34、41、42 抵抗 13、23、35、43 演算増幅器 20 第二の受光素子 21 第二の変換回路 80 電流減算回路 90 変換回路

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】測光対象の光を受光して電流を出力する第
    一の受光素子と、 前記第一の受光素子から出力された電流を電圧に変換す
    る第一の変換回路とを有する第一の変換手段と、 前記第一の受光素子と略同じ光電特性を持ち、かつ光が
    略入射しないように受光面が覆われた第二の受光素子
    と、 前記第二の受光素子から出力された電流を電圧に変換す
    る第二の変換回路とからなる第二の変換手段と、 前記第一の変換手段から出力された電圧から、前記第二
    の変換手段から出力された電圧を減ずることによって、
    前記第一の変換手段から出力された電圧から暗電流にて
    生じた電圧を略除去する減算回路と、を備えることを特
    徴とする電流ー電圧変換回路。
  2. 【請求項2】測光対象の光を受光して電流を出力する第
    一の受光素子と、 前記第一の受光素子と略同じ光電特性を持ち、かつ光が
    略入射しないように受光面が覆われた第二の受光素子
    と、 前記第一の受光素子から出力された電流から前記第二の
    受光素子から出力された電流を減ずることによって、前
    記第一の受光素子から出力された電流から暗電流を略除
    去する電流減算回路と、 前記電流減算回路から出力される電流を電圧に変換する
    変換手段と、を備えることを特徴とする電流一電圧変換
    回路。
  3. 【請求項3】前記減算回路は、前記第一の受光素子から
    出力された電流に対する温度補償を行うこと、を特徴と
    する請求項1又は2記載の電流ー電圧変換回路。
  4. 【請求項4】前記第一の受光素子と前記第二の受光素子
    とを互いに近接配置したこと、 を特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電流ー電
    圧変換回路。
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