JP6586793B2 - 光電変換装置及び画像生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置及び画像生成装置に関する。

従来、光電変換素子として、光電流を増幅する機能を有するフォトトランジスタを用いた光電変換セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。この光電変換セルでは、フォトトランジスタに蓄積された電荷を、読み出し時に放出（リセット）することで、フォトトランジスタに蓄積された電荷の放出（リセット）が行われる。

しかしながら、上記の光電変換セルでは、光エネルギーが強い場合や蓄積時間が長い場合、フォトトランジスタに蓄積された電荷を、予め決められた読み出し時間内にすべてリセットできないことがあるという課題があった。

そこで、上記課題に鑑み、フォトトランジスタに蓄積された電荷をリセットするために必要な時間の短縮が可能な光電変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、一実施形態において、光電変換装置は、
電圧源に接続されたコレクタ領域と、入射光を信号電荷に変換して蓄積するベース領域と、前記ベース領域に蓄積された信号電荷に応じた電流を出力するエミッタ領域とを有するフォトトランジスタを含む光電変換手段と、
を備え、
前記ベース電位設定手段は、前記エミッタ領域と接続される定電流源を含む。

本実施形態によれば、フォトトランジスタに蓄積された電荷をリセットするために必要な時間の短縮が可能な光電変換装置を提供することができる。

第１実施形態に係る光電変換装置の一例を示す等価回路図である。 第１実施形態の光電変換装置の動作の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態の光電変換装置における蓄積動作処理の状態を説明する図である。 第１実施形態の光電変換装置における積分器リセット処理の状態を説明する図である。 第１実施形態の光電変換装置におけるセルセレクト処理の状態を説明する図である。 第１実施形態の光電変換装置におけるセルリセット処理の状態を説明する図である。 従来の光電変換装置の一例を示す等価回路図である。 フォトトランジスタのリセット時のベース−エミッタ間電圧の変化を説明するグラフである。 積分器の出力について説明する図である。 第２実施形態に係る光電変換装置の一例を示す等価回路図である。 第２実施形態の光電変換装置の動作の一例を示すフローチャートである。 第２実施形態の光電変換装置における蓄積動作処理の状態を説明する図である。 第２実施形態の光電変換装置における積分器リセット処理の状態を説明する図である。 第２実施形態の光電変換装置におけるセルセレクト処理の状態を説明する図である。 第２実施形態の光電変換装置におけるセルリセット処理の状態を説明する図である。 第３実施形態に係る光電変換装置の一例を示す等価回路図である。 第３実施形態の光電変換装置の動作の一例を示すフローチャートである。 第３実施形態の光電変換装置における蓄積動作処理の状態を説明する図である。 第３実施形態の光電変換装置における積分器リセット処理の状態を説明する図である。 第３実施形態の光電変換装置におけるセルセレクト処理の状態を説明する図である。 第３実施形態の光電変換装置におけるセルリセット処理の状態を説明する図である。 画像生成装置の構成の一例を示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

［第１実施形態］
第１実施形態に係る光電変換装置の構成の一例について説明する。図１は、第１実施形態に係る光電変換装置の一例を示す等価回路図である。

図１に示すように、光電変換装置１は、画素セル１０と、画素セル１０に設けられた積分器２０と、信号電荷の読み出し経路としての出力線３０と、出力線３０の経路から分岐して設けられた定電流源４０と、画素セル１０と積分器２０の出力とを接続するリセット線５０とを備える。画素セル１０は光電変換手段の一例であり、積分器２０、出力線３０、定電流源４０及びリセット線５０はベース電位設定手段の一例である。

画素セル１０は、電圧源Ｖ_ｃｃと、フォトトランジスタ１１と、信号電荷の読み出し手段としてのセルセレクトスイッチ１２と、セルリセットスイッチ１３とを備える。

フォトトランジスタ１１は、コレクタ領域Ｃと、エミッタ領域Ｅと、ベース領域Ｂとを備えたバイポーラ構造を有する。

コレクタ領域Ｃは、電圧源Ｖ_ｃｃに接続されている。

エミッタ領域Ｅは、セルセレクトスイッチ１２に接続され、セルセレクトスイッチ１２をオンにすることで、セルセレクトスイッチ１２を介して出力線３０に接続される。この出力線３０には、積分器２０が接続され、エミッタ領域Ｅからの信号電荷が積分器２０に移送される。

ベース領域Ｂはセルリセットスイッチ１３に接続され、セルリセットスイッチ１３をオンにすることで、セルリセットスイッチ１３を介してリセット線５０に接続される。このリセット線５０には、積分器２０の出力が接続され、積分器２０の出力がベース領域Ｂに与えられる。

積分器２０は、フォトトランジスタ１１からの光電流が出力される出力線３０に設けられている。積分器２０は、フォトトランジスタ１１から読み出した光電流を積分処理して、読み出し時間内で累積して電圧に変えて出力する。積分器２０は、オペアンプ２１と、コンデンサ２２と、積分容量接続スイッチ２３と、積分器リセットスイッチ２４とを備える。

積分容量接続スイッチ２３は、コンデンサ２２を接続するスイッチである。積分器リセットスイッチ２４は、コンデンサ２２に蓄積されている信号電荷を放電させる（積分器リセット処理を行う）スイッチである。

定電流源４０は、フォトトランジスタ１１からの光電流が出力される出力線３０に、定電流源接続スイッチ４１を介して接続されている。

次に、上述した構成の光電変換装置１の動作の一例について説明する。図２は、第１実施形態の光電変換装置の動作の一例を示すフローチャートである。図３から図６は、第１実施形態の光電変換装置の各処理の状態を説明する図である。

光電変換装置１は、例えば制御線６１、６２を介して制御部（図示せず）等から指示を受けることで、図２のフローチャートに示されたステップＳ１１からステップＳ１４の処理を実行する。

まず、フォトトランジスタ１１に信号電荷を蓄積する蓄積動作処理を行う。具体的には、セルセレクトスイッチ１２をオフ、セルリセットスイッチ１３をオフにする（ステップＳ１１）。このとき、光電変換装置１は、図３に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオフ、セルリセットスイッチ１３がオフの状態となる。なお、積分容量接続スイッチ２３、積分器リセットスイッチ２４及び定電流源接続スイッチ４１は、オンであってもオフであってもよい。これにより、フォトトランジスタ１１では、光エネルギーの受光により、光エネルギーが信号電荷に変換されてベース領域Ｂに蓄積される。この状態では、画素セル１０のフォトトランジスタ１１のエミッタ領域Ｅ及びベース領域Ｂはフローティング状態である。このため、後述するセルリセット処理で設定されたベース電位から開始し、光エネルギーに応じて発生した信号電荷がベース領域Ｂに蓄積されることで、ベース−コレクタ間電圧Ｖ_ＢＣが小さくなる。

次いで、積分器２０のコンデンサ２２に残留している信号電荷を放電させる積分器リセット処理を行う。具体的には、積分器リセットスイッチ２４をオン、積分容量接続スイッチ２３をオンにする（ステップＳ１２）。このとき、光電変換装置１は、図４に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオフ、セルリセットスイッチ１３がオフ、積分容量接続スイッチ２３がオン、積分器リセットスイッチ２４がオンの状態となる。なお、定電流源接続スイッチ４１は、オンであってもオフであってもよく、例えばオフとすることができる。これにより、コンデンサ２２内の信号電荷を放電させることができる。

次いで、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷を放電するセルセレクト処理を行う。具体的には、セルセレクトスイッチ１２をオン、積分器リセットスイッチ２４をオフにする（ステップＳ１３）。また、定電流源接続スイッチ４１がオフの状態である場合には、定電流源接続スイッチ４１をオンにする。このとき、光電変換装置１は、図５に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオン、セルリセットスイッチ１３がオフ、積分容量接続スイッチ２３がオン、積分器リセットスイッチ２４がオフ、定電流源接続スイッチ４１がオンの状態となる。これにより、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷に応じた光電流が積分器２０に流れ込む。そして、積分器２０において、読み出し時間内に発生する光電流を累積して電圧に変換され、出力される。なお、セルセレクト処理の終了後、定電流源接続スイッチ４１をオフにし、積分器２０の出力の読み出しが行われる。積分器２０の出力の読み出しが行われた後、再び、定電流源接続スイッチ４１をオンにする。この積分器２０から出力される信号は、後述するＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換されて光電変換装置１から出力される。なお、出力線３０には定電流源４０が接続されているため、積分器２０に流れ込む光電流は定電流源４０による電流ｉ_Ｂを差し引いた値となる。

次いで、フォトトランジスタ１１の内部に蓄積されている信号電荷を放電するセルリセット処理を行う。具体的には、セルリセットスイッチ１３をオン、積分容量接続スイッチ２３をオフにする（ステップＳ１４）。このとき、光電変換装置１は、図６に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオン、セルリセットスイッチ１３がオン、積分容量接続スイッチ２３がオフ、積分器リセットスイッチ２４がオフの状態となる。これにより、フォトトランジスタ１１のベース領域Ｂ、エミッタ領域Ｅ、セルセレクトスイッチ１２、出力線３０、積分器２０のオペアンプ２１、リセット線５０及びセルリセットスイッチ１３によりフィードバックループが形成される。そして、出力線３０の電位は基準電位Ｖ_ｒｅｆになるように制御されるため、フォトトランジスタ１１の特性が異なっていたとしても、フォトトランジスタ１１のベース−エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥは定電流源４０で設定される電流ｉ_Ｂを流すような値に制御される。

次いで、ステップＳ１４の処理が終了すると、再びステップＳ１１へ戻り、上記のステップＳ１１からステップＳ１４の処理が繰り返される。

次に、第１実施形態の光電変換装置１の比較のために、フォトトランジスタ１１のベース領域Ｂがフローティングの状態である光電変換装置の場合について説明する。図７は、従来の光電変換装置の一例を示す等価回路図である。

図７に示すように、光電変換装置９は、画素セル１０と、画素セル１０に設けられた積分器２０と、信号電荷の読み出し経路としての出力線３０とを備える。画素セル１０、積分器２０及び出力線３０については、第１実施形態の光電変換装置１と同様の構成を有する。そして、比較例の光電変換装置９では、セルセレクト処理がセルリセット処理にもなっている。

比較例の光電変換装置９の動作の一例について説明する。

蓄積動作処理が開始された直後、ベース領域Ｂはフローティングの状態になっているが、コレクタ−ベース間電圧Ｖ_ＣＢは寄生容量により固定されている。この状態で、フォトトランジスタ１１が光エネルギーを受光することにより、フォトトランジスタ１１の内部に光エネルギーに応じた信号電荷が蓄積されることで、コレクタ−ベース間電圧Ｖ_ＣＢは小さくなる。このとき、光エネルギーが大きいほどベース電位は大きくなる。この間、ベース−エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥは、エミッタ電位がフローティングの状態であるため、ベース−エミッタ間寄生容量に蓄積された信号電荷が保存されるのでおよそ一定値を保つ。

セルセレクトスイッチ１２がオンされることで画素セル１０が選択され、エミッタ電位が基準電位Ｖ_ｒｅｆに固定されると、ベース領域Ｂに蓄積された信号電荷はベース電流となってエミッタ方向へ流れ出す。このとき、バイポーラトランジスタの増幅作用により、コレクタ領域Ｃからエミッタ領域Ｅに電流が流れ、ベース電流と併せて光電流となる。

ところで、画素セル１０が選択された直後は、ベース電流が勢いよく流れることで、ベース電位も大きく低下するが、時間の経過と共にベース電位の低下量が小さくなり一定の値となる。このように、時間の経過と共にベース電位の低下量が小さくなるため、ベース電位が一定の値に到達する前に信号電荷の読み出し時間が経過してしまうことがある。そして、このときのベース電位がフォトトランジスタ１１のリセットされた状態として、次の蓄積動作処理が行われる。このため、蓄積動作処理により蓄積される信号電荷の量が、その蓄積動作処理以前の状態による影響を受けるため、信号電荷の量は光エネルギーの大きさに応じた量からずれることになる（リセット誤差）。なお、このフォトトランジスタ１１のリセットされた状態におけるベース電位は、フォトトランジスタ１１が受光した光エネルギーの大きさによって変化する。

具体的には、図８に示すように、読み出し終了時間（図８中の時間ｔ）におけるベース−エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥは、フォトトランジスタ１１が受光する光エネルギーが大きいほど高くなる。なお、図８は、フォトトランジスタ１１のリセット時のベース−エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥの変化を説明するグラフである。図８において、横軸は時間を表し、縦軸はベース−エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥを表す。また、図８において、実線はフォトトランジスタ１１が受光した光エネルギーが大きい場合を表し、破線はフォトトランジスタ１１が受光した光エネルギーが小さい場合を表す。

しかしながら、本実施形態の光電変換装置１では、フォトトランジスタ１１を定電流源４０によって設定された一定の電流を流す状態のベース−エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥになるようにリセット処理を行う。

このため、エミッタ領域Ｅの電位を固定し、ベース電位をフローティングな状態でベース電位が完全にリセットされた状態の電位に到達するまでの時間よりも早くベース電位を決められる。その結果、フォトトランジスタ１１が受光する光エネルギーが異なることにより、フォトトランジスタ１１の内部に蓄積される信号電荷の量が異なる場合であっても、リセット誤差を小さくすることができる。

また、フォトトランジスタ１１のベース−エミッタ間のバイアス条件を設定することができる。このため、予めリセット動作が高速で行われるようなバイアス条件を設定することで、フォトトランジスタに蓄積された電荷をリセットするために必要な時間（以下「リセット時間」という。）を短縮することができ、読み出し時間を短くすることができる。

また、光電変換装置１が複数の画素セル１０を有する場合、各画素セル１０にそれぞれフォトトランジスタ１１が設けられるが、各フォトトランジスタ１１の特性にはバラツキが存在することがある。そして、各フォトトランジスタ１１の特性にバラツキが存在すると、ベース電位をリセット電位に固定することでフォトトランジスタ１１のリセットを行う場合、リセット電位がすべての画素セル１０に対して一定にすると、各フォトトランジスタ１１の特性ばらつきによりリセット状態で規定されたベース−エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥを与えたときの出力電流がばらつくことになる。

しかしながら、本実施形態の光電変換装置１では、各フォトトランジスタ１１の特性にばらつきが存在する場合であっても、各フォトトランジスタ１１が同じエミッタ電流となるようにリセット処理が行われる。その結果、各フォトトランジスタ１１の特性ばらつきを補正することができる。

次に、積分器２０からの出力電圧について説明する。図９は、積分器の出力について説明する図である。具体的には、図９（Ａ）は第１実施形態の光電変換装置を用いた場合の積分器の出力電圧を説明する図であり、図９（Ｂ）は比較例の光電変換装置を用いた場合の積分器の出力電圧を説明する図である。

なお、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）において、上図はセルセレクトスイッチ１２及び積分器リセットスイッチ２４の動作状態を示す図であり、下図は積分器２０の出力電圧（縦軸）と時間（横軸）との関係を示すグラフである。

図９（Ａ）に示すように、第１実施形態の光電変換装置１を用いた場合、積分器リセットスイッチ２４をオンにすることで積分器リセット処理を行う（時間ｔ１）と、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが基準電位Ｖ_ｒｅｆとなる。

次いで、積分器リセットスイッチ２４をオフにした後、セルセレクトスイッチ１２をオンにすることでセルセレクト処理を行う（時間ｔ２）と、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷の量に応じて出力電圧Ｖ_ｏｕｔが変化する。具体的には、フォトトランジスタ１１に信号電荷が蓄積されていない暗状態の場合、積分器２０から定電流源４０に向けて電流が流れるため、時間の経過と共に出力電圧Ｖ_ｏｕｔが大きくなる（図中の実線）。また、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷が少ない場合、初めのうちは画素セル１０から積分器２０に向けて光電流が流れるため出力電圧Ｖ_ｏｕｔが小さくなるが、時間の経過と共に積分器２０から定電流源４０に向けて電流が流れるため、時間の経過と共に出力電圧Ｖ_ｏｕｔが大きくなる（図中の破線）。また、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷が多い場合、画素セル１０から積分器２０に向けて光電流が流れるため、時間の経過と共に出力電圧Ｖ_ｏｕｔが小さくなる（図中の一点鎖線）。

次いで、セルセレクトスイッチ１２をオフにすることでセルセレクト処理を終了する（時間ｔ３）と、積分器２０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは一定値を維持する。

このように、第１実施形態の光電変換装置１を用いた場合、フォトトランジスタ１１に信号電荷が蓄積されていない暗状態の場合、積分器２０から定電流源４０に向けて電流が流れるため、時間の経過と共に出力電圧Ｖ_ｏｕｔが大きくなる。このときの出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、基準電位Ｖ_ｒｅｆに対して、（定電流源４０の電流）×（読み出し時間）／（コンデンサ２２の容量）だけ大きい電圧となる。このため、ダイナミックレンジが広くなり、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が向上する。

これに対して、比較例の光電変換装置９を用いた場合、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷の量に関わらず、画素セル１０の光電流が積分器２０へ流れ込むため、積分器２０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは常に基準電位Ｖ_ｒｅｆよりも低い値となる。このため、ダイナミックレンジが狭くなり、大きなＳ／Ｎ比を得ることが難しい。

具体的には、図９（Ｂ）に示すように、比較例の光電変換装置９を用いた場合、積分器リセットスイッチ２４をオンにすることで積分器リセット処理を行う（時間ｔ１）と、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが基準電位Ｖ_ｒｅｆとなる。

次いで、積分器リセットスイッチ２４をオフにした後、セルセレクトスイッチ１２をオンにすることでセルセレクト処理を行う（時間ｔ２）と、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷の量に応じて出力電圧Ｖ_ｏｕｔが変化する。具体的には、フォトトランジスタ１１に信号電荷が蓄積されていない暗状態の場合、フォトトランジスタ１１から積分器２０に向けて電流が流れないため、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは変化しない（図中の実線）。また、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷が少ない場合、フォトトランジスタ１１から積分器２０に向けて電流が流れるため、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが小さくなる（図中の破線）。また、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷が多い場合、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷が少ない場合よりもフォトトランジスタ１１から積分器２０に向けて流れる電流が大きく、出力電圧Ｖ_ｏｕｔはより小さくなる（図中の一点鎖線）。

次いで、セルセレクトスイッチ１２をオフにすることでセルセレクト処理を終了する（時間ｔ３）と、積分器２０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは一定値を維持する。

［第２実施形態］
第２実施形態に係る光電変換装置の構成の一例について説明する。図１０は、第２実施形態に係る光電変換装置の一例を示す等価回路図である。

図１０に示すように、第２実施形態に係る光電変換装置２は、セルリセット処理を行うときに用いられるオペアンプ（以下「フィードバックアンプ２１０」という。）を積分器２０のオペアンプ２１とは別体に備え、出力線３０を積分器２０と接続するか否かを切り替える積分器接続スイッチ２２０を備える点で、第１実施形態と異なる。なお、その他の構成については、第１実施形態に係る光電変換装置１と同様であるため、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図１０に示すように、光電変換装置２は、画素セル１０と、積分器２０と、出力線３０と、定電流源４０と、リセット線５０と、フィードバックアンプ２１０と、積分器接続スイッチ２２０とを備える。画素セル１０は光電変換手段の一例であり、出力線３０、定電流源４０、リセット線５０、フィードバックアンプ２１０及び積分器接続スイッチ２２０は、ベース電位設定手段の一例である。

フィードバックアンプ２１０は、出力線３０の経路から分岐して設けられており、その出力は、セルリセットスイッチ１３を介してフォトトランジスタ１１のベース領域Ｂに接続されている。

積分器接続スイッチ２２０は、画素セル１０と積分器２０とを接続する出力線３０に設けられているスイッチである。画素セル１０は、積分器接続スイッチ２２０に接続され、積分器接続スイッチ２２０をオンにすることで、積分器接続スイッチ２２０を介して積分器２０に接続される。

次に、上述した構成の光電変換装置２の動作の一例について説明する。図１１は、第２実施形態の光電変換装置の動作の一例を示すフローチャートである。

光電変換装置２は、例えば制御線６１、６２を介して制御部（図示せず）等から指示を受けることで、図１１のフローチャートに示されたステップＳ２１からステップＳ２４の処理を実行する。図１２から図１５は、第２実施形態の光電変換装置の各処理の状態を説明する図である。

まず、フォトトランジスタ１１に信号電荷を蓄積する蓄積動作処理を行う。具体的には、セルセレクトスイッチ１２をオフ、セルリセットスイッチ１３をオフにする（ステップＳ２１）。このとき、光電変換装置２は、図１２に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオフ、セルリセットスイッチ１３がオフの状態となる。なお、積分器リセットスイッチ２４及び積分器接続スイッチ２２０は、オンであってもオフであってもよい。これにより、フォトトランジスタ１１では、光エネルギーの受光により、信号電荷に変換される。この状態では、画素セル１０のフォトトランジスタ１１のエミッタ領域Ｅ及びベース領域Ｂはフローティング状態である。このため、後述するセルリセット処理で設定されたベース電位から開始し、光エネルギーに応じて発生した信号電荷がベース領域Ｂに蓄積されることで、ベース−コレクタ間電圧Ｖ_ＢＣが小さくなる。

次いで、積分器２０のコンデンサ２２に残留している信号電荷を放電させる積分器リセット処理を行う。具体的には、積分器リセットスイッチ２４をオンにする（ステップＳ２２）。このとき、光電変換装置２は、図１３に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオフ、セルリセットスイッチ１３がオフ、積分器リセットスイッチ２４がオンの状態となる。なお、積分器接続スイッチ２２０は、オンであってもオフであってもよいが、電流が積分器接続スイッチ２２０を流れるときのオン抵抗による誤差を小さくすることができるという観点から、オフであることが好ましい。これにより、コンデンサ２２内の信号電荷を放電させることができる。

次いで、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷を放電するセルセレクト処理を行う。具体的には、セルセレクトスイッチ１２をオン、積分器リセットスイッチ２４をオフ、積分器接続スイッチ２２０をオンにする（ステップＳ２３）。このとき、光電変換装置２は、図１４に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオン、セルリセットスイッチ１３がオフ、積分器リセットスイッチ２４がオフ、積分器接続スイッチ２２０がオンの状態となる。これにより、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷に応じた光電流が積分器２０に流れ込む。そして、積分器２０において、読み出し時間内に発生する光電流を累積して電圧に変換され、出力される。なお、セルセレクト処理の終了後、定電流源接続スイッチ４１をオフにし、積分器２０の出力の読み出しが行われる。積分器２０の出力の読み出しが行われた後、再び、定電流源接続スイッチ４１をオンにする。この積分器２０から出力される信号は、後述するＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換されて光電変換装置２から出力される。なお、出力線３０には定電流源４０が接続されているため、積分器２０に流れ込む光電流は定電流源４０による電流ｉ_Ｂを差し引いた値となる。

次いで、フォトトランジスタ１１の内部に蓄積されている信号電荷を放電するセルリセット処理を行う。具体的には、セルリセットスイッチ１３をオン、積分器接続スイッチ２２０をオフにする（ステップＳ２４）。このとき、光電変換装置２は、図１５に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオン、セルリセットスイッチ１３がオン、積分器リセットスイッチ２４がオフ、積分器接続スイッチ２２０がオフの状態となる。これにより、フォトトランジスタ１１のベース領域Ｂ、エミッタ領域Ｅ、セルセレクトスイッチ１２、出力線３０、フィードバックアンプ２１０、リセット線５０及びセルリセットスイッチ１３によりフィードバックループが形成される。そして、出力線３０の電位は基準電位Ｖ_ｒｅｆになるように制御されるため、フォトトランジスタ１１の特性が異なっていたとしても、フォトトランジスタ１１のベース−エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥは定電流源４０で設定される電流ｉ_Ｂを流すような値に制御される。

次いで、ステップＳ２４の処理が終了すると、再びステップＳ２１へ戻り、上記のステップＳ２１からステップＳ２４の処理が繰り返される。

以上に説明したように、第２実施形態に係る光電変換装置２によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。

特に、第２実施形態では、光電変換装置２は、積分器２０のオペアンプ２１とは別体に、セルリセット処理を行うときに用いられる専用のフィードバックアンプ２１０を備える。このため、フレキシブルな設計が可能となる。具体的には、積分器２０に求められるオペアンプ２１の特性と、セルリセット処理を行うときに用いられるオペアンプの特性とは、必ずしも同じであるわけではなく、それぞれ異なる特性のオペアンプが好ましいことがある。この場合であっても、第２実施形態の光電変換装置２によれば、それぞれの目的に最適なオペアンプを選択することができる。

なお、第２実施形態では、セルリセット処理の際に積分器リセットスイッチ２４がオフの状態である形態について説明したが、これに限定されず、セルリセット処理の際に積分器リセットスイッチ２４をオンにしてもよい。

［第３実施形態］
第３実施形態に係る光電変換装置の構成の一例について説明する。図１６は、第３実施形態に係る光電変換装置の一例を示す等価回路図である。

図１６に示すように、第３実施形態に係る光電変換装置３は、２つの定電流源（第１定電流源３１１、第２定電流源３１２）を備える点で、第１実施形態と異なる。なお、その他の構成については、第１実施形態に係る光電変換装置１と同様であるため、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図１６に示すように、光電変換装置３は、画素セル１０と、積分器２０と、出力線３０と、リセット線５０と、第１定電流源３１１と、第２定電流源３１２と、第１定電流源接続スイッチ３２１と、第２定電流源接続スイッチ３２２とを備える。画素セル１０は光電変換手段の一例であり、積分器２０、出力線３０、リセット線５０、第２定電流源３１２及び第２定電流源接続スイッチ３２２はベース電位設定手段の一例である。

第１定電流源３１１は、出力線３０の経路から分岐し、第１定電流源接続スイッチ３２１を介して設けられた定電流源である。第１定電流源３１１は、セルセレクト処理のときに用いられる定電流源であり、第１定電流源接続スイッチ３２１をオンにすることで、出力線３０と接続される。

第２定電流源３１２は、出力線３０の経路から分岐し、第２定電流源接続スイッチ３２２を介して設けられた定電流源である。第２定電流源３１２は、セルリセット処理のときに用いられる定電流源であり、第２定電流源接続スイッチ３２２をオンにすることで、出力線３０と接続される。

次に、上述した構成の光電変換装置３の動作の一例について説明する。図１７は、第３実施形態の光電変換装置の動作の一例を示すフローチャートである。

光電変換装置３は、例えば制御線６１、６２を介して制御部（図示せず）等から指示を受けることで、図１７のフローチャートに示されたステップＳ３１からステップＳ３４の処理を実行する。図１８から図２１は、第３実施形態の光電変換装置の各処理の状態を説明する図である。

まず、フォトトランジスタ１１に信号電荷を蓄積する蓄積動作処理を行う。具体的には、セルセレクトスイッチ１２をオフ、セルリセットスイッチ１３をオフにする（ステップＳ３１）。このとき、光電変換装置３は、図１８に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオフ、セルリセットスイッチ１３がオフの状態となる。なお、積分器リセットスイッチ２４、積分容量接続スイッチ２３、第１定電流源接続スイッチ３２１及び第２定電流源接続スイッチ３２２は、オンであってもオフであってもよい。これにより、フォトトランジスタ１１では、光エネルギーの受光により、光エネルギーが信号電荷に変換されてベース領域Ｂに蓄積される。この状態では、画素セル１０のフォトトランジスタ１１のエミッタ領域Ｅ及びベース領域Ｂはフローティング状態である。このため、後述するセルリセット処理で設定されたベース電位から開始し、光エネルギーに応じて発生した信号電荷がベース領域Ｂに蓄積されることで、ベース−コレクタ間電圧Ｖ_ＢＣが小さくなる。

次いで、積分器２０のコンデンサ２２に残留している信号電荷を放電させる積分器リセット処理を行う。具体的には、積分器リセットスイッチ２４をオン、積分容量接続スイッチ２３をオンにする（ステップＳ３２）。このとき、光電変換装置３は、図１９に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオフ、セルリセットスイッチ１３がオフ、積分容量接続スイッチ２３がオン、積分器リセットスイッチ２４がオンの状態となる。これにより、コンデンサ２２内の信号電荷を放電させることができる。なお、第１定電流源接続スイッチ３２１及び第２定電流源接続スイッチ３２２は、オンであってもオフであってもよいが、電流が第１定電流源接続スイッチ３２１及び第２定電流源接続スイッチ３２２を流れるときのオン抵抗による誤差を小さくすることができるという観点から、オフであることが好ましい。

次いで、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷を放電するセルセレクト処理を行う。具体的には、セルセレクトスイッチ１２をオン、積分器リセットスイッチ２４をオフ、第１定電流源接続スイッチ３２１をオン、第２定電流源接続スイッチ３２２をオフにする（ステップＳ３３）。このとき、光電変換装置３は、図２０に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオン、セルリセットスイッチ１３がオフ、積分容量接続スイッチ２３がオン、積分器リセットスイッチ２４がオフ、第１定電流源接続スイッチ３２１がオン、第２定電流源接続スイッチ３２２がオフの状態となる。これにより、フォトトランジスタ１１に蓄積された信号電荷に応じた光電流が積分器２０に流れ込む。そして、積分器２０において、読み出し時間内に発生する光電流を累積して電圧に変換され、出力される。なお、セルセレクト処理の終了後、定電流源接続スイッチ４１をオフにし、積分器２０の出力の読み出しが行われる。積分器２０の出力の読み出しが行われた後、再び、定電流源接続スイッチ４１をオンにする。この積分器２０から出力される信号は、後述するＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換されて光電変換装置３から出力される。なお、出力線３０には第１定電流源３１１が接続されているため、積分器２０に流れ込む光電流は第１定電流源３１１による電流ｉ_Ｂ１を差し引いた値となる。

次いで、フォトトランジスタ１１の内部に蓄積されている信号電荷を放電するセルリセット処理を行う。具体的には、セルリセットスイッチ１３をオン、積分容量接続スイッチ２３をオフ、第１定電流源接続スイッチ３２１をオフ、第２定電流源接続スイッチ３２２をオンにする（ステップＳ３４）。このとき、光電変換装置３は、図２１に示すように、セルセレクトスイッチ１２がオン、セルリセットスイッチ１３がオン、積分容量接続スイッチ２３がオフ、積分器リセットスイッチ２４がオフ、第１定電流源接続スイッチ３２１がオフ、第２定電流源接続スイッチ３２２がオンの状態となる。これにより、フォトトランジスタ１１のベース領域Ｂ、エミッタ領域Ｅ、セルセレクトスイッチ１２、出力線３０、積分器２０のオペアンプ２１、リセット線５０及びセルリセットスイッチ１３によりフィードバックループが形成される。そして、出力線３０の電位は基準電位Ｖ_ｒｅｆになるように制御されるため、フォトトランジスタ１１の特性が異なっていたとしても、フォトトランジスタ１１のベース−エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥは第２定電流源３１２で設定される電流ｉ_Ｂ２を流すような値に制御される。

次いで、ステップＳ３４の処理が終了すると、再びステップＳ３１へ戻り、上記のステップＳ３１からステップＳ３４の処理が繰り返される。

以上に説明したように、第３実施形態に係る光電変換装置３によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。

特に、第３実施形態では、光電変換装置３は、２つの定電流源（第１定電流源３１１、第２定電流源３１２）を備える。このため、セルセレクト処理を行うときに引っ張る電流と、セルリセット処理を行うときに引っ張る電流とをそれぞれ任意に設定できる。具体的には、セルリセット処理を行う際に引っ張る電流はフォトトランジスタ１１の初期バイアス状態を設定するものであり、その状態へ整定するまでの時間や、光電流を出力するときの時間に影響する。また、セルセレクト処理に引っ張る電流は積分器２０の出力のダイナミックレンジや出力線３０のインピーダンスに影響する。このため、セルセレクト処理を行うときと、セルリセット処理を行うときとでは、定電流源４０に求められる電流値が必ずしも同じであるわけではなく、それぞれ異なる電流値の定電流源４０が好ましいことがある。この場合であっても、第３実施形態の光電変換装置３によれば、それぞれの目的に最適な定電流源４０を選択することができる。

なお、第３実施形態では、光電変換装置３が２つの定電流源（第１定電流源３１１、第２定電流源３１２）を備える形態について説明したが、これに限定されず、３つ以上の定電流源を備えていてもよい。

［第４実施形態］
第４実施形態では、上記の光電変換装置を２次元方向に複数配置した画像生成装置について説明する。図２２は、画像生成装置の構成の一例を示す図である。

図２２に示すように、画像生成装置は、２次元方向に複数配置された画素セル１０−１−１〜１０−Ｍ−Ｎと、複数の行選択線４１０−１〜４１０−Ｍと、複数の列出力線４２０−１〜４２０−Ｎと、複数のリセット線４３０−１〜４３０−Ｎと、行セレクタ４４０と、複数の積分器２０を含む電流／電圧アレイ（Ｉ／Ｖ変換アレイ４５０）と、積分器２０から出力される信号をデジタル信号に変換して出力するアナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換回路）を複数含むＡ／Ｄ変換アレイ４６０とを備える。

複数の画素セル１０−１〜１０−Ｍのそれぞれは、複数の行選択線４１０のうちの一つに接続され、さらに、複数の列出力線４２０のうちの一つに接続される。一つの列出力線４２０−ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）には、異なる行選択線４１０−１〜４１０−Ｍにそれぞれ接続された画素セル１０−１−ｎ〜１０−Ｍ−ｎが接続される。

行セレクタ４４０は、行選択線４１０−１〜４１０−Ｍを用いて、複数の画素セル１０−１−ｎ〜１０−Ｍ−ｎのうちの一つの画素セル１０−ｍ−ｎ（１≦ｍ≦Ｍ）を有効にする。有効にされた画素セル１０−ｍ−ｎは、光が入射したとき、入射光の強度に対応する大きさの光電流を、列出力線４２０−ｎを介してＩ／Ｖ変換アレイ４５０に送る。また、有効にされた画素セル１０−ｍ−ｎは、リセット線４３０−ｎを介してリセット電位が与えられる。

Ｉ／Ｖ変換アレイ４５０は、画素セル１０の出力電流を出力電圧に変換する。

Ａ／Ｄ変換アレイ４６０は、Ｉ／Ｖ変換アレイ４５０の出力電圧に対するアナログ／デジタル変換等の処理を実行して、出力画像信号を生成する。

なお、Ｉ／Ｖ変換アレイ４５０及びＡ／Ｄ変換アレイ４６０は、各列に一つずつ配置してもよく、複数の列ごとに一つ配置してもよい。これらの場合、列選択を行う機能を追加すればよい。

以上に説明したように、第４実施形態の画像生成装置では、第１実施形態から第３実施形態で説明した光電変換装置を２次元方向に複数配置した構成を有する。このため、読み出し時間を短くすることができ、その結果、画像生成速度を向上させることができる。

以上、光電変換装置及び画像生成装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１ 光電変換装置
１０ 画素セル
１１ フォトトランジスタ
２０ 積分器
３０ 出力線
４０ 定電流源
５０ リセット線
２１０ フィードバックアンプ
２２０ 積分器接続スイッチ
３１２ 第２定電流源
３２２ 第２定電流源接続スイッチ
４６０ Ａ／Ｄ変換アレイ
Ｅ エミッタ領域
Ｃ コレクタ領域
Ｂ ベース領域

特許第５６７４０９６号公報

Claims (7)

1. 電圧源に接続されたコレクタ領域と、入射光を信号電荷に変換して蓄積するベース領域と、前記ベース領域に蓄積された信号電荷に応じた電流を出力するエミッタ領域とを有するバイポーラ構造のフォトトランジスタを含む光電変換手段と、
   前記光電変換手段からの出力電流を予め設定された電流値になるように、前記フォトトランジスタのベース電位を設定するベース電位設定手段と
   を備え、
   前記ベース電位設定手段は、前記エミッタ領域と接続される定電流源を含む、
   光電変換装置。
2. 前記ベース電位設定手段は、
   前記エミッタ領域と接続される２以上の前記定電流源と、
   前記ベース電位設定手段により前記ベース電位を設定する場合と、前記ベース電位設定手段により前記ベース電位を設定しない場合とにおいて、２以上の前記定電流源の接続状態が異なる状態となるように切り替えるスイッチと
   を含む、
   請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記ベース電位設定手段は、前記ベース領域に接続され、前記フォトトランジスタをリセットするリセット線を含み、
   前記光電変換手段は、前記ベース領域と前記リセット線とを接続又は非接続にするスイッチを含む、
   請求項１又は２に記載の光電変換装置。
4. 前記ベース電位設定手段は、前記光電変換手段から出力される電流を積分処理して、所定の時間内で累積して電圧に変えて出力する積分器を含み、
   前記リセット線は、前記積分器の出力に接続されている、
   請求項３に記載の光電変換装置。
5. 前記ベース電位設定手段は、前記光電変換手段から出力される電流が入力されるオペアンプを含み、
   前記リセット線は、前記オペアンプの出力に接続されている、
   請求項３に記載の光電変換装置。
6. 複数の前記光電変換手段が２次元方向に配置された、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
7. 請求項６に記載の光電変換装置と、
   前記光電変換装置の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と
   を備える、
   画像生成装置。

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