DE60030959T2

DE60030959T2 - Photodetektorvorrichtung

Info

Publication number: DE60030959T2
Application number: DE60030959T
Authority: DE
Inventors: Seiichiro Hamamatsu Photonics K.K. MIZUNO
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2020-01-29
Also published as: JP4463428B2; AU2321400A; DE60030959D1; WO2000045592A1; US20020012058A1; US6606123B2; EP1158789B1; EP1158789A1; EP1158789A4

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtempfindliche Vorrichtung für das Ausgeben eines ein- oder zweidimensionalen Bildes als Digitalsignal.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine lichtempfindliche Vorrichtung wie beispielsweise eine Halbleiterbildaufnahmevorrichtung oder dergleichen weist ein Array aus mehreren lichtempfindlichen Elementen auf, von denen jedes eine Signalspannung ausgibt, die der Intensität des einfallenden Lichts entspricht. Eine Halbleiterbildaufnahmevorrichtung wandelt die Signalspannung als Analogsignal (durch A/D-Umwandlung) in ein Digitalsignal um und gibt das Digitalsignal aus. Wenn eine Signalspannung bei der A/D-Umwandlung einen vorgegebenen Wert überschreitet, wird ein auszugebendes Digitalsignal, das mithilfe der A/D-Umwandlung auf der Grundlage dieser Signalspannung erhalten wird, auf einen Wert gesättigt, der dem vorgegebenen Wert entspricht, und infolgedessen lässt sich kein genaues Bild erfassen. Daher wird herkömmlicherweise als vorgegebener Wert eine Signalspannung eingestellt, die gleich ihrem erwarteten Maximalwert oder größer als dieser ist, damit eine solche Sättigung vermieden wird. Außerdem wird mithilfe einer Technik wie der logarithmischen Kompression oder dergleichen der Dynamikbereich erhöht.
Die Halbleiterbildaufnahmevorrichtung wird beispielsweise für eine passive Entfernungsmesseinrichtung verwendet, die in eine Kamera eingebaut ist. Bei dieser Entfernungsmesseinrichtung erfassen zwei Halbleiterbildaufnahmevorrichtungen ein Bild aus Punktlicht, das von einer Leuchtdiode LED_n oder dergleichen zu einem Objekt hin projiziert und von dem Objekt reflektiert wird und die Entfernungsmessung erfolgt auf der Grundlage der zwei erfassten Bilder. Zu diesem Zeitpunkt erfassen die beiden Halbleiterbildaufnahmevor richtungen, da das Bild mit dem Punktlicht aus Hintergrundlichtkomponenten überlagerten Punktlichtkomponenten besteht, nur Hintergrundlichtkomponenten, während kein Punktlicht projiziert wird, und der Unterschied zwischen den Bildern mit und ohne die Punktlichtkomponenten wird berechnet, um Bilder zu erhalten, die nur aus den Punktlichtkomponenten bestehen, wodurch die Entfernungsmessgenauigkeit verbessert wird.
JP-A-4322575 beschreibt eine Anordnung für das Digitalisieren eines Analogsignals mit großer Genauigkeit, indem als Reaktion auf einen Eingangssignalpegel eine Referenzspannung variiert wird.
US-A-5343201 beschreibt einen A/D-Wandler für ein Bildsignal, der eine Gewichtungsschaltung umfasst, die für jeden Quantisierungsschritt bei der A/D-Umwandlung eine andere Gewichtung durchführt.
OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG
Bei der A/D-Umwandlung in der konventionellen lichtempfindlichen Vorrichtung verschlechtert sich jedoch die Auflösung eines ausgegebenen Digitalsignals, da ein großer Wert als vorgegebener Wert eingestellt wird, um eine Sättigung zu verhindern, wenn die Intensität des auf jedes lichterfassende Element einfallenden Lichts gering ist, d.h. wenn der Wert der Signalspannung gering ist.
Des Weiteren wird das folgende Problem aufgeworfen, wenn man ein Bild, das nur aus Punktlichtkomponenten besteht, dadurch erhält, dass wie in dem Fall, in dem die lichtempfindliche Vorrichtung bei der Entfernungsmesseinrichtung verwendet wird, das Ergebnis der Bilderfassung von Hintergrundlichtkomponenten von dem der Punktlichtkomponenten und Hintergrundlichtkomponenten abgezogen wird. Das heißt, wenn die Hintergrundlichtkomponenten größer sind als die Punkt lichtkomponenten, dann wird die Signalspannung, die beim Erfassen des mit den Hintergrundlichtkomponenten überlagerten Punktlichtes ausgegeben wird, sehr groß, und daher muss ein großer Wert als vorgegebener Wert eingestellt werden, um eine Sättigung zu verhindern. Somit verschlechtert sich die Auflösung eines Digitalsignals, das auf der Grundlage der als Differenz ermittelten Punktlichtkomponenten ausgegeben wird, noch weiter.
Die vorliegende Erfindung entstand in dem Bemühen, die oben genannten Probleme zu lösen, und ihre Aufgabe besteht darin, eine lichtempfindliche Bilderzeugungseinrichtung bereitzustellen, bei der es zu keiner Sättigung kommt, selbst wenn die Intensität des einfallenden Lichts hoch ist, und die eine hohe A/D-Umwandlungsauflösung garantieren kann, selbst wenn die Intensität des einfallenden Lichts gering ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine lichtempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Eine lichtempfindliche Vorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: (1) einen ein- oder zweidimensionalen Array aus N (N ≥ 2) lichtempfindlichen Elementen für das jeweilige Ausgeben von Signalströmen entsprechend der Lichtmenge, die sie empfangen, (2) N erste Integrierschaltungen, die den N lichtempfindlichen Elementen entsprechend angeordnet sind, den von den lichtempfindlichen Elementen ausgegebenen Signalströmen entsprechend Ladungen integrieren und Signalspannungen ausgeben, (3) eine erste Maximalwerterfassungsschaltung für das Erfassen eines Maximalwertes der Signalspannungen, die von den N Integrierschaltungen ausgegeben werden, und (4) eine A/D-Umwandlungsschaltung für das Einstellen eines A/D-Umwandlungsbereiches auf der Grundlage des von der ersten Maximalwerterfassungsschaltung erfassten Maximalwertes, für das Umwandeln der von den N ersten Integrierschaltungen ausgegebenen Signalspannungen in Digitalsignale und für das Ausgeben der Digitalsignale.
Die lichtempfindliche Vorrichtung kann N (N ≥ 2) Sätze aus lichtempfindlichen Elementen und ersten Integrierschaltungen umfassen. Jede erste Integrierschaltung integriert eine Ladung, die einem Signalstrom entspricht, der von jedem lichtempfindlichen Element entsprechend der Intensität des einfallenden Lichts ausgegeben wird, und gibt eine Signalspannung aus. Die erste Maximalwerterfassungsschaltung erfasst den Maximalwert der Signalspannungen, die von den N ersten Integrierschaltungen ausgegeben werden. Die A/D-Umwandlungsschaltung stellt den A/D-Umwandlungsbereich auf der Grundlage des von der ersten Maximalwerterfassungsschaltung erfassten Maximalwertes ein, wandelt die Signalspannungen, die von den N ersten Integrierschaltungen ausgegeben werden, in Digitalsignale um und gibt die Digitalsignale aus.
Die lichtempfindliche Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren Folgendes umfasst: (1) N zweite Integrierschaltungen, die den N lichtempfindlichen Elementen entsprechend angeordnet sind, Ladungen integrieren, die den Signalströmen entsprechen, die von den lichtempfindlichen Elementen ausgegeben werden, und Signalspannungen ausgeben, (2) Schalter und Kondensatoren, die nacheinander zwischen N Sätze aus nebeneinander liegenden zweiten und ersten Integrierschaltungen eingefügt sind, (3) eine zweite Maximalwerterfassungsschaltung für das Erfassen eines Maximalwertes der Signalspannungen, die von den N zweiten Integrierschaltungen ausgegeben werden, und (4) eine Zeitsteuerungsschaltung für das Steuern der Betriebszeiten der ersten und der zweiten Integrierschaltungen auf der Grundlage des von der zweiten Maximalwerterfassungsschaltung erfassten Maximalwertes.
In diesem Fall umfasst die lichtempfindliche Vorrichtung N Sätze aus lichtempfindlichen Elementen, zweiten Integrierschaltungen, Schaltern, Kondensatoren und ersten Integrierschaltungen, die in der genannten Reihenfolge miteinander verbunden sind. Der Kondensator und die erste Integrierschaltung jedes Satzes bilden eine so genannte CDS-Schaltung (CDS = Correlated Double Sampling). Jede zweite Integrierschaltung empfängt einen Signalstrom, der von jedem lichtempfindlichen Element entsprechend der Intensität des einfallenden Lichts ausgegeben wird, integriert eine Ladung auf der Grundlage des Signalstroms und gibt eine Signalspannung aus. Die zweite Maximalwerterfassungsschaltung erfasst den Maximalwert der Signalspannungen, die von den N zweiten Integrierschaltungen ausgegeben werden. Die Zeitsteuerungsschaltung steuert die Betriebszeiten der ersten und der zweiten Integrierschaltungen auf der Grundlage des von der zweiten Maximalwerterfassungsschaltung erfassten Maximalwertes. Infolgedessen werden verschiedene Rauschanteile aus den Signalspannungen entfernt, die von den zweiten Integrierschaltungen ausgegeben werden. Es sei angemerkt, dass es sich bei einem Signal, das von der zweiten Maximalwerterfassungsschaltung ausgewählt und erfasst werden soll, um den zweitgrößten Zahlenwert anstelle des Maximalwertes handeln kann beziehungsweise dass bei Bedarf ein Zahlenwert von geeigneter Ordnung verwendet werden kann. Insbesondere kann es sich bei der zweiten Maximalwerterfassungsschaltung um eine zweite Erfassungsschaltung für das Auswählen und Erfassen eines bestimmten Signals aus N Signalspannungen handeln.
Bei der lichtempfindlichen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine, die zusammen mit einem Projektionsmittel für das Projizieren von Punktlicht zu einem Objekt verwendet werden kann, und sie ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitsteuerungsschaltung (1) die N zweiten Integrierschaltungen so steuert, dass sie erste Ladungsbeträge auf der Grundlage von Signalströmen integrieren, die von den N lichtempfindlichen Elementen ausgegeben werden, wenn diese im Verlauf eines ersten Zeitraumes, in dem das Projektionsmittel das Punktlicht auf das Objekt projiziert, Punktlichtkomponenten und Hintergrundlichtkomponenten empfangen, und (2) dann die N zweiten Integrierschaltungen so steuert, dass sie zweite Ladungsbeträge auf der Grundlage von Signalströmen integrieren, die von den N lichtempfindlichen Elementen ausgegeben werden, wenn diese Hintergrundlichtkomponenten empfangen, und die N ersten Integrierschaltungen so steuert, dass sie im Verlauf eines zweiten Zeitraumes, in dem das Projektionsmittel kein Punktlicht auf das Objekt projiziert, Ladungsbeträge als Differenzen zwischen den ersten und den zweiten Ladungsbeträgen integrieren. In diesem Fall kann, selbst wenn die Hintergrundlichtkomponenten des auf jedes lichtempfindliche Element einfallenden Lichts größer sind als die Punktlichtkomponenten, jede erste Integrierschaltung ein Bild erhalten, das nur aus Punktlichtkomponenten besteht, indem das Ergebnis der Bilderfassung der Hintergrundlichtkomponenten von dem der Punktlichtkomponenten und Hintergrundlichtkomponenten abgezogen wird. Ein Digitalsignal, das von der A/D-Umwandlungsschaltung auf der Grundlage der als Differenz ermittelten Punktlichtkomponenten ausgegeben wird, kann eine hohe Auflösung aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltplan einer Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 ist ein Schaltplan einer Maximalwerterfassungsschaltung bei der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 ist ein Schaltplan einer Zeitsteuerungsschaltung bei der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 ist ein Schaltplan einer A/D-Umwandlungsschaltung bei der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 ist ein ausführlicher Schaltplan einer Integrierschaltung mit variabler Kapazität bei der A/D-Umwandlungsschaltung,
6 ist ein Zeitdiagramm, das die Funktionsweise der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert, und
die 7A, 7B, 7C und 7D sind Schaltpläne, die die Funktionsweise der A/D-Umwandlungsschaltung erläutern.
BESTE ARTEN DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es sei angemerkt, dass bei einer Beschreibung der Zeichnungen gleiche Bezugszahlen die gleichen Teile bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird.
1 ist ein Schaltplan einer Halbleiterbildaufnahmevorrichtung als lichtempfindliche Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform umfasst N Photodioden (lichtempfindliche Elemente) PD₁ bis PD_N und eine Integrierschaltung (zweite Integrierschaltung) 10_n , den Schalter SW_n2, den Kondensator C_n2, die Integrierschaltung (erste Integrierschaltung) 20_n und die Abtast-Halte-Schaltung 30_n entsprechend jeder Photodiode PD_n. Es sei angemerkt, dass N eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 ist und n eine beliebige ganze Zahl zwischen 1 und N (einschließlich der beiden), und das Gleiche gilt für die nachfolgende Beschreibung. Die Halbleiterbildaufnahmevorrichtung umfasst ebenfalls eine Maximalwerterfassungsschaltung (zweite Maximumerfassungsschaltung, zweite Erfassungsschaltung) 100, eine Maximalwerterfassungsschaltung (erste Maximumerfassungsschaltung, erste Erfassungsschaltung) 200, eine Zeitsteuerungsschaltung 300, eine A/D-Umwandlungsschaltung 400 und ein Schieberegister 500. Der Kondensator C_n2 und die Integrierschaltung 20_n stellen eine so genannte CDS-Schaltung (Correlated Double Sampling) dar.
Der Anodenanschluss der Photodiode PD_n ist mit Masse verbunden, und ihr Kathodenanschluss ist mit dem Eingangsanschluss der Integrierschaltung 10_n verbunden. Die Photodiode PD_n gibt über den Anodenanschluss einen Signalstrom, der der Intensität von einfallendem Licht entspricht, an den Eingangsanschluss der Integrierschaltung 10_n aus.
Die Integrierschaltung 10_n umfasst eine Parallelschaltung aus einem Verstärker A_n1, einem Kondensator C_n1 und einem Schalter SW_n1 zwischen ihrem Eingangs- und ihrem Ausgangsanschluss. Wenn der Schalter SW_n1 geschlossen ist, entlädt die Integrierschaltung 10_n den Kondensator C_n1 und setzt ihn zurück.
Wenn der Schalter SW_n1 geöffnet wird, integriert die Integrierschaltung 10_n eine von der Photodiode PD_n am Eingangsanschluss in den Kondensator C_n1 eingegebene Ladung und gibt eine Signalspannung aus, die der integrierten Ladung aus dem Ausgangsanschluss entspricht. Der Schalter SW_n1 wird auf der Grundlage eines Rücksetzsignals RS1 geöffnet/geschlossen, das von der Zeitsteuerungsschaltung 300 ausgegeben wird.
Eine Reihenschaltung aus dem Schalter SW_n2 und dem Kondensator C_n2 ist in dieser Reihenfolge zwischen den Ausgangsanschluss der Integrierschaltung 10_n und den Eingangsanschluss der Integrierschaltung 20_n geschaltet. Der Schalter SW_n2 wird auf der Grundlage eines Steuersignals SWCNT geöffnet/geschlossen, das von der Zeitsteuerungsschaltung 300 ausgegeben wird.
Die Integrierschaltung 20_n umfasst eine Parallelschaltung aus einem Verstärker A_n2, einem Kondensator C_n3 und einem Schalter SW_n3 zwischen ihrem Eingangs- und ihrem Ausgangsanschluss. Wenn der Schalter SW_n3 geschlossen ist, entlädt die Integrierschaltung 20_n den Kondensator C_n3 und setzt ihn zurück. Wenn der Schalter SW_n3 geöffnet wird, integriert die Integrierschaltung 20n eine von dem Kondensator C_n2 am Eingangsanschluss in den Kondensator C_n3 eingegebene Ladung und gibt eine Signalspannung aus, die der integrierten Ladung aus dem Ausgangsanschluss entspricht. Der Schalter SW_n3 wird auf der Grundlage eines Rücksetzsignals RS2 geöffnet/geschlossen, das von der Zeitsteuerungsschaltung 300 ausgegeben wird.
Die Abtast-Halte-Schaltung 30_n umfasst nacheinander einen Schalter SW_n4 und einen Verstärker A_n3 zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss, und der Leitungsknoten zwischen dem Schalter SW_n4 und dem Verstärker A_n3 ist über einen Kondensator C_n4 mit Masse verbunden. Die Abtast-Halte-Schaltung 30_n speichert die von der Integrierschaltung 20_n ausgegebene Signalspannung in dem Kondensator C_n4, wenn der Schalter SW_n4 geschlossen ist, hält die Signalspannung in dem Kondensator C_n4, wenn der Schalter SW_n4 geöffnet worden ist, und gibt diese Signalspannung über den Verstärker A_n3 aus.
Die Schalter SW_n5 werden zwischen die Ausgangsanschlüsse der Abtast-Halte-Schaltungen 30_n und den Eingangsanschluss der A/D-Umwandlungsschaltung 400 eingefügt. Die jeweiligen Schalter SW_n5 werden auf der Grundlage eines von dem Schieberegister 500 ausgegebenen Steuersignals und nacheinander ausgegebener Signalspannungen, die von den entsprechenden Abtast-Halte-Schaltungen 30_n an die A/D-Umwandlungsschaltung 400 ausgegeben werden, nacheinander geschlossen.
Die Maximalwerterfassungsschaltung 100 empfängt die von den entsprechenden Integrierschaltungen 10_n ausgegebenen Signalspannungen V_n1, erfasst einen maximalen Spannungswert V_max1 als deren Maximalwert und gibt diesen Spannungswert an die Zeitsteuerungsschaltung 300 aus. Die Maximalwerterfassungsschaltung 200 empfängt die von den entsprechenden Abtast-Halte-Schaltungen 30_n ausgegebenen Signalspannungen V_n2, erfasst einen maximalen Spannungswert V_max2 als deren Maximalwert und gibt diesen Spannungswert an die A/D-Umwandlungsschaltung 400 aus.
Die Zeitsteuerungsschaltung 300 empfängt den von der Maximalwerterfassungsschaltung 100 ausgegebenen maximalen Spannungswert v_max1 und gibt das Rücksetzsignal RS1 für das Steuern des Öffnens/Schließens der Schalter SW_n1, das Steuersignal SWCNT für das Steuern des Öffnens/Schließens der Schalter SW_n2 und das Rücksetzsignal RS2 für das Steuern des Öffnens/Schließens der Schalter SW_n3 aus.
Die A/D-Umwandlungsschaltung 400 empfängt den von der Maximalwerterfassungsschaltung 200 ausgegebenen maximalen Spannungswert V_max2 und stellt diesen als A/D-Umwandlungsbereich ein. Die A/D-Umwandlungsschaltung 400 empfängt nacheinander über die Schalter SW_n5 von den Abtast-Halte-Schaltungen 30_n ausgegebene Signalspannungen V_n2, wandelt die Signalspannungen (Analogsignale) in Digitalsignale um und gibt die Digitalsignale aus.
2 ist ein Schaltplan der Maximalwerterfassungsschaltung 100 bei der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform. Es sei angemerkt, dass die Maximalwerterfassungsschaltung 200 ebenfalls die gleiche Anordnung aufweist. Die Maximalwerterfassungsschaltung 100 umfasst NMOS-Transistoren T₁ bis T_N, Widerstände R1 bis R3 und einen Differenzverstärker A1. Der Source-Anschluss jedes Transistors T_n ist mit Masse verbunden, und der Drain-Anschluss des Transistors T_n ist über den Widerstand R3 mit einer Stromversorgungsspannung Vdd und über den Widerstand R1 ebenso mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Differenzverstärkers A1 verbunden. Der Gate-Anschluss des Transistors T_n ist mit dem Ausgangsanschluss der Integrierschaltung 10_n verbunden und empfängt eine Signalspannung V_n1. Der Rückkopplungswiderstand R2 wird zwischen den invertierenden Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Differenzverstärkers A1 eingefügt, dessen nichtinvertierender Eingangsanschluss mit Masse verbunden ist.
Bei der Maximalwerterfassungsschaltung 100 werden von der entsprechenden Integrierschaltung 10_n ausgegebene Signalspannungen V_n1 in die Gate-Anschlüsse der Transistoren T_n eingegeben, und an dem Drain-Anschluss des Transistors T_n entsteht ein Potential, das dem Maximalwert der Signalspannungen V_n1 entspricht. Das Potential an dem Drain-Anschluss wird von dem Differenzverstärker A1 mit einer Verstärkung verstärkt, die dem Verhältnis des Widerstandes der Widerstände R1 und R2 entspricht, und der verstärkte Spannungswert wird von dem Ausgangsanschluss als maximaler Spannungswert V_max1 ausgegeben.
3 ist ein Schaltplan der Zeitsteuerungsschaltung 300 bei der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform. Die Zeitsteuerungsschaltung 300 umfasst einen Komparator A2, NOR-Schaltungen N1 und N2, eine NAND-Schaltung AN1, AND-Schaltungen AN2 und AN3, Phasenumkehrschaltungen IN1 bis IN3, einen Widerstand R4, einen Konden sator C1, einen D-Flipflop DF, eine Zählerschaltung 310 und eine Registerschaltung 320.
Der Komparator A2 vergleicht den von der Maximalwerterfassungsschaltung 100 ausgegebenen maximalen Spannungswert U_max1 mit einer Referenzspannung V_ref und gibt ein Vergleichssignal CM von logisch „H" aus, wenn der maximale Spannungswert V_max1 größer ist als die Referenzspannung V_ref. Es sei angemerkt, dass die Referenzspannung V_ref auf eine Spannung eingestellt ist, die niedriger ist als ein Maximalwert, den der maximale Spannungswert V_max1 annehmen kann.
Der Ausgangsanschluss des Komparators A2 ist mit einem Eingangsanschluss der NOR-Schaltung N1 verbunden. Die NOR-Schaltung N1 und die andere NOR-Schaltung N2 stellen eine RS-Flipflop-Schaltung dar, und die verbleibenden beiden Eingangsanschlüsse der NOR-Schaltung N2 empfangen ein Rücksetzsignal RS und ein Startsignal ST. Ein Schaltsignal CSW wird von dem Ausgangsanschluss der NOR-Schaltung N1 ausgegeben. Die Phasenumkehrschaltung IN2 erzeugt das Rücksetzsignal RS1 durch Invertieren des Schaltsignals CSW.
Der D-Flipflop DF empfängt an seinem Dateneingangsanschluss D ein Bereichsunterschreitungssignal UNF von der Zählerschaltung 310, an seinem Takteingangsanschluss CLK ein Synchronisationstaktsignal CK mit einer relativ hohen Frequenz und an seinem Rücksetzeingangsanschluss CLR das Rücksetzsignal RS. Die NAND-Schaltung AN1 erzeugt das Rücksetzsignal RS2 durch logisches Multiplizieren eines invertierten Ausgangswertes Q1B des D-Flipflop DF mit dem Startsignal ST und logisches Invertieren des AND.
Die AND-Schaltung AN2 führt eine logische Multiplikation des invertierten Signals des Startsignals, das von der Phasenumkehrschaltung IN1 ausgegeben wird, mit dem Schaltsignal CSW durch und führt ihr Ausgangssignal einem Aufwärtszähl-Steuereingangsanschluss UP der Zählerschaltung 310 zu. Außerdem empfängt die Zählerschaltung 310 das Startsignal ST an ihrem Abwärtszähl-Steuereingangsanschluss DOWN und das Synchronisationstaktsignal CK an ihrem Takteingangsanschluss CLK. Wenn sich der Aufwärtszähl-Steuereingangsanschluss UP auf logisch „H" und der Abwärtszähl-Steuereingangsanschluss DOWN auf logisch „L" befindet, zählt die Zählerschaltung 310 synchron zum Synchronisationstaktsignal CK aufwärts und lässt die Registerschaltung 320 ihre Zählwertdaten CD halten und ausgeben. Wenn die Zählerschaltung 310 den Bereich überschritten hat, gibt sie Bereichsüberschreitungsdaten OVF aus. Wenn sich andererseits der Aufwärtszähl-Steuereingangsanschluss UP auf logisch „L" und der Abwärtszähl-Steuereingangsanschluss DOWN auf logisch „H" befindet, zählt die Zählerschaltung 310 synchron zum Synchronisationstaktsignal CK abwärts und gibt über die Registerschaltung 320 ihre Zählwertdaten CD aus. Wenn die Zählerschaltung 310 den Bereich unterschritten hat, gibt sie Bereichsunterschreitungsdaten UNF aus.
Die Phasenumkehrschaltung IN3 invertiert das von der Phasenumkehrschaltung IN2 ausgegebene Rücksetzsignal RS1 logisch und gibt das Signal mit der invertierten Logik über den Widerstand R4 in einen Eingangsanschluss der AND-Schaltung AN3 ein. Der eine Eingangsanschluss der AND-Schaltung AN3 ist über den Kondensator C1 mit Masse verbunden, und der andere Eingangsanschluss empfängt das Rücksetzsignal RS1. Die AND-Schaltung AN3 führt eine logische Multiplikation der an den beiden Eingangsanschlüssen eingegebenen Logiksignale durch und gibt das AND als Steuersignal SWCNT aus. Die Phasenumkehrschaltung IN3, der Widerstand R4, der Kondensator C1 und die AND-Schaltung AN3 stellen eine Schaltung dar, die die ansteigende Flanke des Rücksetzsignals RS1 erfasst. Das heißt, das von der AND-Schaltung AN3 ausgegebene Steuersignal SWCNT geht ab dem Zeitpunkt, an dem das Rücksetzsignal RS1 von logisch „L" auf logisch „H" ansteigt, für einen Zeitraum auf logisch „H" über, der durch den Widerstand des Widerstandes R4 und die Kapazität des Kondensators C1 definiert wird.
4 ist ein Schaltplan der A/D-Umwandlungsschaltung 400 bei der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform. Die A/D-Umwandlungsschaltung 400 umfasst eine Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität, einen Komparator A4, eine Kapazitätssteuerung 420 und eine Leseeinheit 430.
Die Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität umfasst einen Kondensator C2, einen Verstärker A3, eine Einheit C400 mit variabler Kapazität und einen Schalter SW1. Der Verstärker A3 empfängt über den Kondensator C2 Signalspannungen V_n2, die von den Abtast-Halte-Schaltungen 30_n ausgegeben werden und nacheinander über die Schalter SW_n5 ankommen, an dem invertierenden Eingangsanschluss. Der nichtinvertierende Eingangsanschluss des Verstärkers A3 ist mit Masse verbunden. Die Einheit C400 mit variabler Kapazität besitzt eine variable und steuerbare Kapazität, ist zwischen den invertierenden Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Verstärkers A3 eingefügt und integriert eine Ladung entsprechend den Eingangssignalspannungen. Der Schalter SW1 ist zwischen den invertierenden Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Verstärkers A3 eingefügt, sorgt dafür, dass die Einheit C400 mit variabler Kapazität eine Ladung integriert, wenn er geöffnet wird, und setzt eine Ladung, die in der Einheit C400 mit variabler Kapazität integriert worden ist, zurück, wenn er geschlossen wird. Die Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität empfängt Signalspannungen, die nacheinander von den Ausgangsanschlüssen der Schalter SW_n5 ausgegeben werden, integriert die Signalspannungen entsprechend der Kapazität der Einheit C400 mit variabler Kapazität und gibt als Integrationsergebnis ein Integrationssignal aus.
Der Komparator A4 empfängt das von der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität ausgegebene Integrationssignal an seinem invertierenden Eingangsanschluss und den von der Maximalwerterfassungsschaltung 200 ausgegebenen maximalen Spannungswert V_max2 an seinem nichtinvertierenden Eingangsanschluss, vergleicht die Werte dieser beiden Eingangssignale und gibt als Ergebnis des Vergleichs ein Vergleichsergebnissignal aus.
Die Kapazitätssteuerung 420 empfängt das von dem Komparator A4 ausgegebene Vergleichsergebnissignal, gibt ein Kapazitätsanweisungssignal C aus, mit dem die Kapazität der Einheit C400 mit variabler Kapazität auf der Grundlage dieses Vergleichsergebnissignals gesteuert wird, und ein erstes Digitalsignal, das der Kapazität der Einheit C400 mit variabler Kapazität entspricht, wenn sie auf der Grundlage des Vergleichsergebnissignals ermittelt, dass der Wert des Integrationssignals mit dem maximalen Spannungswert V_max2 bei einer vorgegebenen Auflösung übereinstimmt.
Die Leseeinheit 430 empfängt das von der Kapazitätssteuerung 420 ausgegebene erste Digitalsignal und gibt ein zweites Digitalsignal aus, das diesem ersten Digitalsignal entspricht. Das zweite Digitalsignal gibt einen Wert an, den man durch Entfernen eines Versatzwertes der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität von dem Wert des ersten Digitalsignals erhält. Bei der Leseeinheit 430 handelt es sich beispielsweise um einen Speicher, sie empfängt das erste Digitalsignal als Adresse und gibt Daten, die unter dieser Adresse des Speichers gespeichert sind, als zweites Digitalsignal aus. Bei dem zweiten Digitalsignal handelt es sich um ein von der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ausgegebenes Lichterfassungssignal.
5 ist ein ausführlicher Schaltplan der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität bei der A/D-Umwand lungsschaltung 400. 5 zeigt die Schaltungsanordnung, die eine A/D-Umwandlungsfunktion umfasst, die eine Auflösung von 1/2⁴ = 1/16 aufweist, und die nachfolgende Erläuterung erfolgt anhand dieser Schaltungsanordnung.
Die Einheit C400 mit variabler Kapazität umfasst, wie in 5 gezeigt ist, die Kondensatoren C411 bis C414, die Schalter SW411 bis SW414 und die Schalter SW421 bis SW424. Der Kondensator C411 und der Schalter SW411 sind kaskadenartig angeordnet und zwischen den invertierenden Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Verstärkers A3 eingefügt. Der Schalter SW421 ist zwischen den Leitungsknoten des Kondensators C411 und des Schalters SW411 und Massepotential eingefügt. Der Kondensator C412 und der Schalter SW412 sind kaskadenartig angeordnet und zwischen den invertierenden Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Verstärkers A3 eingefügt. Der Schalter SW422 ist zwischen den Leitungsknoten des Kondensators C412 und des Schalters SW412 und Massepotential eingefügt. Der Kondensator C413 und der Schalter SW413 sind kaskadenartig angeordnet und zwischen den invertierenden Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Verstärkers A3 eingefügt. Der Schalter SW423 ist zwischen den Leitungsknoten des Kondensators C413 und des Schalters SW413 und Massepotential eingefügt. Der Kondensator C414 und der Schalter SW414 sind kaskadenartig angeordnet und zwischen den invertierenden Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Verstärkers A3 eingefügt. Der Schalter SW424 ist zwischen den Leitungsknoten des Kondensators C414 und des Schalters SW414 und Massepotential eingefügt.
Die Schalter SW411 bis SW414 werden jeweils auf der Grundlage von Bits C11 bis C14 des von der Kapazitätssteuerung 420 ausgegebenen Kapazitätsanweisungssignals C geöffnet/geschlossen. Die Schalter SW421 bis SW424 werden jeweils auf der Grundlage von Bits C21 bis C24 des von der Kapazitätssteuerung 420 ausgegebenen Kapazitätsanweisungssignals C geöffnet/geschlossen. Die Kapazitäten C₁ bis C₄ der Kondensatoren C411 bis C414 entsprechen: C1 = 2C2 = 4C3 = 8C4 (1) C1 + C2 + C3 + C4 = Co (2)
Das heißt, die Schalter SW421 bis SW424 entfernen in den Kondensatoren C411 bis C414 integrierte Ladungen und versetzen in die Integrationsoperation zurück, wenn sie geschlossen werden. Die Kondensatoren C411 bis C414 bestimmen einen Ausgangssignalpegel. Da sich die Gesamtkapazität der Kondensatoren C411 bis C414 mit steigender Anzahl der Kondensatoren C411 bis C414, die Ladungen integrieren können, wenn die Schalter geschlossen sind, erhöht, wird der Ausgangssignalpegel geringer. Wenn sich die Gesamtkapazität erhöht, kann eine Sättigung unterdrückt werden, da der Ausgangssignalpegel verringert ist. Da der Ausgangssignalpegel gering ist, ist jedoch die genaue A/D-Umwandlung gestört. Bei dieser Ausführungsform wird der Ausgangssignalpegel automatisch angeglichen, um ihn innerhalb des Bereiches zu maximieren, der den Maximalwert V_max2 nicht überschreitet, wie später noch beschrieben wird.
Die Funktionsweise der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird nachfolgend erläutert. Es sei angemerkt, dass nachfolgend ein Fall beschrieben wird, bei dem die Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform zusammen mit einer oder mehreren Leuchtdioden LED_n (Projektionsmittel: siehe 1) eine passive Entfernungsmesseinrichtung bildet. Bei der nachfolgend beschriebenen Funktionsweise werden Hintergrundlichtkomponenten mithilfe von zwei Prozessen im Verlauf eines ersten und eines zweiten Zeitraums T1 und T2 entfernt, und es wird ein Lichterfassungssignal, das nur aus von den Leuchtdioden LED_n auf ein Objekt projizierten Punktlichtkomponenten besteht, ausgegeben.
Die Leuchtdioden LED_n werden eingeschaltet, um das Laden der zweiten Integrierschaltungen 20_n anzuhalten und mit dem Laden (Integration) der ersten Integrierschaltungen 10_n zu beginnen, und die Zählerschaltung 310 misst diesen Ladezeitraum. Der maximale Spannungswert V_max1 steigt im Verlauf des Ladens allmählich an, und wenn der maximale Spannungswert V_max1 die Referenzspannung V_ref überschritten hat, werden die Integrationsoperationen der Integrierschaltungen 10_n und die Messung des Ladezeitraums durch die Zählerschaltung 310 angehalten. Das heißt, der Zeitraum von dem Zeitpunkt des Einschaltens jeder Leuchtdiode LED_n bis zu dem Zeitpunkt, an dem der integrierte Wert ihrer Lichtmenge einen vorgegebenen Wert erreicht, wird im Zusammenhang mit dem Ausgangswert der Photodiode gemessen, der einen maximalen integrierten Wert ergibt. Der gemessene Zeitraum ist proportional zu der Intensität des insgesamt auf die Photodiode einfallenden Lichts.
Es sei darauf hingewiesen, dass der integrierte Wert in jedem Kondensator C_1n gespeichert wird. Wenn die Leuchtdioden LED_n ausgeschaltet worden sind, beginnen die Integrierschaltungen 10_n und 20_n mit Integrationsoperationen für den gleichen Zeitraum wie den gemessenen Zeitraum. Die Integration im Verlauf dieses Zeitraums ist proportional zur Intensität des Hintergrundlichts. Somit wird nach dem Einschalten beziehungsweise Ausschalten der Leuchtdioden LED_n von jeder zweiten Integrierschaltung 20_n ein Ausgangswert ausgegeben, der durch Entfernen der Intensität des Hintergrundlichts (LED_n = AUS) aus der Intensität des insgesamt einfallenden Lichts (LED_n = EIN) erhalten wird. Die Funktionsweise wird nachfolgend ausführlich beschrieben.
6 ist ein Zeitdiagramm, das die Funktionsweise der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform erläutert.
Im Verlauf eines Zeitraumes T1 wird das Startsignal ST auf logisch „L" gehalten, und die Leuchtdioden LED_n werden von dem eingefügten Signal des Startsignals ST so angesteuert, dass sie Licht emittieren. Wenn dieser Zustand eingestellt worden ist, werden die Schalter SW_n3 der Integrierschaltungen 20_n , da das Rücksetzsignal RS2 auf logisch „H" übergeht, geschlossen, um das Laden der Kondensatoren C_n3 anzuhalten.
Wenn das Rücksetzsignal RS zur Startzeit t1 sofort auf logisch „H" übergeht, wird synchron zu dem Signal RS das Schaltsignal CSW zu logisch „H" und das Rücksetzsignal RS1 zu logisch „L" invertiert. Infolgedessen werden die Schalter SW_n1 der Integrierschaltungen 10_n geöffnet. Des Weiteren beginnt die Zählerschaltung 310 mit einer Aufwärtszähloperation, da der Aufwärtszähl-Steuereingangskontakt UP auf logisch „H" und der Abwärtszähl-Steuereingangskontakt DOWN auf logisch „L" übergeht.
Infolgedessen empfangen die Photodioden PD_n im Verlauf des Zeitraumes T1 sowohl von den Leuchtdioden LED_n emittierte und von einem Objekt reflektierte Punktlichtkomponenten als auch Hintergrundlichtkomponenten und geben Signalströme aus, die diesen einfallenden Lichtkomponenten entsprechend erzeugt werden. Da die Integrierschaltungen 10_n die Signalströme empfangen und Ladungen in ihren Kondensatoren C_n1 integrieren, steigen die von den Ausgangsanschlüssen der Integrierschaltungen 10_n ausgegebenen Signalspannungen V_n1 sowie der von der Maximalwerterfassungsschaltung 100 ausgegebene maximale Spannungswert V_max1 allmählich an, und die Zählerschaltung 310 misst diesen Ladezeitraum.
Wenn der maximale Spannungswert V_max1 als Maximalwert der von den Integrierschaltungen 10_n ausgegebenen Signalspannungen V_n1 die Referenzspannung V_ref zu einem gegebenen Zeitpunkt t2 überschritten hat, geht der von dem Komparator A2 ausgegebene Vergleichsausgangswert CM auf logisch „H" über. Synchron zu diesem Ausgabewert geht das Schaltsignal CSW, das von einer NOR-Schaltung N1 ausgegeben wird, die den RS-Flipflop bildet, auf logisch „L" über, und das Rücksetzsignal RS1 wird zu logisch „H" invertiert. Infolgedessen werden die Schalter SW_n1 der Integrierschaltungen 10_n geschlossen, und die Integrationsoperationen der Integrierschaltungen 10_n werden angehalten. Des Weiteren hält die Zählerschaltung 310 die Aufwärtszähloperation an, da der Aufwärtszähl-Steuereingangskontakt UP zu logisch „L" invertiert wird.
Auf diese Art und Weise ist der Zeitraum bis zum Zeitpunkt t2, zu dem der von der Maximalwerterfassungsschaltung 100 ausgegebene maximale Spannungswert V_max1 die Referenzspannung V_ref überschritten hat, T1. V_n11 sei der Wert einer Signalspannung, die zum Zeitpunkt t2 von dem Ausgangsanschluss jeder Integrierschaltung 10_n ausgegeben wird. Außerdem sei I_ns ein Wert, der Punktlichtkomponenten des Signalstroms entspricht, der von jeder Photodiode PD_n in den Eingangsanschluss der Integrierschaltung 10_n eingegeben wird, und I_nd ein Wert, der Hintergrundlichtkomponenten entspricht. Dann ergibt sich: Vn11 = (Inns + Ind)T1/Cn1 (3)
Des Weiteren geht das Steuersignal SWCNT, wenn das Rücksetzsignal RS1 angestiegen ist, für einen vorgegebenen Zeitraum auf logisch „H" über, und die Schalter SW_n2 werden für den vorgegebenen Zeitraum geschlossen wodurch die Werte V_n11 der Signalspannungen in den Kondensatoren C_n2 gehalten werden.
Des Weiteren hält die Zählerschaltung 310 intern einen Zählwert CD, der dem Zeitraum T1 entspricht, und sie sorgt dafür, dass er auch von der Registerschaltung 320 gehalten wird. Es sei angemerkt, dass die Zählerschaltung 310 einen Zählwert CD hält, der einen langen Zeitraum T1 anzeigt, wenn die Intensität des auf jede Photodiode PD_n einfallenden Lichts gering ist, da der Zeitraum, der benötigt wird, bis der maximale Spannungswert V_max1 die Referenzspannung V_ref überschreitet, lang wird. Umgekehrt hält die Zählerschaltung 310 einen Zählwert CD, der einen kurzen Zeitraum T1 anzeigt, wenn die Intensität des auf jede Photodiode PD_n einfallenden Lichts hoch ist, da der Zeitraum, der benötigt wird, bis der maximale Spannungswert V_max1 die Referenzspannung V_ref überschreitet, kurz wird. Somit nimmt der in der Zählerschaltung 310 gehaltene Zählwert CD einen Wert an, der proportional zur Lichtintensität ist.
Wenn die Intensität des auf jede Photodiode PD_n einfallenden Lichts sehr gering ist und es bei der Zählerschaltung 310 zu einer Bereichsüberschreitung kommt, bevor der maximale Spannungswert V_max1 die Referenzspannung V_ref überschreitet, dann wird das Bereichsüberschreitungssignal OVF erzeugt, und ein nicht messbarer Zustand kann extern mitgeteilt werden.
Zu einem gegebenen Zeitpunkt t3 wird das Startsignal ST zu logisch „H" invertiert, und das Rücksetzsignal RS geht gleichzeitig auf logisch „H" über. Des Weiteren wird die Emission jeder Leuchtdiode LED_n angehalten. Somit wird das Schaltsignal CSW, das von der NOR-Schaltung N1 ausgegeben wird, die die RS-Flipflop-Schaltung bildet, zu logisch „H" invertiert, und das Rücksetzsignal RS1 wird gleichzeitig zu logisch „L" invertiert. Darüber hinaus geht das Rücksetzsignal RS2 ebenfalls auf logisch „L" über. Das heißt, die Schalter SW_n1 der Integrierschaltungen 10_n werden geöffnet, und die Schalter SW_n3 der Integrierschaltungen 20_n werden ebenfalls geöffnet. Des Weiteren beginnt die Zählerschaltung 310 mit einer Abwärtszähloperation ab dem gehaltenen Wert CD, da der Aufwärtszähl-Steuereingangskontakt UP auf logisch „L" und der Abwärtszähl-Steuereingangskontakt DOWN auf logisch „H" übergeht.
Infolge einer solchen Schaltoperation empfangen die Integrierschaltungen 10_n Signalströme, die von den Photodioden PD_n ausgegeben werden und nur den Hintergrundlichtkomponenten entsprechen, und integrieren Ladungen in den Kondensatoren C_n1. Die Integrierschaltungen 20_n integrieren Ladungen als Differenzen zwischen denen in den Kondensatoren C_n1 und C_n2 in den Kondensatoren Cn₃ gemäß dem Erhaltungssatz.
Wenn der Zählwert der Zählerschaltung 310 null erreicht hat, wird der invertierte Ausgangswert Q1B des D-Flipflop DF, da das Bereichsunterschreitungssignal UNF zu diesem Zeitpunkt t4 zu logisch „H" invertiert wird, zu logisch „L" invertiert, und das Rücksetzsignal RS2 wird zu logisch „H" invertiert, die Schalter SW_n3 werden geschlossen, und ein Zeitraum T2 wird festgelegt. Das heißt, der Zeitraum von Zeitpunkt t3 bis Zeitpunkt t4 ist T2. Da der Zeitraum T2 infolge der Zähloperation der Zählerschaltung 310 ermittelt wird, sind die Zeiträume T1 und T2 einander gleich.
V_n12 sei der Wert einer Signalspannung, die zum Zeitpunkt t4 von dem Ausgangsanschluss jeder Integrierschaltung 10_n ausgegeben wird. Außerdem soll der Signalstrom, der von jeder Photodiode PD_n in den Eingangsanschluss der Integrierschaltung 10_n eingegeben wird, nur der Hintergrundlichtkomponente entsprechen. Dann ergibt sich: Vn2 = Ind·T1/Cn1 (4)wobei I_nd der Wert des Signalstroms ist, der von jeder Photodiode PD_n in den Eingangsanschluss der Integrierschaltung 10_n eingegeben wird.
Da jede Integrierschaltung 20_n die Integration während des Zeitraums T1 anhält und im Verlauf des Zeitraums T2 die Integration durchführt, wird eine durch folgende Gleichung gegebene Ladung: (Vn11 – Vn12)·Cn2 = Vn2·Cn3 (5)in Übereinstimmung mit dem Ladungserhaltungssatz in den Kondensatoren C_n2 und C_n3 integriert.
Durch Ersetzen der Gleichungen (3) und (4) in Gleichung (5) bei T = T1 = T2 ergibt sich eine Signalspannung V_n2, die von dem Ausgangsanschluss jeder Integrierschaltung 20_n ausgegeben wird und folgendermaßen gegeben ist: Vn2 = Ins·T·Cn2/(Cn1·Cn3) (6)
Wenn die Kapazitäten der Kondensatoren C_n2 und C_n3 einander gleich sind, wird die obige Gleichung folgendermaßen umgeschrieben: Vn2 = Ins·T/Cn1 (7)
Danach werden die Schalter SW_n4 der Abtast-Halte-Schaltungen 30_n für einen vorgegebenen Zeitraum geschlossen, und die von den Ausgangsanschlüssen der Integrierschaltungen 20_n ausgegebenen Signalspannungen V_n2 werden in den Kondensatoren C_n4 gehalten. Aus den in den Kondensatoren C_n4 gehaltenen Signalspannungen V_n2 werden über die Verstärker A_n3 die Ausgangswerte der Abtast-Halte-Schaltungen 30_n . Die von den Abtast-Halte-Schaltungen 30_n ausgegebenen Signalspannungen werden in die Maximalwerterfassungsschaltung 200 eingegeben, damit ein maximaler Spannungswert V_max2 erfasst wird, und nacheinander in die A/D-Umwandlungsschaltung 400 eingegeben, da das Schieberegister 500 die Schalter SW_n5 schließt.
Nachfolgend wird mithilfe der 7A bis 7D die Funktionsweise der A/D-Umwandlungsschaltung 400 beschrieben. Zum Zeitpunkt t4, an dem der oben genannte Zeitraum T2 endet, wird der Schalter SW1 der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität geschlossen, und die Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität wird zurückgesetzt. Außerdem werden die Schalter SW411 bis SW414 der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität geschlossen, und die Schalter SW421 bis SW424 werden geöffnet, um die Kapazität der Einheit C400 mit variabler Kapazität auf Co einzustellen.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt nach Zeitpunkt t4 wird der Schalter SW1 geöffnet, und der Schalter SW₁₅ wird ebenfalls geöffnet. Eine von der Abtast-Halte-Schaltung 301 ausgegebene Signalspannung V₁₂ wird über den Schalter SW₁₅ in die Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität eingegeben. Wenn die Signalspannung V₁₂ in den Kondensator C2 der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität eingegeben wird, fließt eine Ladung Q, die dem Wert dieser Signalspannung V₁₂ und der Kapazität C₀ der Einheit C400 mit variabler Kapazität entspricht, in die Einheit C400 mit variabler Kapazität (siehe 7A). Zu diesem Zeitpunkt ist ein Wert V_sa eines von der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität ausgegebenen Integrationssignals folgendermaßen gegeben: Vsa = V12 = Q/C0 (8)
Danach öffnet die Kapazitätssteuerung 420 die Schalter SW412 bis SW414 der Einheit C400 mit variabler Kapazität und schließt dann die Schalter SW422 bis SW424 (siehe 7B). Folglich wird die Kapazität der Einheit C400 mit variabler Kapazität zu C₁, und ein Wert V_sb eines von der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität ausgegebenen Integrationssignals ist folgendermaßen gegeben: Vsb = Q/C1 (9)
Dieses Integrationssignal wird in den Komparator A4 eingegeben, und sein Wert wird mit dem maximalen Spannungswert V_max2 verglichen.
Wenn V_sb > U_max2, dann öffnet die Kapazitätssteuerung 420 des Weiteren als Reaktion auf dieses Vergleichsergebnis den Schalter SW422 der Einheit C400 mit variabler Kapazität und schließt dann den Schalter SW412 (siehe 7C). Folglich wird die Kapazität der Einheit C400 mit variabler Kapazität zu C₁ + C₂, und ein Wert V_sc eines von der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität ausgegebenen Integrationssignals ist folgendermaßen gegeben: Vsc = Q/(C1 + C2) (10)
Dieses Integrationssignal wird in den Komparator A4 eingegeben, und sein Wert wird mit dem maximalen Spannungswert V_max2 verglichen.
Wenn andererseits V_sb < V_max2, dann öffnet die Kapazitätssteuerung 420 des Weiteren als Reaktion auf dieses Vergleichsergebnis die Schalter SW411 und SW422 der Einheit C400 mit variabler Kapazität und schließt dann die Schalter SW412 und SW421 (siehe 7D). Folglich wird die Kapazität der Einheit C400 mit variabler Kapazität zu C₂, und ein Wert V_sd eines von der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität ausgegebenen Integrationssignals ist folgendermaßen gegeben: Vsd = Q/C2 (11)
Dieses Integrationssignal wird in den Komparator A4 eingegeben, und sein Wert wird mit dem maximalen Spannungswert V_max2 verglichen.
Danach stellt eine Rückkopplungsschleife, die die Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität, den Komparator A4 und die Kapazitätssteuerung 420 enthält, auf ähnliche Weise die Kapazität der Einheit C400 mit variabler Kapazität ein und vergleicht den Wert des Integrationssignals mit dem maximalen Spannungswert V_max2, bis die Kapazitätssteuerung 420 feststellt, dass der Wert des Integrationssignals mit dem maximalen Spannungswert V_max2 bei einer vorgegebenen Auflösung übereinstimmt. Wenn der Kapazitätssteuervorgang für alle Kondensatoren C411 bis C414 der Einheit C400 mit variabler Kapazität auf diese Weise erfolgt ist, gibt die Kapazitätssteuerung 420 ein Digitalsignal, das der Endkapazität der Einheit C400 mit variabler Kapazität entspricht, an die Leseeinheit 430 aus.
Die Leseeinheit 430 empfängt das von der Kapazitätssteuerung 420 als Adresse ausgegebene Digitalsignal und gibt digitale Daten, die unter dieser Adresse des Speichers gespeichert sind, als Lichterfassungssignal der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform aus. Auf diese Weise wird eine Signalspannung V₁₂, die der Intensität von auf die erste Photodiode PD₁ einfallendem Punktlicht entspricht, von der A/D-Umwandlungsschaltung 400 in ein Digitalsignal umgewandelt, und dieses Digitalsignal wird als Lichterfassungssignal ausgegeben. Auf ähnliche Weise werden Signalspannungen V_n2, die der Intensität von auf die zweite und nachfolgende Photodioden PD_n einfallendem Punktlicht entspricht, von der A/D-Umwandlungsschaltung 400 in Digitalsignale umgewandelt, und diese Digitalsignale werden der Reihe nach als Lichterfassungssignale ausgegeben.
Da der Maximalwert der in die Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität eingegebenen Signalspannungen V_n2 der maximale Spannungswert V_max2 ist und der Maximalwert der Kapazitäten der Einheit C400 mit variabler Kapazität C₀, entspricht der Maximalwert der Ladung Q, die in die Einheit C400 mit variabler Kapazität fließt, V_max2·C₀ aus Gleichung (8). Wenn eine gegebene n-te Signalspannung V_n2 den maximalen Spannungswert V_max2 annimmt, werden alle Schalter SW411 bis SW414 der Einheit C400 mit variabler Kapazität geschlossen, um die Kapazität der Einheit C400 mit variabler Kapazität auf Co einzustellen. Wenn andererseits eine weitere n-te Signalspannung V_n2 einen Wert annimmt, der unter dem maximalen Spannungswert V_max2 liegt, wird, da die Ladung Q, die in die Einheit C400 mit variabler Kapazität fließt, kleiner als V_max2·C₀ ist, einer der Schalter SW411 bis SW414 der Einheit C400 mit variabler Kapazität geöffnet, so dass das von der Integrierschaltung 410 mit variabler Kapazität ausgegebene Integrationssignal gleich dem maximalen Spannungswert V_max2 wird.
Wie oben beschrieben definiert der von der Maximalwerterfassungsschaltung 200 ausgegebene und in den Komparator A4 eingegebene maximale Spannungswert V_max2 den Maximalwert der Signalspannungen V_n2, die die A/D-Umwandlungsschaltung 400 A/D-umwandeln kann, ohne dass es zu einer Sättigung kommt, d.h. den A/D-Umwandlungsbereich. Hinzu kommt, dass der gesamte A/D-Umwandlungsbereich effektiv genutzt werden kann, da eine der in die A/D-Umwandlungsschaltung 400 eingegebenen Signalspannungen V_n2 den maximalen Spannungswert V_max2 annimmt. Das heißt, bei der Halbleiterbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform kommt es nicht zu einer Sättigung, selbst wenn die Intensität des einfallenden Lichts hoch ist, und sie kann eine hohe A/D-Umwandlungsauflösung sicherstellen, selbst wenn die Intensität des einfallenden Lichts gering ist.
Wenn man ein Bild, das nur aus Punktlichtkomponenten besteht, dadurch erhält, dass wie in dem Fall, in dem die lichtempfindliche Vorrichtung bei der Entfernungsmesseinrichtung verwendet wird, das Ergebnis der Bilderfassung von Hintergrundlichtkomponenten von dem der Punktlichtkomponenten und Hintergrundlichtkomponenten abgezogen wird, und wenn die Hintergrundlichtkomponenten des auf jede Photodiode PD_n einfallenden Lichts größer sind als die Punktlichtkomponenten, dann kann ein Digitalsignal, das auf der Grundlage der als Differenz erhaltenen Punktlichtkomponen ten von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegeben wird, eine hohe Auflösung aufweisen.
Wie oben beschrieben wurde, integrieren die ersten Integrierschaltungen bei der lichtempfindlichen Vorrichtung Ladungen, die Signalströmen entsprechen, die aufgrund der Intensitäten des auf die entsprechenden lichtempfindlichen Elemente einfallenden Lichts ausgegeben werden, und geben Signalspannungen aus. Die erste Maximalwerterfassungsschaltung erfasst den Maximalwert der Signalspannungen, die von den N ersten Integrierschaltungen ausgegeben werden. Die A/D-Umwandlungsschaltung stellt ihren A/D-Umwandlungsbereich auf der Grundlage des von der ersten Maximalwerterfassungsschaltung erfassten Maximalwertes ein, wandelt die Signalspannungen, die von den N ersten Integrierschaltungen ausgegeben werden, in Digitalsignale um und gibt die Digitalsignale aus. Somit kommt es bei der lichtempfindlichen Vorrichtung nie zu einer Sättigung, selbst wenn die Intensität des einfallenden Lichts hoch ist, und sie kann eine hohe A/D-Umwandlungsauflösung sicherstellen, selbst wenn die Intensität des einfallenden Lichts gering ist.
Wenn die lichtempfindliche Vorrichtung des Weiteren die zweiten Integrierschaltungen, Schalter, Kondensatoren und die zweite Maximalwerterfassungsschaltung umfasst, dann empfangen die zweiten Integrierschaltungen Signalströme, die entsprechend der Intensität des auf die jeweiligen lichtempfindlichen Elemente einfallenden Lichts ausgegeben werden, integrieren Ladungen auf der Grundlage der Signalströme und geben Signalspannungen aus. Die zweite Maximalwerterfassungsschaltung erfasst den Maximalwert der Signalspannungen, die von den N zweiten Integrierschaltungen ausgegeben werden. Die Zeitsteuerungsschaltung steuert die Betriebszeiten der ersten und der zweiten Integrierschaltungen auf der Grundlage des von der zweiten Maximalwerterfassungsschaltung erfassten Maximalwertes, und aus einer von jeder zweiten Integrierschaltung ausgegebenen Signalspannung werden verschiedene Rauschanteile entfernt.
Wenn die lichtempfindliche Vorrichtung zusammen mit einem Projektionsmittel für das Projizieren von Punktlicht zu einem Objekt verwendet wird und die Hintergrundlichtkomponenten des auf jedes lichtempfindliche Element einfallenden Lichts größer sind als die Punktlichtkomponenten, dann erhält jede erste Integrierschaltung ein Bild, das nur aus Punktlichtkomponenten besteht, indem das Ergebnis der Bilderfassung der Hintergrundlichtkomponenten von dem der Punktlichtkomponenten und Hintergrundlichtkomponenten abgezogen wird. Ein Digitalsignal, das von der A/D-Umwandlungsschaltung auf der Grundlage der als Differenz ermittelten Punktlichtkomponenten ausgegeben wird, kann eine hohe Auflösung aufweisen.
Es sei angemerkt, dass anstelle des Maximalwertes V_max1 oder V_max2 der zweitgrößte numerische Wert beziehungsweise bei Bedarf ein numerischer Wert von geeigneter Ordnung verwendet werden kann.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung kann bei einer lichtempfindlichen Vorrichtung verwendet werden.

Claims

Lichtempfindliche Vorrichtung, die Folgendes umfasst: N erste Integrierschaltungen (20), die einem ein- oder zweidimensionalen Array von N (N ≥ 2) lichtempfindlichen Elementen entsprechend angeordnet sind, eine erste Erfassungsschaltung (200) für das Auswählen und Erfassen eines Maximalwertes von N Signalspannungen, die von den N ersten Integrierschaltungen ausgegeben werden, und eine A/D-Umwandlungsschaltung (400) für das Einstellen eines A/D-Umwandlungsbereiches auf der Grundlage des von der ersten Erfassungsschaltung erfassten Maximalwertes, für das Umwandeln der von den N ersten Integrierschaltungen ausgegebenen Signalspannungen in Digitalsignale und für das Ausgeben der Digitalsignale.
Lichtempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren Folgendes umfasst: N zweite Integrierschaltungen (10), die den N lichtempfindlichen Elementen entsprechend angeordnet sind, Schalter und Kondensatoren, die wiederum zwischen N Sätze aus zweiten Integrierschaltungen (20) und ersten Integrierschaltungen (10) eingefügt sind, eine zweite Erfassungsschaltung (100) für das Auswählen und Erfassen eines Maximalwertes von Signalspannungen, die von den N zweiten Integrierschaltungen ausgegeben werden, und eine Zeitsteuerungsschaltung (300) für das Steuern der Betriebszeiten der ersten und der zweiten Integrierschaltungen auf der Grundlage des von der zweiten Erfassungsschaltung erfassten Maximalwertes.
Lichtempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die lichtempfindliche Vorrichtung für eine Halbleiterbildaufnahmevorrichtung angewandt wird, die zusammen mit einem Projektionsmittel für das Projizieren von Punktlicht zu einem Objekt verwendet wird, wobei die Zeitsteuerungsschaltung (300) die N zweiten Integrierschaltungen (20) so steuert, dass sie erste Ladungsbeträge auf der Grundlage von Signalströmen integrieren, die von den N lichtempfindlichen Elementen ausgegeben werden, die im Verlauf eines ersten Zeitraumes, in dem das Punktlicht projiziert wird, mit Punktlichtkomponenten und Hintergrundlichtkomponenten beleuchtet werden, und die N zweiten Integrierschaltungen so steuert, dass sie zweite Ladungsbeträge auf der Grundlage von Signalströmen integrieren, die von den N lichtempfindlichen Elementen ausgegeben werden, die mit den Hintergrundlichtkomponenten beleuchtet werden, und die N ersten Integrierschaltungen (10) so steuert, dass sie im Verlauf eines zweiten Zeitraumes, in dem das Projektionsmittel kein Punktlicht auf das Objekt projiziert, Ladungsbeträge als Differenzen zwischen den ersten und den zweiten Ladungsbeträgen integrieren.