DE60118202T2

DE60118202T2 - Optischer sensor

Info

Publication number: DE60118202T2
Application number: DE60118202T
Authority: DE
Inventors: c/o Hamamatsu Photonics K.K. Seiichiro Hamamatsu-shi MIZUNO; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Hiroo Hamamatsu-shi YAMAMOTO; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Kazuki Hamamatsu-shi FUJITA
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: EP1314969B1; AU2001276726A1; US20030156211A1; US20080012974A1; EP1314969A1; WO2002012845A1; EP1314969A4; DE60118202D1; US7969491B2; JP5197907B2; US7286172B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichterfassungsvorrichtung für das Ausgeben eines Digitalsignals mit einem Wert, der mit der Intensität von einfallendem Licht übereinstimmt.
Allgemeiner Stand der Technik
Eine Lichterfassungsvorrichtung enthält eine oder mehrere Lichterfassungseinrichtungen und eine Integrierschaltung für das Ausgeben einer Spannung mit einem Wert, der mit der Menge der von den Lichterfassungseinrichtungen ausgegebenen elektrischen Ladungen übereinstimmt. Bei dieser Lichterfassungsvorrichtung werden die von den Lichterfassungseinrichtungen in Mengen, die der Intensität des einfallenden Lichts entsprechen, ausgegebenen elektrischen Ladungen in der Integrierschaltung integriert und von der Integrierschaltung als eine Spannung mit einem Wert ausgegeben, der mit der Menge der integrierten Ladungen übereinstimmt, und auf der Grundlage dieser Spannung wird die Intensität des einfallenden Lichts ermittelt.
Die Lichterfassungsvorrichtung kann des Weiteren eine A/D-Umwandlungsschaltung für das Umwandeln einer von der Integrierschaltung ausgegebenen Spannung (Analogsignal) in ein Digitalsignal enthalten. In diesem Fall kann die Intensität des einfallenden Lichts als digitaler Wert ermittelt und von einem Computer oder dergleichen verarbeitet werden. Wenn mehrere Lichterfassungseinrichtungen entweder ein- oder zweidimensional angeordnet sind, kann die Lichterfassungsvorrichtung als Halbleiterbildaufnahmevorrichtung eingesetzt werden.
Für die Herstellung einer solchen Lichterfassungsvorrichtung kann die CMOS-Technik verwendet werden, und wenn in der Integrierschaltung die Kapazität eines Kondensators für das Umwandeln eines Stroms in eine Spannung verändert wird, kann der Dynamikbereich für die Erfassung der Intensität des einfallenden Lichts erhöht werden.
Eine solche Lichterfassungsvorrichtung wird beispielsweise in dem Referenzdokument „A 32-Channel Charge Readout IC for Programmable, Nonlinear Quantization of Multichannel Detector Data", S. L. Garverick et al., IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band 30, Nr. 5, S. 533–541 (1995), offengelegt.
In demselben Dokument wird die Lichterfassungsvorrichtung mit einer Integrierschaltung gezeigt, bei der eine integrierende Kondensatoreinheit mit variabler Kapazität zwischen dem Eingangs-/Ausgangsanschluss eines Verstärkers bereitgestellt wird. Die Integrierschaltung integriert die von einer Lichterfassungseinrichtung ausgegebenen Ladungen in der integrierenden Kondensatoreinheit und gibt eine Spannung mit einem Wert aus, der mit der Menge der integrierten Ladungen übereinstimmt.
Bei der Lichterfassungsvorrichtung in diesem Dokument wird die Kapazität der integrierenden Kondensatoreinheit von außerhalb der Vorrichtung gesteuert, um den Dynamikbereich für die Erfassung der Intensität des einfallenden Lichts zu vergrößern.
Das heißt, wenn sich die Kapazität der integrierenden Kondensatoreinheit reduziert, erhöht sich die Nachweisempfindlichkeit, selbst wenn die Intensität des einfallenden Lichts gering ist. Wenn die Kapazität der integrierenden Kondensatoreinheit erhöht ist, lässt sich indessen die Sättigung eines Ausgangssignals vermeiden, selbst wenn die Intensität des einfallenden Lichts hoch ist.
Bei der in dem oben genannten Referenzdokument beschriebenen Lichterfassungsvorrichtung (Halbleiterbildaufnahme vorrichtung) kann selbst zum Beispiel mitten im Sommer tagsüber, wenn die Bedingungen so sind, dass die Umgebung hell beleuchtet ist, ein Objekt abgebildet werden, ohne dass es zu einer Sättigung eines Ausgangssignals kommt. Des Weiteren kann ein Objekt mit hoher Empfindlichkeit abgebildet werden, wenn die Bedingungen so sind, dass die Umgebung sehr dunkel ist, wie beispielsweise nachts.
Offenbarung der Erfindung
Die in dem Referenzdokument beschriebene Lichterfassungsvorrichtung ermittelt jedoch die Größe des Wertes des Ausgangssignals, und ob das Ausgangssignal gesättigt ist, und auf der Grundlage der Ermittlungsergebnisse steuert sie von außen die Kapazität der für die Integrierschaltung bereitgestellten integrierenden Kondensatoreinheit. Somit kann die Lichterfassungsvorrichtung die Intensität von einfallendem Licht nicht schnell erfassen.
Außerdem kommt es in Abhängigkeit von der Positionierung eines Objektes zu einer Sättigung eines Ausgangssignals für den helleren Teil des Objektes, wenn die Helligkeit sehr unterschiedlich ist und die in dem oben genannten Referenzdokument beschriebene Lichterfassungsvorrichtung (eine Halbleiterbildaufnahmevorrichtung) für das Abbilden eines dunkleren Teils eines Objektes mit hoher Empfindlichkeit eingesetzt wird. Hingegen ist, wenn der hellere Teil eines Objektes abgebildet werden soll, um das Auftreten von Sättigung zu vermeiden, die Abbildungsempfindlichkeit für den dunkleren Teil des Objektes verringert.
Wie oben beschrieben wird bei der Lichterfassungsvorrichtung (Halbleiterbildaufnahmevorrichtung) im obigen Dokument die Kapazität der integrierenden Kondensatoreinheit für jede Abbildung auf geeignete Weise eingestellt, um den Dynamikbereich für die Erfassung der Intensität des einfallenden Lichts auszudehnen, auf einem Bildschirm lässt sich der Dynamikbereich für das Erfassen der Intensität des einfallenden Lichtes für jedes Pixel jedoch nicht vergrößern.
Um diese Probleme zu lösen, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Lichterfassungsvorrichtung bereitzustellen, die die Intensität von einfallendem Licht schnell erfassen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lichterfassungsvorrichtung Folgendes: eine Bestimmungsschaltung für das Empfangen eines Analogsignals in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert einer Lichterfassungseinrichtung und für das Bestimmen der Größe des Analogsignals; und ein A/D-Umwandlungsmittel für das Umwandeln des Analogsignals in ein Digitalsignal entsprechend einer Auflösung in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung.
Die Auflösung der Umwandlung besitzt eine Eigenschaft, die dem Dynamikbereich entgegengesetzt ist. Wenn die Lichtintensität, die auf die Lichterfassungseinrichtung fällt, hoch ist, wird sie von der Bestimmungsschaltung ermittelt, die ein Analogsignal empfängt, das mit dem Ausgangswert aus der Lichterfassungseinrichtung übereinstimmt, und die A/D-Umwandlung erfolgt entsprechend der Auflösung in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung. Infolgedessen wird der Dynamikbereich auf der Seite mit hoher Intensität sichergestellt, selbst wenn die Auflösung verringert wird.
Wenn die Intensität von einfallendem Licht gering ist, wird sie von der Bestimmungsschaltung erfasst, und die A/D-Umwandlung erfolgt entsprechend der Auflösung in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung. Infolgedessen kann die Auflösung erhöht werden, während der Dynamikbereich auf der Seite mit hoher Intensität eingeschränkt wird. Da in diesem Fall die Intensität des ein fallenden Lichts gering ist, kann die A/D-Umwandlung natürlich nicht auf der Seite mit hoher Intensität erfolgen.
Da insbesondere ein Analogsignal in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert aus der Lichterfassungseinrichtung eingegeben wird, kann das A/D-Umwandlungsmittel für das Empfangen dieses Analogsignals von der Bestimmungsschaltung gesteuert werden, die das Analogsignal empfangen hat. Da die Auflösung des A/D-Umwandlungsmittels anders als im konventionellen Fall nicht auf der Grundlage der Luminanz eines digitalisierten Videosignals gesteuert wird, ist eine sehr schnelle Steuerung möglich.
Für dieses A/D-Umwandlungsmittel gibt es mehrere mögliche Konfigurationen.
Gemäß einer dieser Konfigurationen enthält das A/D-Umwandlungsmittel Folgendes: eine Integrierschaltung, bei der eine Gruppe von Kondensatoren, die mit der rückwärtigen Stufe der Lichterfassungseinrichtung verbunden sind, zwischen den Eingangs-/Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers parallel geschaltet ist, und eine Kapazitätseinstellschaltung für das Einstellen einer kombinierten Kapazität der Gruppe von Kondensatoren zwischen dem Eingangs-/Ausgangsanschluss vor Beginn der Integration von Ladungen in der Gruppe von Kondensatoren entsprechend dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung.
Im Allgemeinen wird eine Beziehung festgelegt, bei der eine Spannung = der Ladungsmenge/eine Kapazität ist. Daher reduziert sich, wenn es bei der kombinierten Kapazität eine Erhöhung gibt, während die Intensität des einfallenden Lichts erhöht wird, die Änderung bei der von der Integrierschaltung ausgegebenen Spannung in Bezug zur Änderung der Ladungsmenge sowie die Umwandlungsauflösung. Die Intensität des einfallenden Lichts kann jedoch, selbst wenn sie hoch ist, erfasst werden, ohne dass es zu einer Sättigung der Ausgangsspannung kommt. Hingegen erhöht sich, wenn die kombinierte Kapazität reduziert wird, während die Intensität des einfallenden Lichts verringert wird, die Änderung bei der Ausgangsspannung der Integrierschaltung in Bezug zu der Änderung der Ladungsmenge sowie die Umwandlungsauflösung.
Bei einer weiteren Konfiguration umfasst das A/D-Umwandlungsmittel Folgendes: (A) eine Integrierschaltung, die mit der rückwärtigen Stufe einer Lichterfassungseinrichtung verbunden ist, und (B) eine A/D-Umwandlungsschaltung mit einem Hauptkondensator für das Integrieren von Ladungen proportional zum Ausgangswert aus der Integrierschaltung, mehreren Teilkondensatoren für das Integrieren der Ladungen, die vom Hauptkondensator, in dem sie integriert worden sind, transferiert werden, und einer Kapazitätssteuerung für das Steuern des Transfers von Ladungen zu den mehreren Teilkondensatoren und für das Ausgeben des Steuerwertes als das Digitalsignal, wobei die Ladungsmenge, die in jedem Teilkondensator integriert werden kann, dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung entsprechend eingestellt wird. In diesem Fall stellt die A/D-Umwandlungsschaltung die Auflösung auf der Grundlage des Ausgangswertes aus der Bestimmungsschaltung ein.
Wenn eine Spannung, die an beide Enden jedes Teilkondensators angelegt wird, in Abhängigkeit vom Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung festgelegt wird, wird in diesem Fall die Menge der Ladungen, die in jedem Teilkondensator integriert werden kann, eingestellt.
Bei noch einer weiteren Konfiguration umfasst das A/D-Umwandlungsmittel Folgendes: (1) eine Integrierschaltung, die mit der rückwärtigen Stufe der Lichterfassungseinrichtung verbunden ist, und (2) eine A/D-Umwandlungsschaltung mit einem Hauptkondensator für das Integrieren von Ladungen proportional zum Ausgangswert aus der Integrierschaltung, mehreren Teilkondensatoren für das Integrieren der Ladungen, die vom Hauptkondensator, in dem sie integriert worden sind, transferiert werden, und einer Kapazitätssteuerung für das Steuern des Transfers der Ladungen zu den mehreren Teilkondensatoren und für das Ausgeben eines Wertes zum Steuern als Digitalsignal, wobei unter den Teilkondensatoren entsprechend dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung eine Gruppe von Teilkondensatoren mit einer spezifischen Gruppe von Kapazitäten ausgewählt wird und wobei unter der Steuerung der Kapazitätssteuerung Ladungen von dem Hauptkondensator zu der ausgewählten Gruppe von Teilkondensatoren transferiert werden.
Des Weiteren gibt es eine vorstellbare Konfiguration, bei der der Änderungsbetrag eines Analogsignals aus der Lichterfassungseinrichtung unabhängig von der Durchführung einer A/D-Umwandlung erhöht wird. In diesem Fall umfasst eine Lichterfassungsvorrichtung Folgendes: (1) eine Lichterfassungseinrichtung für das Erzeugen und Ausgeben einer Ladungsmenge, die der Intensität von einfallendem Licht entspricht, (2) eine Integrierschaltung mit einer integrierenden Kondensatoreinheit mit variabler Kapazität für das Integrieren von der Lichterfassungseinrichtung erzeugten Ladungen in der integrierenden Kondensatoreinheit und das Ausgeben einer Spannung, die der Menge der integrierten Ladungen entspricht, (3) eine Ladungspegelbestimmungsschaltung für das Bestimmen des Pegels der von der Lichterfassungseinrichtung erzeugten Ladungen und (4) eine Kapazitätseinstellschaltung für das Einstellen einer Kapazität für die integrierende Kondensatoreinheit auf der Grundlage des von der Ladungspegelbestimmungsschaltung bestimmten Ladungspegels, bevor eine Ladungsakkumulationsoperation durch die Integrierschaltung gestartet wird.
Gemäß dieser Lichterfassungsvorrichtung wird eine Ladungsmenge erzeugt, die mit der Intensität des in die Lichterfassungseinrichtung eintretenden Lichts übereinstimmt, und der Ladungspegel wird von der Ladungspegelbestimmungsschaltung bestimmt. Auf der Grundlage des bestimmten Ladungspegels stellt die Kapazitätseinstellschaltung die Kapazität der integrierenden Kondensatoreinheit in der Integrierschaltung ein.
Danach werden in der Integrierschaltung die von der Lichterfassungseinrichtung erzeugten Ladungen in der integrierenden Kondensatoreinheit integriert, und es wird eine Spannung ausgegeben, die mit der Menge der integrierten Ladungen übereinstimmt. Wenn die Intensität von einfallendem Licht hoch ist, wird für die Kapazität der variablen Kondensatoreinheit in der Integrierschaltung ein vergleichsweise großer Wert eingestellt. Da die Ausgangsspannung = der Ladungsmenge/die Kapazität ist, reduziert sich die Änderung bei der Spannung in Bezug zur Änderung bei der Ladungsmenge, und wenn die A/D-Umwandlung für den Ausgangswert der Integrierschaltung erfolgt, wird zwar die Auflösung verringert, die Intensität des einfallenden Lichts kann jedoch, selbst wenn sie hoch ist, erfasst werden, ohne dass es zu einer Sättigung kommt.
Wenn andererseits die Intensität von einfallendem Licht gering ist, wird für die Kapazität der variablen Kondensatoreinheit in der Integrierschaltung ein vergleichsweise kleiner Wert eingestellt, die Änderung bei der Spannung in Bezug zur Änderung bei der Ladungsmenge wird erhöht, und die Intensität des einfallenden Lichts kann, selbst wenn sie gering ist, mit hoher Auflösung, d.h. mit hoher Empfindlichkeit, erfasst werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Lichterfassungsvorrichtung des Weiteren Folgendes: eine A/D-Umwandlungsschaltung für das Durchführen der A/D-Umwandlung einer von der Integrierschaltung ausgegebenen Spannung und für das Ausgeben eines Digitalsignals. In diesem Fall wird die von der Integrierschaltung ausgegebene Spannung in die A/D- Umwandlungsschaltung eingegeben, die sie in ein Digitalsignal umwandelt und dieses Digitalsignal ausgibt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Lichterfassungsvorrichtung des Weiteren außerdem Folgendes: eine Verschiebeschaltung für das Empfangen eines von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegebenen Digitalsignals und für das Verschieben von Bits des Digitalsignals entsprechend des von der Ladungspegelbestimmungsschaltung bestimmten Ladungspegels zum Ausgeben des entstehenden Signals. In diesem Fall wird das von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegebene Digitalsignal nach dem Verschieben der Bits durch die Verschiebeschaltung entsprechend des von der Ladungspegelbestimmungsschaltung bestimmten Ladungspegels ausgegeben.
Gemäß der Lichterfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren (1) die Kapazität der integrierenden Kondensatoreinheit auf eine erste oder eine zweite Kapazität eingestellt werden, und die erste Kapazität beträgt das 2ⁿ-fache (n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 1) der zweiten Kapazität, und (2) die A/D-Umwandlungsschaltung gibt ein Digitalsignal mit n oder mehr Bits aus. In diesem Fall wird das von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegebene Digitalsignal je nach Bedarf einer Verschiebung um n Bits nach links unterzogen, und der Wert des ermittelten Digitalsignals zeigt in Bezug zur Intensität des einfallenden Lichts eine überlegene Linearität.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration einer Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 ist ein Schaltplan, der eine Integrierschaltung 10, eine Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 und eine Kapazi tätseinstellschaltung 30 in der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
3A ist ein Schaltbild, das eine Verschiebeschaltung 200 in der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
die 3B und 3C sind schematische Darstellungen, die zwei Muster für ein von der Verschiebeschaltung 200 ausgegebenes Digitalsignal zeigen,
die 4A bis 4L sind Zeitdiagramme, die die Funktionsweise der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung erläutern,
5 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Wert eines Digitalsignals mit 12 Bits, das von der Verschiebeschaltung 200 der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform ausgegeben wird, und der Intensität des einfallenden Lichts zeigt,
6 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration einer Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt,
7 ist ein Schaltplan, der eine Integrierschaltung 10, eine Bestimmungsschaltung 20 und eine Kapazitätseinstellschaltung 30 in der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt,
8 ist ein Schaltplan, der eine A/D-Umwandlungsschaltung 40 zeigt,
9 ist ein Schaltplan, der eine andere A/D-Umwandlungsschaltung 40 zeigt,
10A ist ein Zeitdiagramm, das das Öffnen/Schließen eines Schalters SW₁₁₀ zeigt, und
10B ist ein Zeitdiagramm, das das Öffnen/Schließen eines Schalters SW₁₂₀ zeigt.
Beste Arten der Ausführung der Erfindung
Es werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Für die Erläuterung der Zeichnungen werden zur Bezeichnung übereinstimmender Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, um eine Überschneidung bei der Erläuterung zu vermeiden.
1 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration einer Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Diese Lichterfassungsvorrichtung 1 enthält Folgendes: M Einheiten (M ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2) 100₁ bis 100_M , eine Verschiebeschaltung 200 und eine Steuerschaltung 300. Diese M Einheiten 100₁ bis 100_M besitzen jeweils die gleiche Konfiguration, und jede enthält mehrere Photodioden (Lichterfassungseinrichtungen) PD, Schalter SW, eine Integrierschaltung 10, eine Ladungspegelbestimmungsschaltung 20, eine Kapazitätseinstellschaltung 30, eine A/D-Umwandlungsschaltung 40 und die Schalter SW₅₁ und SW₅₂.
Bei den Photodioden PD jeder Einheit 100_m (m ist eine beliebige ganze Zahl gleich oder größer als 1 und gleich oder größer als M) sind die Anodenanschlüsse mit Masse verbunden, während die Kathodenanschlüsse über die Schalter SW mit dem Eingangsende der Integrierschaltung 10 und ebenso durch die Kondensatoren Cd mit Masse verbunden sind. Bei den Kondensatoren Cd kann es sich um Sperrschichtkondensatoren für die Photodioden PD handeln, oder sie können separat von den Photodioden PD bereitgestellt werden.
Wenn die mit den Kathodenanschlüssen verbundenen Schalter geöffnet werden, erzeugen die Photodioden PD eine Ladungsmenge in Übereinstimmung mit der Intensität von einfallendem Licht und akkumulieren diese Ladungen in einem Kondensator Cv. Wenn die Schalter geschlossen sind, geben die Photodioden PD die in dem Kondensator Cv integrierten Ladungen an die Integrierschaltung 10 und die Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 aus. Es sei angemerkt, dass es sich bei Cv in 1 um einen Kondensator handelt, mit dem die mit dem Eingangsende der Integrierschaltung 10 verbundene Verdrahtung versehen ist.
Die Integrierschaltung 10 jeder Einheit 100_m enthält eine integrierende Kondensatoreinheit mit variabler Kapazität. Die Integrierschaltung 10 integriert die von den Photodioden PD erzeugten Ladungen in der integrierenden Kondensatoreinheit und gibt an die A/D-Umwandlungsschaltung 40 eine Spannung aus, die mit der Menge der integrierten Ladungen übereinstimmt. Die Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 jeder Einheit 100_m bestimmt die von jeder Photodiode PD erzeugte Ladungsmenge (den Ladungspegel) und gibt über den Schalter SW₅₂ ein Ladungspegelsignal Level, das die Ermittlungsergebnisse darstellt, an die Kapazitätseinstellschaltung 30 sowie an die Verschiebeschaltung 200 aus.
Die Kapazitätseinstellschaltung 30 in jeder Einheit 100_m empfängt das von der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 ausgegebene Ladungspegelsignal Level und stellt, bevor die Ladungsakkumulationsoperation der Integrierschaltung 10 ausgelöst wird, auf der Grundlage dieses Signals eine Kapazität für die integrierende Kondensatoreinheit der Integrierschaltung 10 ein. Die A/D-Umwandlungsschaltung 40 jeder Einheit 100_m empfängt eine von der Integrierschaltung 10 ausgegebene Spannung, führt die A/D-Umwandlung dieser Spannung durch, damit ein Digitalsignal entsteht, und über trägt das Digitalsignal über den Schalter SW₅₁ an die Verschiebeschaltung 200.
Die Verschiebeschaltung 200 empfängt nacheinander über den Schalter SW₅₁ die von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 in jeder Einheit 100_m ausgegebenen Digitalsignale und außerdem über den Schalter SW₅₂ das Ladungspegelsignal Level aus der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 in jeder Einheit 100_m . Dann verschiebt die Verschiebeschaltung 200 entsprechend dem Wert des Ladungspegelsignals Level die Bits des Digitalsignals und gibt das entstehende Digitalsignal aus.
Die Steuerschaltung 300 steuert den gesamten Betrieb der Lichterfassungsvorrichtung 1 und gibt Steuersignale für das Steuern des Öffnens/Schließens der mit den Photodioden PD verbundenen Schalter SW, des Schalters SW₅₁, des Schalters SW₅₂ und der Schalter in der Integrierschaltung 10 und dergleichen aus. Es sei angemerkt, dass in 1 Steuersignale, die von der Steuerschaltung 300 zu den anderen Teilschaltungen übertragen werden, nicht gezeigt sind.
Als Nächstes werden die einzelnen Teilschaltungen ausführlich beschrieben.
2 ist ein Schaltplan, der die Integrierschaltung 10, die Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 und die Kapazitätseinstellschaltung 30 der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Die Integrationsschaltung 10 jeder Einheit 100_m enthält einen Verstärker A₁₀, die Schalter SW₁₀ bis SW₁₃, die Kondensatoren Cf₁₁ und Cf₁₂ und eine ODER-Schaltung 11. Der invertierte Eingangsanschluss des Verstärkers A₁₀ ist über den Schalter SW₁₃ mit dem Eingangsende der Integrierschaltung 10 verbunden, an den nicht invertierten Eingangsanschluss wird eine konstante Spannung V_inp angelegt, und der Aus gangsanschluss ist mit dem Ausgangsende der Integrierschaltung 10 verbunden.
Der Schalter SW₁₀ ist zwischen dem invertierten Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers A₁₀ vorgesehen. Der Schalter SW₁₁ und der Kondensator Cf₁₁ sind in Reihe geschaltet und zwischen dem invertierten Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers A₁₀ vorgesehen. Der Schalter SW₁₂ und der Kondensator Cf₁₂ sind gleichermaßen in Reihe geschaltet und zwischen dem invertierten Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers A₁₀ vorgesehen. Die Kapazität des Kondensators Cf₁₂ ist größer als die des Kondensators Cf₁₁.
Der Schalter SW₁₀ wird auf der Grundlage eines von der Steuerschaltung 300 ausgegebenen ersten Rücksetzsignals Reset1 geöffnet oder geschlossen, und die Schalter SW₁₁ und SW₁₂ werden auf der Grundlage eines von der Kapazitätseinstellschaltung 30 ausgegebenen Steuersignals geöffnet oder geschlossen. Die ODER-Schaltung 11 empfängt ein zweites Rücksetzsignal Reset1 und ein Integrationsstartsignal Start von der Steuerschaltung 300 und gibt eine logische Summe dieser beiden Logiksignale aus. Dann führt der Schalter SW₁₃ auf der Grundlage des von der ODER-Schaltung 11 ausgegebenen Logiksignals das Öffnen/Schließen durch.
Bei der Integrierschaltung 10 bilden die Schalter SW₁₁ und SW₁₂ und die Kondensatoren Cf₁₁ und Cf₁₂ eine variable Kondensatoreinheit mit variabler Kapazität. Das heißt, wenn der Schalter SW₁₁ und/oder SW₁₂ geschlossen werden/wird, ist der Wert einer Rückkopplungskapazität zwischen dem invertierten Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss der Kapazitätswert des Kondensators Cf₁₁ und/oder des Kondensators Cf₁₂.
Die Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 jeder Einheit 100_m enthält eine Vergleichsschaltung 21, eine Logikinversions schaltung 22 und die NAND-Schaltungen 23 und 24. Der invertierte Eingangsanschluss der Vergleichsschaltung 21 ist mit dem Eingangsende der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 verbunden, und an den nicht invertierten Eingangsanschluss wird eine Referenzspannung V_ref angelegt. Die Vergleichsschaltung 21 vergleicht das Potential am Eingangsende der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 mit der Referenzspannung V_ref. Wenn das Potential am Eingangsende der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 höher ist als die Referenzspannung V_ref, dann gibt die Vergleichsschaltung 21 ein Logiksignal mit einem Logikpegel L an den Ausgangsanschluss aus, während sie, wenn das Potential nicht höher ist, ein Logiksignal mit Logikpegel H an den Ausgangsanschluss ausgibt. Die Logikinversionsschaltung 22 empfängt von der Steuerschaltung 300 das erste Rücksetzsignal Reset1, invertiert die Logik dieses Signals und gibt das Signal mit der invertierten Logik aus. Zum Einstellen der an den nicht invertierten Eingangsanschluss der Vergleichsschaltung 21 angelegten Referenzspannung V_ref wird die folgende Gleichung verwendet: Vref = (Cf12·Vsat)/(Cd + Cv) (1)
In dieser Gleichung definiert V_sat die Sättigungsspannung, bei der eine Ladungsmenge integriert wird, die ausreicht, um den Kondensator Cf₁₂ zu sättigen, wobei der Kondensator Cf₁₂ die kleine Kapazität aufweist.
Die NAND-Schaltung 23 empfängt von der Vergleichsschaltung 21 und der NAND-Schaltung 24 ausgegebene Logiksignale, invertiert das logische Produkt dieser beiden Logiksignale und gibt das invertierte Signal aus. Die NAND-Schaltung 24 empfängt von der Logikinversionsschaltung 22 und der NAND-Schaltung 23 ausgegebene Logiksignale, invertiert das logische Produkt dieser beiden Logiksignale und gibt das invertierte Signal aus. Das heißt, die NAND-Schaltungen 23 und 24 speichern ein von der Vergleichsschaltung 21 ausge gebenes Logiksignal zwischen. Somit bestimmt die Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 den Pegel der von jeder Photodiode PD erzeugten Ladungen, und die NAND-Schaltung 24 gibt das Ladungspegelsignal Level als Ermittlungsergebnis aus.
Die Kapazitätseinstellschaltung 30 jeder Einheit 100_m enthält eine Logikinversionsschaltung 31 und die ODER-Schaltungen 32 und 33.
Die Logikinversionsschaltung 31 empfängt das von der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 ausgegebene Ladungspegelsignal Level, invertiert dieses Signal und gibt das invertierte Signal aus.
Die ODER-Schaltung 32 empfängt das von der Steuerschaltung 300 ausgegebene zweite Rücksetzsignal Reset2 und das von der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 ausgegebene Ladungspegelsignal Level und gibt die logische Summe dieser beiden Logiksignale aus.
Die ODER-Schaltung 33 empfängt das von der Steuerschaltung 300 ausgegebene zweite Rücksetzsignal Reset2 und das von der Logikinversionsschaltung 31 ausgegebene Logiksignal und gibt die logische Summe dieser beiden Logiksignale aus.
Der Schalter SW₁₁ der Integrierschaltung 10 wird auf der Grundlage des von der ODER-Schaltung 32 der Kapazitätseinstellschaltung 30 ausgegebenen Logiksignals geöffnet beziehungsweise geschlossen, und der Schalter SW₁₂ der Integrierschaltung 10 wird auf der Grundlage des von der ODER-Schaltung 33 der Kapazitätseinstellschaltung 30 ausgegebenen Logiksignals geöffnet beziehungsweise geschlossen.
3A ist ein Schaltbild, das die Verschiebeschaltung 200 der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform zeigt, und die 3B und 3C sind schematische Darstellungen, die zwei Muster für ein von der Verschiebe schaltung 200 ausgegebenes Digitalsignal zeigen. Die Kapazität des Kondensators Cf₁₁ in der Integrierschaltung 10 jeder Einheit 100_m wird nachfolgend als das 16-fache (= 2⁴) der Kapazität des Kondensators Cf₁₂ definiert. Die A/D-Umwandlungsschaltung 40 in jeder Einheit 100_m gibt die Digitalsignale D₇ bis D₀ mit 8 Bits aus.
Die Verschiebeschaltung 200 enthält 12 Wahlschalter 201 bis 212. Jeder dieser Wahlschalter 201 bis 212 enthält Eingangsanschlüsse A und B sowie einen Anschluss für das Empfangen des von der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 ausgegebenen Ladungspegelsignals Level. Wenn sich das Ladungspegelsignal Level auf dem Logikpegel H befindet, gibt jeder Wahlschalter 201 bis 212 den am Eingangsanschluss A eingegebenen Logikpegel an den Ausgangsanschluss aus. Wenn sich hingegen das Ladungspegelsignal Level auf dem Logikpegel L befindet, gibt jeder Wahlschalter 201 bis 212 den am Eingangsanschluss B eingegebenen Logikpegel an den Ausgangsanschluss aus.
Der Wahlschalter 201 empfängt am Eingangsanschluss A den Logikpegel L und am Eingangsanschluss B das niedrigstwertige Bit D₀ eines Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird.
Der Wahlschalter 202 empfängt am Eingangsanschluss A den Logikpegel L und am Eingangsanschluss B das Bit D₁ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird.
Der Wahlschalter 203 empfängt am Eingangsanschluss A den Logikpegel L und am Eingangsanschluss B das Bit D₂ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird.
Der Wahlschalter 204 empfängt am Eingangsanschluss A den Logikpegel L und am Eingangsanschluss B das Bit D₃ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird.
Der Wahlschalter 205 empfängt am Eingangsanschluss A das niedrigstwertige Bit D₀ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird, und am Eingangsanschluss B das Bit D₄.
Der Wahlschalter 206 empfängt am Eingangsanschluss A das Bit D₁ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird, und am Eingangsanschluss B das Bit D₅.
Der Wahlschalter 207 empfängt am Eingangsanschluss A das Bit D₂ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird, und am Eingangsanschluss B das Bit D₆.
Der Wahlschalter 208 empfängt am Eingangsanschluss A das Bit D₃ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird, und am Eingangsanschluss B das höchstwertige Bit D₇.
Der Wahlschalter 209 empfängt am Eingangsanschluss A das Bit D₄ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird, und am Eingangsanschluss B einen Logikpegel L.
Der Wahlschalter 210 empfängt am Eingangsanschluss A das Bit D₅ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird, und am Eingangsanschluss B den Logikpegel L.
Der Wahlschalter 211 empfängt am Eingangsanschluss A das Bit D₆ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird, und am Eingangsanschluss B den Logikpegel L.
Der Wahlschalter 212 empfängt am Eingangsanschluss A das Bit D₇ des Digitalsignals mit 8 Bits, das von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegeben wird, und am Eingangsanschluss B den Logikpegel L.
Das heißt, wenn sich das von der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 ausgegebene Ladungspegelsignal Level auf dem Logikpegel H befindet, gibt die Verschiebeschaltung 200, die die zwölf Wahlschalter 201 bis 212 aufweist, ein Digitalsignal mit 12 Bits (D₇, D₆, D₅, D₄, D₃, D₂, D₁, D₀, 0, 0, 0, 0) aus (3B).
Wenn sich hingegen das Ladungspegelsignal Level auf dem Logikpegel L befindet, gibt die Verschiebeschaltung 200 ein Digitalsignal mit 12 Bits (0, 0, 0, 0, D₇, D₆, D₅, D₄, D₃, D₂, D₁, D₀) aus (3C).
Wie oben beschrieben empfängt die Verschiebeschaltung 200 ein von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegebenes Digitalsignal mit 8 Bits und verschiebt das Digitalsignal, wenn sich das Ladungspegelsignal Level auf dem Logikpegel H befindet, um 4 Bits nach links, wobei die 4 Bits mit dem Verhältnis 16 (= 2⁴) der Kapazitäten der Kondensatoren Cf₁₁ und Cf₁₂ der Integrierschaltung 10 übereinstimmen, und gibt ein Digitalsignal mit 12 Bits aus.
Es wird nun die Funktionsweise der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. Die 4A bis 4L sind Zeitdiagramme, die die Funktionsweise der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform erläutern.
Vor dem Zeitpunkt t1 befinden sich das erste Rücksetzsignal Reset1, das zweite Rücksetzsignal Reset2 und das Integrationsstartsignal Start, die von der Steuerschaltung 300 ausgegeben werden, auf dem Logikpegel L (4A bis 4C). Alle mit den Photodioden PD verbundenen Schalter SW sind geöffnet (4D).
Zum Zeitpunkt t1 gehen das erste Rücksetzsignal Reset1 und das zweite Rücksetzsignal Reset1, die von der Steuerschaltung 300 ausgegeben werden, auf den Logikpegel H über (4A und 4B). Dann geht das von der ODER-Schaltung 11 der Integrierschaltung 10 ausgegebene Logiksignal auf den Logikpegel H über, und die von den ODER-Schaltungen 32 und 33 der Kapazitätseinstellschaltung 30 ausgegebenen Logiksignale gehen ebenfalls auf den Logikpegel H über. Danach werden die Schalter SW₁₀ bis SW₁₂ in der Integrierschaltung 10 geschlossen, die Kondensatoren Cf₁₁ und Cf₁₂ entladen und die Kondensatoren Cf₁₁ und Cf₁₂ initialisiert (4E bis 4G). Außerdem wird der Schalter SW₁₃ in der Integrierschaltung 10 geschlossen, und aus dem Potential der Verdrahtung für die allen mit den Photodioden PD verbundenen Schaltern gemeinsame Verbindung wird eine konstante Spannung V_inp, die an den nicht invertierten Eingangsanschluss des Verstärkers A₁₀ in der Integrierschaltung 10 angelegt wird. Des Weiteren wird die konstante Spannung V_inp an das Eingangsende der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 angelegt (4H).
Danach geht zum Zeitpunkt t2 das zweite Rücksetzsignal Reset1 auf den Logikpegel L über, und der Schalter SW₁₃ der Integrierschaltung 10 wird geöffnet (4H). Zum Zeitpunkt t3 geht das erste Rücksetzsignal Reset1 auf den Logikpegel L über, und der Schalter SW₁₀ in der Integrierschaltung 10 wird geöffnet, damit die Integrierschaltung 10 die Integraloperation durchführen kann (4E).
Zum Zeitpunkt t4 wird der mit einer der Photodioden PD verbundene Schalter SW geschlossen. Somit wird der Wert des der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 zugeführten Eingangssignals von der derzeitigen Spannung V_inp in die Span nung V_video geändert, die von der folgenden Gleichung dargestellt wird (4I): Vvideo = (Ish·Tint)/(Cd + Cv) (2)
In dieser Gleichung definiert I_sh die Größe eines Photostroms, der der Intensität des einfallenden Lichts entsprechend in der Photodiode PD fließt, T_int einen Zeitraum, in dem der mit der Photodiode PD verbundene Schalter SW geöffnet ist, und ein Produkt I_sh·T_int die Ladungsmenge, die im Verlauf des Zeitraumes T_int in dem Kondensator Cd integriert worden ist. In der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 vergleicht die Vergleichsschaltung 21 die obige Eingangssignalspannung V_video mit der Referenzspannung V_ref und bestimmt den Pegel der von der Photodiode PD erzeugten Ladungen. Dann speichern die NAND-Schaltungen 23 und 24 das Vergleichsergebnis zwischen, und die NAND-Schaltung 24 gibt das Ladungspegelsignal Level aus, das die Ermittlungsergebnisse zum Pegel der von der Photodiode PD erzeugten Ladungen darstellt (4J).
Wenn die Intensität des einfallenden Lichts hoch und die Eingangssignalspannung V_video der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 niedriger als die Referenzspannung V_ref ist, gehen das von der Vergleichsschaltung 21 ausgegebene Logiksignal und das Ladungspegelsignal Level auf den Logikpegel H über. Das von der ODER-Schaltung 32 der Kapazitätseinstellschaltung 30 ausgegebene Logiksignal geht ebenfalls auf den Logikpegel H über, und der Schalter SW₁₁ der Integrierschaltung 10 wird geschlossen.
Das von der ODER-Schaltung 33 der Kapazitätseinstellschaltung 30 ausgegebene Logiksignal geht auf den Logikpegel L über, und der Schalter SW₁₂ der Integrierschaltung 10 wird geöffnet. Die Kapazität der integrierenden Kondensatoreinheit in der Integrierschaltung 10 ist somit die vergleichsweise große Kapazität des Kondensators Cf₁₁. Zum Zeitpunkt t5 geht dann das Integrationsstartsignal Start, das von der Steuerschaltung 300 ausgegeben wird, einmal auf den Logikpegel H über und fällt dann auf den Logikpegel L ab.
Daher wird der Schalter SW₁₃ in der Integrierschaltung 10 einmal geschlossen und dann geöffnet. Wenn der Schalter SW₁₃ geschlossen ist, integriert der Kondensator Cf₁₁ die Ladungsmenge (I_sh·T_int), die in Übereinstimmung mit der Intensität des einfallenden Lichts von der Photodiode PD erzeugt worden ist, und die von der Integrierschaltung 10 ausgegebene Spannung V_c wird von der folgenden Gleichung dargestellt (4K): Vc = (Ish·Tint)/Cf11 (3)
Die Spannung V_c wird dann von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 in ein Digitalsignal (D₇ bis D₀) umgewandelt.
Wenn die Intensität des einfallenden Lichts jedoch gering und die Eingangssignalspannung V_video für die Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 höher als die Referenzspannung V_ref ist, gehen das von der Vergleichsschaltung 21 ausgegebene Logiksignal und das Ladungspegelsignal Level auf den Logikpegel L über. Das von der ODER-Schaltung 32 der Kapazitätseinstellschaltung 30 ausgegebene Logiksignal geht zu diesem Zeitpunkt ebenfalls auf den Logikpegel L über, und der Schalter SW₁₁ der Integrierschaltung 10 wird geöffnet. Des Weiteren geht das von der ODER-Schaltung 33 der Kapazitätseinstellschaltung 30 ausgegebene Logiksignal auf den Logikpegel H über, und der Schalter SW₁₂ der Integrierschaltung 10 wird geschlossen. Die integrierende Kondensatoreinheit in der Integrierschaltung 10 weist daher die vergleichsweise geringe Kapazität von Cf₁₂ auf. Zum Zeitpunkt t5 geht das Integrationsstartsignal Start, das von der Steuerschaltung 300 ausgegeben wird, einmal auf den Logikpegel H über und dann auf den Logikpegel L. Somit wird der Schalter SW₁₃ in der Integrierschaltung 10 einmal geschlossen und dann geöffnet. Wenn der Schalter SW₁₃ geschlossen ist, integriert der Kondensator Cf₁₂ die Ladungsmenge (I_sh·T_int), die in Übereinstimmung mit der Intensität des einfallenden Lichts von der Photodiode PD erzeugt worden ist, und die von der Integrierschaltung 10 ausgegebene Spannung V_c wird von der folgenden Gleichung dargestellt: Vc = (Ish·Tint)/Cf12 (4)
Dann wird die Spannung V_c von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 in ein Digitalsignal (D₇ bis D₀) umgewandelt.
Die oben beschriebene Operation wird von den Einheiten 100₁ bis 100_M parallel durchgeführt. Danach werden die Schalter SW₅₁ und SW₅₂ in jeder Einheit 100_m unter der Steuerung der Steuerschaltung 300 nacheinander geschlossen, und die von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegebenen Digitalsignale (D₇ bis D₀) und das von der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 ausgegebene Ladungspegelsignal Level werden in die Verschiebeschaltung 200 eingegeben. Wenn sich das Ladungspegelsignal Level auf dem Logikpegel H befindet, wird das in die Verschiebeschaltung 200 eingegebene Digitalsignal mit 8 Bits einer Verschiebung um vier Bits nach links unterzogen und ein Digitalsignal mit 12 Bits (D₇, D₆, D₅, D₄, D₃, D₂, D₁, D₀, 0, 0, 0, 0) ausgegeben (4L). Wenn sich hingegen das Ladungspegelsignal Level auf dem Logikpegel L befindet, werden vor dem höchsten Bit des in die Verschiebeschaltung 200 eingegebenen Digitalsignals mit 8 Bits 4 Ziffern 0 hinzugefügt, und die Verschiebeschaltung 200 gibt ein Digitalsignal mit 12 Bits (0, 0, 0, 0, D₇, D₆, D₅, D₄, D₃, D₂, D₁) aus.
5 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen dem Wert eines Digitalsignals mit 12 Bits, das von der Verschiebeschaltung 200 der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform ausgegeben wird, und der Intensität des einfallenden Lichts zeigt. Wenn die Ein gangssignalspannung V_video der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 höher ist als die Referenzspannung V_ref d.h. wenn sich das Ladungspegelsignal Level auf dem Logikpegel H befindet, dann ist die Kapazität der variablen Kondensatoreinheit der Integrierschaltung 10 die vergleichsweise große Kapazität Cf₁₁, und die Intensität des einfallenden Lichts kann, selbst wenn sie hoch ist, erfasst werden, ohne dass es zu einer Sättigung kommt. Wenn die Eingangssignalspannung V_video der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 hingegen niedriger ist als die Referenzspannung V_ref, d.h. wenn sich das Ladungspegelsignal Level auf dem Logikpegel L befindet, dann ist die Kapazität der variablen Kondensatoreinheit der Integrierschaltung 10 die vergleichsweise geringe Kapazität des Kondensators Cf₁₂, und die Intensität des einfallenden Lichts kann, selbst wenn sie gering ist, auf empfindliche Weise erfasst werden.
Da die Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform wie oben beschrieben die Kapazität der variablen Kondensatoreinheit der Integrierschaltung 10 für jede Photodiode PD angemessen und schnell einstellen kann, erhält man für die Erfassung der Intensität des einfallenden Lichts für jedes Pixel einen großen Dynamikbereich, und die Intensität des einfallenden Lichts kann mit hoher Geschwindigkeit erfasst werden.
Bei der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Kapazität des Kondensators Cf₁₁ in der Integrierschaltung 10 das 16-fache (= 2⁴) der Kapazität des Kondensators Cf₁₂ ist, die A/D-Umwandlungsschaltung 40 ein Digitalsignal mit 8 Bits ausgibt und die Verschiebeschaltung 200 bei Bedarf eine Verschiebung des Digitalsignals um 4 Bits nach links durchführt. Es wird im Allgemeinen bevorzugt, dass die Kapazität des Kondensators Cf₁₁ in der Integrierschaltung 10 das 2ⁿ-fache (n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 1) der Kapazität des Kondensators Cf₁₂ ist, die A/D-Umwandlungs schaltung 40 ein Digitalsignal mit n oder mehr Bits ausgibt und die Verschiebeschaltung 200 bei Bedarf eine Verschiebung des Digitalsignals um n Bits nach links durchführt.
Somit zeigt der Wert des von der Verschiebeschaltung 200 ausgegebenen Digitalsignals eine ausgezeichnete Linearität in Bezug zur Intensität des einfallenden Lichts.
Diese Ausführungsform kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. Für die einzelnen Teilschaltungen kann beispielsweise eine andere Art des Aufbaus eingesetzt werden. Der spezifische Schaltungsaufbau für die variable Kondensatoreinheit der Integrierschaltung 10 ist insbesondere nicht auf den für die obige Ausführungsform beschränkt, es kann auch ein anderer Schaltungsaufbau eingesetzt werden. Die für die variable Kondensatoreinheit der Integrierschaltung 10 zur Verfügung stehende Kapazität ist nicht wie bei dieser Ausführungsform auf zwei Pegel begrenzt, es können drei oder mehr Pegel verwendet werden. Des Weiteren können die Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 und die Kapazitätseinstellschaltung 30 gemäß der Anzahl der Pegel auf geeignete Weise konfiguriert werden.
Die Verschiebeschaltung 200 ist nicht immer notwendig. Eine Datenverarbeitungsvorrichtung wie beispielsweise ein Computer kann ein von der A/D-Umwandlungsschaltung 40 ausgegebenes Digitalsignal und ein von der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 ausgegebenes Ladungspegelsignal Level empfangen und danach einen erforderlichen Prozess durchführen.
Die A/D-Umwandlungsschaltung 40 ist ebenfalls nicht notwendigerweise immer vorhanden. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann für eine von der Integrierschaltung 10 ausgegebene Eingangsspannung eine A/D-Umwandlung durchführen, sie kann ebenso ein von der Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 ausgegebenes Ladungspegelsignal Level empfangen und danach einen erforderlichen Prozess durchführen.
Gemäß der Lichterfassungsvorrichtung 1 dieser Ausführungsform sind in jeder von M (M ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2) Einheiten 100₁ bis 100_M mehrere zweidimensional angeordnete Photodioden PD enthalten, die das Abbilden zweidimensionaler Bilder ermöglichen. Stattdessen kann jedoch auch M = 1 eingesetzt werden, und mehrere Photodioden PD können für das Abbilden eindimensionaler Bilder eindimensional angeordnet sein. Des Weiteren können M = 1 und eine einzelne Photodiode PD enthalten sein, und statt des Abbildens eines Objekts kann einfach die Intensität des einfallenden Lichts erfasst werden. In diesem Fall kann man für die Erfassung der Intensität des einfallenden Lichts einen großen Dynamikbereich erhalten, der dann schnell erfasst werden kann, selbst wenn sich die Intensität des einfallenden Lichts stark oder schnell ändert.
Wie oben beschrieben enthält die Lichterfassungsvorrichtung Folgendes: die Bestimmungsschaltung 20 für das Empfangen eines Analogsignals (Spannung) von der Integrierschaltung 10 entsprechend dem Ausgangswert aus der Lichterfassungseinrichtung PD und A/D-Umwandlungsmittel 10 und 40 für das Umwandeln des Analogsignals, das mit einer Auflösung eingegeben wurde, die mit dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung 20 übereinstimmt, in ein Digitalsignal. Das Analogsignal kann dem Ausgangswert aus der Lichterfassungseinrichtung PD entsprechend in die Bestimmungsschaltung 20 eingegeben werden, und auf der Grundlage dieses Signals kann die A/D-Umwandlung von der internen Steuerung der A/D-Umwandlungsmittel 10 und 40 durchgeführt werden. Die Auflösung des A/D-Umwandlungsmittels wird somit anders als im konventionellen Fall nicht auf der Grundlage der Luminanz eines digitalisierten Videosignals gesteuert, so dass ein schneller Steuerungsprozess durchgeführt werden kann.
Bei dieser Ausführungsform enthält das A/D-Umwandlungsmittel Folgendes: die Integrierschaltung 10, bei der die Gruppe von Kondensatoren Cf₁₁ und Cf₁₂, die mit der rückwärtigen Stufe der Lichterfassungseinrichtung PD verbunden sind, zwischen den Eingangs-/Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers A₁₀ parallel geschaltet ist, und die Kapazitätseinstellschaltung für das Einstellen der kombinierten Kapazität der Gruppe von Kondensatoren Cf₁₁ und Cf₁₂, die sich zwischen dem Eingangs-/Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers A₁₀ befinden, entsprechend dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung 20, bevor mit der Operation der Ladungsakkumulation in der Gruppe von Kondensatoren Cf₁₁ und Cf₁₂ begonnen wird, wobei der Dynamikbereich wie oben beschrieben schnell geändert werden kann.
Im Allgemeinen wird festgelegt, dass die Spannung = der Ladungsmenge/die Kapazität ist. Daher reduzieren sich, wenn die kombinierte Kapazität erhöht wird, während die Intensität des einfallenden Lichts verstärkt wird, die Änderung bei der von der Integrierschaltung ausgegebenen Spannung in Bezug zur Änderung der Ladungsmenge und die Auflösung für die Umwandlung, während die Intensität des einfallenden Lichts, selbst wenn sie hoch ist, erfasst werden kann, ohne dass es zu einer Sättigung der Ausgangsspannung kommt. Andererseits erhöht sich, wenn die kombinierte Kapazität reduziert wird, während die Intensität des einfallenden Lichts verringert wird, die Änderung bei der Ausgangsspannung der Integrierschaltung in Bezug zu der Änderung der Ladungsmenge, und die Auflösung für die Umwandlung wird verbessert.
6 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration einer Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt. Die Lichterfassungsvorrichtung 1 dieser Ausführungsform unterscheidet sich in den folgenden zwei Punkten von der Lichterfassungsvorrichtung der vorhergehenden Ausführungsform. Der erste Unterschied besteht darin, dass bei dieser Ausführungsform die Kapazität einer Integrierschaltung 10 nicht variabel ist. Der zweite Unterschied besteht darin, dass die Kapazität der Integrierschaltung 10 zwar festgelegt ist, die A/D-Umwandlungsauflösung und der Dynamikbereich einer A/D-Umwandlungsschaltung 40 aber komplementär variabel sind und dem Ausgangswert aus einer Ladungspegelbestimmungsschaltung 20 entsprechend eingestellt werden. Nachstehend erfolgt eine ausführliche Beschreibung.
Bei der Lichterfassungsvorrichtung dieser Ausführungsform gibt die Integrierschaltung 10, wie bei der vorhergehenden Ausführungsform, dem Ausgangswert aus einer Lichterfassungseinrichtung PD entsprechend ein Analogsignal (Spannung) in die A/D-Umwandlungsschaltung 40 ein, und die Bestimmungsschaltung 20 bestimmt die Größe eines analogen Ausgangswertes, der mit dem Ausgangswert der Lichterfassungseinrichtung übereinstimmt. Die A/D-Umwandlungsmittel 10 und 40 wandeln ein Analogsignal, das mit einer Auflösung eingegeben wurde, die mit dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung 20 übereinstimmt, in ein Digitalsignal um.
Die Auflösung einer A/D-Umwandlung besitzt eine Eigenschaft, die der des Dynamikbereiches einer A/D-Umwandlung entgegengesetzt ist. Das heißt, wenn ein Analogsignal mit einer vorgegebenen Bereichsgröße in ein Digitalsignal umgewandelt werden soll, ist die Auflösung hoch, wenn ein kleiner vorgegebener Bereich eingestellt werden kann. Wenn jedoch ein Kondensator für die A/D-Umwandlung eingesetzt wird, ist das Verhältnis der Änderung bei der Spannung zur Änderung der Ladungsmenge proportional zum Kehrwert der Kapazität. Wenn also, anders ausgedrückt, ein Kondensator eingesetzt wird, der eine kleine Ladungsmenge akkumulieren kann, dann lässt sich die Auflösung erhöhen. Andererseits wird der Dynamikbereich eingeschränkt, da nur eine kleine Ladungsmenge integriert werden kann. Um die Menge der zu integrierenden Ladungen zu erhöhen, muss entweder nur die an beide Enden des Kondensators angelegte Spannung oder nur die Kapazität selbst erhöht werden.
Wenn die Intensität des Lichts, das in die Lichterfassungseinrichtung PD eintritt, hoch ist, wird sie von der Bestimmungsschaltung 20 ermittelt, um ein Analogsignal zu erhalten, das mit dem Ausgangswert aus der Lichterfassungseinrichtung übereinstimmt, und die A/D-Umwandlung erfolgt bei einer Auflösung, die mit dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung 20 übereinstimmt. Infolgedessen wird der Dynamikbereich auf der Seite mit hoher Intensität selbst bei verringerter Auflösung sichergestellt.
Wenn sich des Weiteren die Intensität des Lichts, das in die Lichterfassungseinrichtung PD eintritt, verringert, wird sie von der Bestimmungsschaltung 20 erfasst, und eine A/D-Umwandlung erfolgt bei einer Auflösung, die mit dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung 20 übereinstimmt. Infolgedessen kann die Auflösung erhöht werden, während der Dynamikbereich auf der Seite mit hoher Intensität eingeschränkt wird. Da sich in diesem Fall natürlich die Intensität des einfallenden Lichts in hohem Maße verringert, kann die A/D-Umwandlung nicht auf der Seite mit hoher Intensität erfolgen.
Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform wird ein Analogsignal entsprechend dem Ausgangswert aus der Lichterfassungseinrichtung PD zur Bestimmungsschaltung 20 übertragen, und die A/D-Umwandlung erfolgt auf der Grundlage des Ausgangswertes aus der Bestimmungsschaltung 20. Anders als im konventionellen Fall wird in diesem Prozess die Auflösung des A/D-Umwandlungsmittels jedoch nicht auf der Grundlage der Luminanz eines digitalisierten Videosignals gesteuert, und so kann sehr schnell gesteuert werden.
7 ist ein Schaltplan, der die Integrierschaltung 10, die Bestimmungsschaltung 20 und eine Kapazitätseinstell schaltung 30 in der Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Bei dieser Konfiguration unterscheidet sich die Lichterfassungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform von der in 2 gezeigten Vorrichtung nur dadurch, dass der Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung 20 nicht zur Integrierschaltung 10 übertragen wird, sondern zu der A/D-Umwandlungsschaltung 40 auf der nächsten Stufe. Da die Integrierschaltung 10 anders als die in 2 gezeigte nicht den Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung 20 einsetzt, ist nur ein Kondensator Cf₁₂ vorgesehen. Es können natürlich mehrere Kondensatoren bereitgestellt werden.
Der Pegel einer von der Kapazitätseinstellschaltung 30 ausgegebenen Spannung wird bei einem vorgegebenen Wert der von der Lichterfassungseinrichtung PD erfassten Intensität des einfallenden Lichts geändert. Bei dieser Ausführungsform wird mithilfe dieses Signalwechsels die Ladungsmenge geändert, die von dem Kondensator der A/D-Umwandlungsschaltung 40 auf der nächsten Stufe integriert werden soll, und die Auflösung und der Dynamikbereich der A/D-Umwandlung werden verändert. Um die Menge der vom Kondensator zu integrierenden Ladungen zu erhöhen, muss wie oben beschrieben entweder nur die an beide Enden des Kondensators angelegte Spannung oder nur die Kapazität selbst erhöht werden. Zunächst wird die Konfiguration beschrieben, die zum Erhöhen der an beiden Enden des Kondensators angelegten Spannung eingesetzt wird.
8 ist ein Schaltplan, der die A/D-Umwandlungsschaltung 40 zeigt. Ein Analogsignal (Spannung) wird von der Integrierschaltung 10 über einen Kondensator 40X an den invertierten Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 40A ausgegeben. Ein Hauptkondensator Cmain befindet sich zwischen dem Eingangs-/Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 40A, und eine Ladungsmenge, die mit der Größe eines Analogsignals übereinstimmt, wird integriert. Es sei angemerkt, dass die in dem Hauptkondensator integrierten Ladungen durch das Schließen eines Schalters SWC zum Kurzschließen des Hauptkondensators Cmain gelöscht werden.
Eine Spannung, die mit den von dem Hauptkondensator Cmain integrierten Ladungen übereinstimmt, wird am Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 40A erzeugt und in einen Vergleicher 40B eingegeben. Wenn die Menge von im Hauptkondensator Cmain integrierten Ladungen so weit reduziert wird, dass sie unter einem vorgegebenen Wert liegt, wird der Absolutwert der in den Vergleicher 40B eingegebenen Spannung geringer als eine Normalspannung Vcom, so dass die Ausgangsspannung des Vergleichers 40B auf den Pegel L (oder in Abhängigkeit von der Einstellung den Pegel H) übergeht. Bis die Ausgangsspannung des Vergleichers 40B den Pegel L erreicht, steuert eine Kapazitätssteuerung 40C den Wechsel der Schalter SW₁₁₁ bis SW₁₁₄ oder der Schalter SW₁₂₁ bis SW₁₂₄ und überträgt die in dem Hauptkondensator Cmain integrierten Ladungen zu einer Gruppe von Teilkondensatoren C_S111 bis C_S114 oder C_S121 bis C_S124. Bei dieser Ausführungsform weisen die Teilkondensatorgruppen C_S111 bis C_S114 und C_S121 bis C_S124 einschließlich ihrer Kapazitäten die gleiche Konfiguration auf, und jede Gruppe von Teilkondensatoren kann die jeweils andere Gruppe ersetzen.
Wenn beispielsweise der Schalter SW₁₁₁ mit einer Referenzspannung Vref2 verbunden ist, wird ein Teil der in dem Hauptkondensator Cmain integrierten Ladungen zum Teilkondensator C_S114 transferiert, die in den Vergleicher 40B eingegebene Spannung reduziert und ein Bit auf „1" gesetzt. Um des Weiteren die unteren Bits zu setzen, wird der Schalter SW₁₁₂ mit der Referenzspannung Vref2 verbunden, und wenn zu diesem Zeitpunkt die in den Vergleicher 40C eingegebene Spannung aufgrund des Transfers von Ladungen aus dem Hauptkondensator Cmain unter einen vorgegebenen Wert fällt, trennt die Kapazitätssteuerung 40C den Schalter SW₁₁₂ und setzt dieses Bit auf „0". Wenn der Wechsel danach auf die gleiche Weise gesteuert wird, ist dieser Steuerwert proportional zur Größe eines Analogsignals, so dass der Steuerwert selbst als Digitalsignal von der Kapazitätssteuerung 40C ausgegeben wird. Die Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren werden auf das 2ⁿ-fache voneinander eingestellt.
Während der A/D-Umwandlung werden zunächst im Hauptkondensator Cmain integrierte Ladungen durch Schließen des Schalters SWC entladen, und danach werden zum Analogsignal (Spannung) aus der Integrierschaltung 10 proportionale Ladungen vom Hauptkondensator Cmain integriert. Die Bestimmungsschaltung 20 gibt an die Schalter SW₁₁₀ und SW₁₂₀ einen Befehl aus, der angibt, ob die Referenzspannung Vref1 oder die Referenzspannung Vref2 eingesetzt werden soll. Die von der Bestimmungsschaltung 20 und der Kapazitätseinstellschaltung 30 für das Benennen der zu verwendenden Referenzspannung ausgegebenen Befehlssignale S1 und S2 sind von der Intensität des in die Lichterfassungseinrichtung PD eintretenden Lichts abhängig. Hier wird davon ausgegangen, dass sich S1 auf dem Pegel H befindet, wenn die Intensität des einfallenden Lichts hoch ist, dass sich S2 auf dem Pegel H befindet, wenn die Intensität des einfallenden Lichts gering ist, und dass dementsprechend entweder der Schalter SW₁₁₀ oder SW₁₂₀ verbunden ist.
Kurz gesagt kann, wenn die Intensität des einfallenden Lichts hoch ist, die Teilkondensatorgruppe C_S111 bis C_S114 mit der Referenzspannung Vref2 und, wenn die Intensität des einfallenden Lichts gering ist, die Teilkondensatorgruppe C_S121 bis C_S124 mit der Referenzspannung Vref1 verbunden werden. Wenn die Referenzspannung höher ist, können in den verbundenen Kondensatoren mehr Ladungen integriert werden, und somit ist die Referenzspannung Vref2, die bei einer hohen Intensität des einfallenden Lichts verwendet wird, höher als die Referenzspannung Vref1. Es sei angemerkt, dass keine Ladungen integriert werden, wenn beide Enden eines Kondensators mit derselben Spannung Vcom verbunden sind.
Bei dieser Ausführungsform enthält das A/D-Umwandlungsmittel Folgendes: (1) die Integrierschaltung 10, die mit der nachfolgenden Stufe der Lichterfassungseinrichtungen PD verbunden werden soll, und (2) die A/D-Umwandlungsschaltung mit dem Hauptkondensator Cmain, in dem zum Ausgangswert aus der Integrierschaltung 10 proportionale Ladungen integriert werden, mehreren Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 (C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124), zu denen Ladungen aus dem Hauptkondensator Cmain transferiert und in denen diese integriert werden, und der Kapazitätssteuerung 40C für das Steuern des Transfers von Ladungen zu den mehreren Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 (C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124) und für das Ausgeben des Steuerwertes als Digitalsignal.
Entsprechend dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung 20 wird die Menge akkumulierbarer Ladungen für die Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 (C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124) eingestellt (bei dieser Ausführungsform wird die Referenzspannung eingestellt). Anders ausgedrückt ändern sich die Menge akkumulierbarer Ladungen sowie die Auflösung und der Dynamikbereich, da die Ladungsmenge = der Kapazität x der Spannung ist, wenn die Spannung an beiden Enden jedes Teilkondensators C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 (C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124) gesteuert wird. In diesem Fall stellt die A/D-Umwandlungsschaltung im Gegensatz zur vorhergehenden Ausführungsform die Auflösung auf der Grundlage des Ausgangswertes aus der Bestimmungsschaltung 20 ein.
Bei dieser Ausführungsform wird die an beiden Enden der Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 (C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124) angelegte Spannung in Abhängigkeit vom Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung 20 bestimmt und die Menge akkumulierbarer Ladungen für jeden der Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 (C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124) eingestellt.
Das heißt, wenn der Schalter SW₁₁₀ von dem Ausgangswert S1 aus der Bestimmungsschaltung 20 geschlossen wird, kann die Gruppe von Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 durch die Steuerung der Kapazitätssteuerung 30 mit der Referenzspannung Vref2 verbunden werden. Anders ausgedrückt wird die Menge der akkumulierbaren Ladungen für jeden Kondensator der Referenzspannung Vref2 entsprechend bestimmt.
Auf ähnliche Weise kann, wenn der Schalter SW₁₂₀ von dem Ausgangswert S2 aus der Bestimmungsschaltung 20 geschlossen wird, die Gruppe von Teilkondensatoren C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124 durch die Steuerung der Kapazitätssteuerung 30 mit der Referenzspannung Vref1 verbunden werden. Die Menge der akkumulierbaren Ladungen wird kurz gesagt durch Auswählen der Referenzspannung Vref1 bestimmt.
Dann muss nur von der Kapazitätssteuerung 40C auf die oben beschriebene Weise bestimmt werden, ob Ladungen in diesen Kondensatoren integriert werden sollen, d.h. ob Ladungen vom Hauptkondensator Cmain transferiert werden müssen, so dass die A/D-Umwandlung durchgeführt werden kann.
Die 10A und 10B sind Zeitdiagramme, die das Öffnen und Schließen der Schalter SW₁₁₀ und SW₁₂₀ zeigen. Wenn beispielsweise die Intensität des einfallenden Lichts hoch ist, sind die Schalter SW₁₁₀ und SW₁₂₀ von Zeitpunkt t1 bis t2 geschlossen und werden dann geöffnet, und nach dem Zeitpunkt t3 wird der Schalter SW₁₁₀ geschlossen, so dass die Referenzspannung Vref2 eingesetzt werden kann. Wenn die Referenzspannung Vref eingesetzt werden kann, können in der Gruppe von Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 einer Differenz zur Referenzspannung Vref entsprechend Ladungen integriert werden, und die A/D-Umwandlung kann mit einem weiten Dynamikbereich erfolgen.
Andererseits können, wenn die Intensität des einfallenden Lichts gering ist, Ladungen in der Gruppe von Teilkondensatoren C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124 integriert werden, indem die Verwendung der Referenzspannung Vref1 aktiviert wird, und die A/D-Umwandlung kann bei einer hohen Auflösung erfolgen.
Die Menge der akkumulierbaren Ladungen wurde oben durch das Steuern der Referenzspannung gesteuert. Es können jedoch mehrere Kondensatoren eingesetzt werden, und die Ladungsmenge kann durch Ändern der Kapazitäten dieser Kondensatoren gesteuert werden.
9 ist ein Schaltplan, der eine andere A/D-Umwandlungsschaltung 40 zeigt.
In diesem Fall enthält das A/D-Umwandlungsmittel Folgendes: (1) die Integrierschaltung 10, die mit der nachfolgenden Stufe der Lichterfassungseinrichtungen PD verbunden werden soll, und (2) die A/D-Umwandlungsschaltung mit dem Hauptkondensator Cmain, von dem zum Ausgangswert aus der Integrierschaltung 10 proportionale Ladungen integriert werden, mehreren Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 (C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124), zu denen Ladungen aus dem Haupt kondensator Cmain transferiert und in denen diese integriert werden, und der Kapazitätssteuerung 40C für das Steuern des Transfers von Ladungen zu den mehreren Teilkondensatoren und für das Ausgeben des Steuerwertes als Digitalsignal, wobei unter den mehreren Teilkondensatoren entsprechend dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung 20 eine Kondensatorgruppe (z.B. C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114) mit einer spezifischen Kapazitätengruppe ausgewählt wird und die Ladungen vom Hauptkondensator Cmain durch die Steuerung der Kapazitätssteuerung 40C zur ausgewählten Kondensatorgruppe transferiert werden.
Die Schaltung in 9 unterscheidet sich von der in 8 nur in zwei Punkten: Die Referenzspannungen Vref1 und Vref2 werden durch eine einzige Referenzspannung Vref ersetzt, und die Kapazitäten der Teilkondensatoren sind verschieden. Wenn die Kapazitäten der Kondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 in 8 als Cp, (Cp/2), (Cp/4) und (Cp/8) definiert sind, sind die Kapazitäten der Kondensatoren C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124 Cq, (Cq/2), (Cq/4) beziehungsweise (Cq/8). Das heißt, Cp und Cq sind unterschiedliche Werte, und es sei angemerkt, dass Cp > Cq.
Die Funktionsweise der Schaltung in 9 ist die gleiche wie bei der in 8. Wenn eine der Teilkondensatorgruppen zur Verwendung ausgewählt wird, werden die Kapazitäten Cp und Cq, bei denen es sich um die Grundkapazitäten für die Teilkondensatorgruppen handelt, auf die gleiche Weise geschaltet, wie wenn die Referenzspannungen Vref1 und Vref2 geschaltet werden.
Wenn des Weiteren, wie für die Schaltung in 8 beschrieben wurde, die Intensität des einfallenden Lichts hoch ist, sind die Schalter SW₁₁₀ und SW₁₂₀ von Zeitpunkt t1 bis t2 geschlossen und werden dann geöffnet, und nach dem Zeitpunkt t3 wird der Schalter SW₁₁₀ geschlossen, damit die Gruppe der Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114, die die Grundkapazität Cp aufweisen, verwendet werden kann. Da in der Gruppe der Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 eine große Ladungsmenge integriert werden kann, kann die A/D-Umwandlung mit einem weiten Dynamikbereich erfolgen.
Wenn die Intensität des einfallenden Lichts gering ist, wird nach t3 der Schalter SW₁₂₀ geschlossen, damit die Gruppe der Teilkondensatoren C_S121, C_S122, C_S123 und C_S124, die die Grundkapazität Cq aufweisen, verwendet werden kann. Da in den Teilkondensatoren C_S111, C_S112, C_S113 und C_S114 nur eine geringe Ladungsmenge integriert werden kann, kann die A/D- Umwandlung mit einer hohen Auflösung erfolgen. Es sei angemerkt, dass die Beziehung zwischen der Intensität des einfallenden Lichts und dem digitalen Ausgangswert der Verschiebeschaltung 200 der in 5 gezeigten gleicht.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann für eine Lichterfassungsvorrichtung verwendet werden.

Claims

Lichterfassungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Bestimmungsschaltung für das Empfangen eines Analogsignals in Übereinstimmung mit Ladungen, die von einer Lichterfassungseinrichtung ausgegeben werden, und für das Bestimmen der Größe des Analogsignals, eine Integrierschaltung, bei der eine Gruppe von Kondensatoren, die mit der rückwärtigen Stufe der Lichterfassungseinrichtung verbunden sind, zwischen den Eingangs-/Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers parallel geschaltet ist, und eine Kapazitätseinstellschaltung für das Einstellen einer kombinierten Kapazität für die zwischen den Eingangs-/Ausgangsanschluss geschaltete Gruppe von Kondensatoren vor Beginn der Akkumulation von Ladungen in der Gruppe von Kondensatoren entsprechend dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung, so dass für eine Ausgangsspannung der Integrierschaltung ein Dynamikbereich eingestellt wird, wobei für die Ausgangsspannung eine A/D-Umwandlung durchgeführt wird.
Lichterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: eine A/D-Umwandlungsschaltung für das Umwandeln des Ausgangswertes aus der Integrierschaltung in ein Digitalsignal.
Lichterfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, die ferner Folgendes umfasst: eine Verschiebeschaltung für das Empfangen eines von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegebenen Digitalsignals und für das Verschieben von Bits des Digitalsignals entsprechend dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung zum Ausgeben des entstehenden Signals.
Lichterfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die kombinierte Kapazität auf eine erste oder eine zweite Kapazität eingestellt werden kann und die erste Kapazität das 2ⁿ-fache (n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 1) der zweiten Kapazität beträgt und bei der die A/D-Umwandlungsschaltung ein Digitalsignal mit n oder mehr Bits ausgibt.
Lichterfassungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Bestimmungsschaltung für das Empfangen eines Analogsignals in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert aus einer Lichterfassungseinrichtung und für das Bestimmen der Größe des Analogsignals und ein A/D-Umwandlungsmittel für das Umwandeln des Analogsignals in ein Digitalsignal entsprechend einer Auflösung in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung, wobei das A/D-Umwandlungsmittel Folgendes umfasst: eine Integrierschaltung, die mit der rückwärtigen Stufe der Lichterfassungseinrichtung verbunden ist, und eine A/D-Umwandlungsschaltung mit einem Hauptkondensator für das Integrieren von Ladungen proportional zum Ausgangswert aus der Integrierschaltung, mehreren Teilkondensatoren für das Integrieren der Ladungen, die vom Hauptkondensator, in dem sie integriert worden sind, transferiert werden, und einer Kapazitätssteuerung für das Steuern des Transfers der Ladungen zu den mehreren Teilkondensatoren und für das Ausgeben des Steuerwertes als Digitalsignal und wobei die Menge der Ladungen, die in jedem Teilkondensator akkumuliert werden kann, entsprechend dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung eingestellt wird.
Lichterfassungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der eine Spannung, die an beide Enden jedes Teilkondensators angelegt wird, in Abhängigkeit vom Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung bestimmt und die Menge der Ladungen, die in jedem Teilkondensator akkumuliert werden kann, eingestellt wird.
Lichterfassungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Bestimmungsschaltung für das Empfangen eines Analogsignals in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert aus einer Lichterfassungseinrichtung und für das Bestimmen der Größe des Analogsignals und ein A/D-Umwandlungsmittel für das Umwandeln des Analogsignals in ein Digitalsignal entsprechend einer Auflösung in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung, wobei das A/D-Umwandlungsmittel Folgendes umfasst: eine Integrierschaltung, die mit der rückwärtigen Stufe der Lichterfassungseinrichtung verbunden ist, and eine A/D-Umwandlungsschaltung mit einem Hauptkondensator für das Integrieren von Ladungen proportional zum Ausgangswert aus der Integrierschaltung, mehreren Teilkondensatoren für das Integrieren der Ladungen, die vom Hauptkondensator, in dem sie integriert worden sind, transferiert werden, und einer Kapazitätssteuerung für das Steuern des Transfers der Ladungen zu den mehreren Teilkondensatoren und für das Ausgeben des Steuerwertes als Digitalsignal, wobei unter den mehreren Teilkondensatoren entsprechend dem Ausgangswert aus der Bestimmungsschaltung eine Gruppe von Teilkondensatoren mit einer spezifischen Gruppe von Kapazitäten ausgewählt wird und wobei unter der Steuerung der Kapazitätssteuerung Ladungen von dem Hauptkondensator zu der ausgewählten Gruppe von Teilkondensatoren transferiert werden.