JP2001108521A

JP2001108521A - 光検出装置

Info

Publication number: JP2001108521A
Application number: JP28690899A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Mizuno; 誠一郎水野
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-04-20

Abstract

(57)【要約】【課題】背景光強度が時間的に揺らぐ場合であっても
精度よく信号光強度のみを検出することができる光検出
装置を提供する。【解決手段】第１の期間に、フォトダイオードＰＤが
背景光を受光して出力した電流信号はスイッチ素子ＳＷ
₀₂を経て背景光成分積分回路４０に入力し、その電流信
号に応じた電荷が背景光成分積分回路４０の容量素子Ｃ
₄に蓄積される。第２の期間に、フォトダイオードＰＤ
が信号光および背景光を受光して出力した電流信号は、
スイッチ素子ＳＷ₀₁を経た後、背景光成分積分回路４０
から出力されている電圧信号Ｖ４と抵抗素子Ｒの抵抗値
とに応じた分だけ差し引かれ、その差し引かれた結果の
電流信号が信号光成分積分回路１０に入力し、その電流
信号に応じた電荷が信号光成分積分回路１０の容量素子
Ｃ₁に蓄積されていく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、第１の期間に背景
光を受光し、第２の期間に信号光および背景光の双方を
受光して、信号光の強度に応じた電気信号を出力する光
検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光検出装置は、受光した光の光量に応じ
た電流信号を出力する受光素子を含み、この受光素子か
ら出力される電流信号に基づいて光を検出する装置であ
って、例えばカメラに組み込まれる測距装置に用いられ
ている。この測距装置における光検出装置では、複数の
受光素子が配列されており、発光ダイオード等の投光手
段から被写体に向けて投光されたスポット光の反射光を
複数の受光素子の何れかにより受光し、各受光素子から
出力された電流信号に基づいて測距が行われる。このと
き、スポット光の反射光（信号光）を受光する際には背
景光も重畳されて受光されることから、信号光が投光さ
れていないときに光検出装置により背景光のみを受光し
て、両者の差分をとることで信号光のみの信号を得て、
測距精度の向上を図っている。

【０００３】このような光検出装置は、例えば特開平６
−２７６４４３号公報に開示されている。この光検出装
置では受光素子の後段に積分回路が設けられており、こ
の積分回路は、受光素子から出力される電流信号を入力
し、この電流信号に応じて電荷を蓄積して電圧信号を出
力する。また、この光検出装置では背景光除去回路が設
けられている。この背景光除去回路は、受光素子が背景
光のみを受光したときに受光素子から出力された電流信
号を記憶しておく。そして、受光素子が信号光および背
景光の双方を受光したときに、背景光除去回路は、受光
素子から出力された電流信号のうち背景光強度に応じた
電流信号を差し引いて、その差し引かれた結果である信
号光のみに応じた電流信号を積分回路へ入力させる。こ
のようにして、この光検出装置の積分回路からは、信号
光強度のみに応じた電圧信号が出力される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の光検出装置では、背景光成分を除去しても、信号
光の検出精度が充分でない場合がある。すなわち、背景
光強度が時間的に揺らいでいる場合には、背景光のみを
受光しているときの背景光強度と、信号光および背景光
の双方を受光しているときの背景光強度とは異なること
がある。このような場合、信号光強度の検出の精度が悪
い。なお、このように背景光強度が時間的に揺らぐ現象
は、光検出装置が屋外で用いられる場合等に度々発生す
る。

【０００５】本発明は、上記問題点を解消する為になさ
れたものであり、背景光強度が時間的に揺らぐ場合であ
っても精度よく信号光強度のみを検出することができる
光検出装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光検出装置
は、第１の期間に背景光を受光し、第２の期間に信号光
および背景光の双方を受光して、信号光の強度に応じた
電気信号を出力する光検出装置であって、(1) 受光した
光の光量に応じた電流信号を出力する受光素子と、(2)
第１の容量素子を有し、第１の期間に背景光を受光した
受光素子から出力された電流信号に応じた電荷を第１の
容量素子に蓄積し、第１の容量素子に蓄積されている電
荷の量に応じた電圧信号を出力する背景光成分積分回路
と、(2)第２の容量素子を有し、第２の期間に信号光お
よび背景光の双方を受光した受光素子から出力された電
流信号に応じた電荷から、背景光成分積分回路から出力
された電圧信号に応じた電荷を差し引いたものを第２の
容量素子に蓄積し、第２の容量素子に蓄積されている電
荷の量に応じた電圧信号を出力する信号光成分積分回路
と、を備えることを特徴とする。

【０００７】この光検出装置によれば、受光素子が背景
光を受光する第１の期間では、受光素子から出力された
電流信号に応じた電荷が、背景光成分積分回路の第１の
容量素子に蓄積される。そして、背景光成分積分回路か
らは、この第１の容量素子に蓄積されている電荷の量に
応じた電圧信号が出力される。この背景光成分積分回路
から出力される電圧信号は、第１の期間に亘る背景光強
度の平均値に応じたものである。受光素子が信号光およ
び背景光を受光する第２の期間では、受光素子から出力
された電流信号に応じた電荷から、背景光成分積分回路
から出力された電圧信号に応じた電荷を差し引いたもの
が、信号光成分積分回路の第２の容量素子に蓄積され
る。そして、信号光成分積分回路からは、この第２の容
量素子に蓄積されている電荷の量に応じた電圧信号が出
力される。この信号光成分積分回路から出力される電圧
信号は信号光強度に応じたものである。このように、第
１の期間に亘る背景光強度の平均値を背景光成分積分回
路により求め、第２の期間においてこの背景光強度の平
均値を差し引くので、背景光強度が時間的に揺らぐ場合
であっても、精度よく信号光強度のみを検出することが
できる。

【０００８】また、本発明に係る光検出装置は、背景光
成分積分回路の出力端と信号光成分積分回路の入力端と
の間に抵抗素子が設けられていることを特徴とする。こ
の場合には、受光素子から出力された電流信号は、背景
光成分積分回路から出力される電圧信号が抵抗素子によ
り変換されて得られた電流信号だけ差し引かれ、この差
し引かれた結果の電流信号が信号光成分積分回路に入力
し、その電流信号に応じた電荷が信号光成分積分回路の
第２の容量素子に蓄積されていく。

【０００９】また、本発明に係る光検出装置は、背景光
成分積分回路の入力側に設けられ、背景光成分積分回路
の第１の容量素子に蓄積させるべき電荷の量を一定比で
圧縮し、この圧縮された電荷を背景光成分積分回路の第
１の容量素子へ蓄積させる電荷圧縮回路を更に備えるこ
とを特徴とする。この場合には、背景光成分積分回路の
第１の容量素子に蓄積させるべき電荷の量が電荷圧縮回
路により一定比で圧縮されて、この圧縮された電荷が背
景光成分積分回路の第１の容量素子へ蓄積される。した
がって、背景光成分積分回路から出力される電圧信号
は、より長期間に亘る背景光強度の平均値に応じたもの
とすることができる。

【００１０】また、本発明に係る光検出装置は、背景光
成分積分回路から出力される電圧信号を入力して該電圧
信号に応じた量の電荷に変換し、この電荷を信号光成分
積分回路の第２の容量素子から放出させる電圧電荷変換
回路を更に備えることを特徴とする。この場合には、背
景光成分積分回路から出力される電圧信号は、電圧電荷
変換回路により、該電圧信号に応じた量の電荷に変換さ
れ、この電荷が信号光成分積分回路の第２の容量素子か
ら放出される。この電圧電荷変換回路は、抵抗素子を用
いることなく構成され得るので、集積化する上で好適で
ある。

【００１１】また、本発明に係る光検出装置は、受光素
子、背景光成分積分回路および信号光成分積分回路を複
数組備えることを特徴とする。この場合には、複数個の
受光素子が１次元状または２次元状に配列されていて、
各々について背景光成分が精度よく除去されるので、背
景光強度が時間的に揺らぐ場合だけでなく、背景光強度
が空間的に均一でない場合にも、各受光素子に到達した
信号光の強度を精度よく検出することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明にお
いて同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を
省略する。

【００１３】（第１の実施形態）先ず、本発明に係る光
検出装置の第１の実施形態について説明する。図１は、
第１の実施形態に係る光検出装置１の回路図である。本
実施形態に係る光検出装置１は、フォトダイオード（受
光素子）ＰＤ、信号光成分積分回路１０、ＣＤＳ（相関
二重サンプリング、Correlated Double Sampling）回路
２０、ホールド回路３０および背景光成分積分回路４０
を備える。

【００１４】フォトダイオードＰＤは、カソード端子が
基準電位Ｖ_ddに接続されており、アノード端子が、スイ
ッチ素子ＳＷ₀₁を介して信号光成分積分回路１０の入力
端に接続され、スイッチ素子ＳＷ₀₂を介して背景光成分
積分回路４０の入力端に接続されている。フォトダイオ
ードＰＤは、スイッチ素子ＳＷ₀₁が閉じスイッチ素子Ｓ
Ｗ₀₂が開いているときには、受光した光の光量に応じた
電流信号を信号光成分積分回路１０の入力端へ出力し、
スイッチ素子ＳＷ₀₁が開きスイッチ素子ＳＷ₀₂が閉じて
いるときには、受光した光の光量に応じた電流信号を背
景光成分積分回路４０の入力端へ出力する。

【００１５】信号光成分積分回路１０は、入力端と出力
端との間に互いに並列にアンプＡ₁、容量素子Ｃ₁および
スイッチ素子ＳＷ₁が接続されている。信号光成分積分
回路１０の入力端は、スイッチ素子ＳＷ₀₁を介してフォ
トダイオードＰＤのアノード端子と接続され、また、抵
抗素子Ｒを介して背景光成分積分回路４０の出力端と接
続されている。スイッチ素子ＳＷ₁が閉じているときに
は、信号光成分積分回路１０は、容量素子Ｃ₁を放電し
て初期化する。一方、スイッチ素子ＳＷ₁が開いている
ときには、信号光成分積分回路１０は、フォトダイオー
ドＰＤから入力端に入力した電流信号に応じた電荷を容
量素子Ｃ₁に蓄積する。また、信号光成分積分回路１０
は、背景光成分積分回路４０から出力される電圧信号に
応じた電荷を容量素子Ｃ₁から放出する。そして、信号
光成分積分回路１０は、その容量素子Ｃ₁に蓄積されて
いる電荷の量に応じた電圧信号を出力端から出力する。

【００１６】ＣＤＳ回路２０は、入力端から出力端まで
の間に順に容量素子Ｃ₂₁およびアンプＡ₂を有してい
る。また、アンプＡ₂の入出力間にスイッチ素子ＳＷ₂お
よび容量素子Ｃ₂₂が互いに並列的に接続されている。Ｃ
ＤＳ回路２０の入力端は、信号光成分積分回路１０の出
力端と接続されている。ＣＤＳ回路２０は、スイッチ素
子ＳＷ₂が閉じているときには、容量素子Ｃ₂₂を放電し
て初期化する。スイッチ素子ＳＷ₂が開いているときに
は、入力端から容量素子Ｃ₂₁を経て入力した電荷を容量
素子Ｃ₂₂に蓄積して、その蓄積された電荷に応じた電圧
信号を出力端から出力する。

【００１７】ホールド回路３０は、入力端から出力端ま
での間に順にスイッチ素子ＳＷ₃およびアンプＡ₃を有
し、スイッチ素子ＳＷ₃とアンプＡ₃との接続点が容量素
子Ｃ₃を介して接地されている。ホールド回路３０の入
力端は、ＣＤＳ回路２０の出力端に接続されている。ホ
ールド回路３０は、スイッチ素子ＳＷ₃が閉じていると
きにＣＤＳ回路２０から出力された電圧信号を容量素子
Ｃ₃に記憶し、スイッチ素子ＳＷ₃が開いた後も、容量素
子Ｃ₃の電圧信号を保持して、その電圧信号をアンプＡ₃
を介して出力する。

【００１８】背景光成分積分回路４０は、入力端と出力
端との間に互いに並列にアンプＡ₄、容量素子Ｃ₄および
スイッチ素子ＳＷ₄が接続されている。背景光成分積分
回路４０の入力端は、スイッチ素子ＳＷ₀₂を介してフォ
トダイオードＰＤのアノード端子と接続されている。ス
イッチ素子ＳＷ₄が閉じているときには、背景光成分積
分回路４０は、容量素子Ｃ₄を放電して初期化する。一
方、スイッチ素子ＳＷ₄が開いているときには、背景光
成分積分回路４０は、フォトダイオードＰＤから入力端
に入力した電流信号に応じた電荷を容量素子Ｃ₄に蓄積
する。そして、背景光成分積分回路４０は、その容量素
子Ｃ₄に蓄積されている電荷の量に応じた電圧信号を出
力端から出力する。

【００１９】この光検出装置１は、背景光が連続的にフ
ォトダイオードＰＤに到達する一方で、信号光が断続的
にフォトダイオードＰＤに到達する場合に用いられるも
のである。ただし、背景光強度は時間的に一定でなくて
もよく揺らいでいてもよい。光検出装置１のスイッチ素
子ＳＷ₀₁，ＳＷ₀₂，ＳＷ₁，ＳＷ₂，ＳＷ₃およびＳＷ₄そ
れぞれは、この光検出装置１の動作を制御するタイミン
グ制御回路（図示せず）から出力される制御信号に基づ
いて開閉する。また、このタイミング制御回路は、フォ
トダイオードＰＤへの信号光の到達／非到達をも制御す
る。

【００２０】図２は、第１の実施形態に係る光検出装置
１の動作を説明するタイミングチャートである。はじめ
に時刻ｔ１に、背景光成分積分回路４０のスイッチ素子
ＳＷ ₄が閉じて容量素子Ｃ₄が放電されて初期化され、信
号光成分積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁が閉じて容
量素子Ｃ₁が放電されて初期化され、また、ＣＤＳ回路
２０のスイッチ素子ＳＷ₂が閉じて容量素子Ｃ₂が放電さ
れて初期化される。

【００２１】時刻ｔ２〜ｔ３の第１の期間では、フォト
ダイオードＰＤは背景光のみを受光している。この第１
の期間では、スイッチ素子ＳＷ₀₁は開いたままである。
時刻ｔ２に、スイッチ素子ＳＷ₀₂が閉じ、背景光成分積
分回路４０のスイッチ素子ＳＷ₄が開く。そして、時刻
ｔ３にスイッチ素子ＳＷ₀₂が開く。

【００２２】この第１の期間に、フォトダイオードＰＤ
が背景光を受光して出力した電流信号はスイッチ素子Ｓ
Ｗ₀₂を経て背景光成分積分回路４０に入力し、その電流
信号に応じた電荷が背景光成分積分回路４０の容量素子
Ｃ₄に蓄積されていく。時刻ｔ３以降に背景光成分積分
回路４０から出力される電圧信号Ｖ４は、フォトダイオ
ードＰＤから出力された電流信号が時刻ｔ２〜ｔ３の期
間に亘って積分された結果を表す。

【００２３】時刻ｔ４〜ｔ６の第２の期間では、フォト
ダイオードＰＤは信号光および背景光の双方を受光して
いる。この第２の期間では、スイッチ素子ＳＷ₀₂は開い
たままである。時刻ｔ４に、スイッチ素子ＳＷ₀₁が閉
じ、信号光成分積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁が開
く。時刻ｔ５にＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂が
開く。そして、時刻ｔ６にスイッチ素子ＳＷ₀₁が開く。

【００２４】この第２の期間に、フォトダイオードＰＤ
が信号光および背景光を受光して出力した電流信号は、
スイッチ素子ＳＷ₀₁を経た後、背景光成分積分回路４０
から出力されている電圧信号Ｖ４と抵抗素子Ｒの抵抗値
とに応じた分だけ差し引かれ、その差し引かれた結果の
電流信号が信号光成分積分回路１０に入力し、その電流
信号に応じた電荷が信号光成分積分回路１０の容量素子
Ｃ₁に蓄積されていく。このようにして、信号光強度に
応じた電荷が信号光成分積分回路１０の容量素子Ｃ₁に
蓄積され、信号光強度に応じた電圧信号Ｖ１が信号光成
分積分回路１０から出力される。また、この第２の期間
のうちの時刻ｔ５〜ｔ６の期間に信号光成分積分回路１
０から出力された電圧信号Ｖ１の変化分が、ＣＤＳ回路
２０から電圧信号Ｖ２として出力される。

【００２５】なお、第１の期間の時間（＝ｔ３−ｔ
２）、背景光成分積分回路４０の容量素子Ｃ₄の容量
値、および、抵抗素子Ｒの抵抗値それぞれは、この第２
の期間にフォトダイオードＰＤから抵抗素子Ｒへ流れる
電流が背景光強度の平均値に応じたものとなるように設
定される。

【００２６】その後、ホールド回路３０のスイッチ素子
ＳＷ₃は、時刻ｔ７に閉じ、時刻ｔ８に開く。時刻ｔ７
にスイッチ素子ＳＷ₃が閉じると、ＣＤＳ回路２０から
出力されている電圧信号Ｖ２は、スイッチ素子ＳＷ₃を
経て、容量素子Ｃ₃に保持される。時刻ｔ８にスイッチ
素子ＳＷ₃が開いた後も、容量素子Ｃ₃に保持された電圧
信号は、アンプＡ₃から電圧信号Ｖ３として出力され
る。

【００２７】以上のように本実施形態に係る光検出装置
１では、背景光を受光する第１の期間（時刻ｔ２〜ｔ３
の期間）を充分長く（例えば第２の期間の数倍〜数十
倍）することができ、この期間に亘って平均化された背
景光強度に応じた電荷を背景光成分積分回路４０の容量
素子Ｃ₄に蓄積することができる。そして、信号光およ
び背景光を受光する第２の期間において、フォトダイオ
ードＰＤから出力される電流信号から、背景光成分積分
回路４０に蓄積されている第１の期間に亘る背景光強度
の平均値を除去して、信号光強度に応じた電荷を信号光
成分積分回路１０の容量素子Ｃ₁に蓄積する。したがっ
て、背景光強度が時間的に揺らぐ場合であっても、精度
よく信号光強度のみを検出することができる。また、第
２の期間（時刻ｔ４〜ｔ６の期間、特に時刻ｔ５〜ｔ６
の期間）を充分長くとることで、この第２の期間に亘っ
て背景光強度が平均化されるので、このことによって
も、背景光強度が時間的に揺らぐ場合であっても、精度
よく信号光強度のみを検出することができる。

【００２８】さらに、本実施形態では、信号光成分積分
回路１０の後段にＣＤＳ回路２０を設けたことにより、
信号光成分積分回路１０が各積分動作毎に異なるノイズ
ばらつきを有していても、ＣＤＳ回路２０によりノイズ
誤差が解消される。また、ホールド回路３０を設けたこ
とにより、或る回の積分動作で得られた信号光強度に応
じた電圧信号Ｖ３を、次回の積分動作が終了するまで保
持し出力することができる。

【００２９】（第２の実施形態）次に、本発明に係る光
検出装置の第２の実施形態について説明する。図３は、
第２の実施形態に係る光検出装置２の回路図である。本
実施形態に係る光検出装置２は、フォトダイオードＰ
Ｄ、信号光成分積分回路１０、ＣＤＳ回路２０、ホール
ド回路３０、背景光成分積分回路４０および電荷圧縮回
路５０を備える。これらのうち、信号光成分積分回路１
０、ＣＤＳ回路２０、ホールド回路３０および背景光成
分積分回路４０それぞれの回路構成は、第１の実施形態
の場合と同様である。

【００３０】本実施形態では、フォトダイオードＰＤの
アノード端子は、背景光成分積分回路４０の入力端に接
続されておらず、スイッチ素子ＳＷ₀₁を介して信号光成
分積分回路１０の入力端に接続されている。背景光成分
積分回路４０の出力端と信号光成分積分回路１０の入力
端との間に抵抗素子Ｒおよびスイッチ素子ＳＷ₀₂が直列
的に設けられている。また、信号光成分積分回路１０の
出力端と背景光成分積分回路４０の入力端との間に電荷
圧縮回路５０が設けられている。

【００３１】電荷圧縮回路５０は、入力端から出力端ま
での間に順にスイッチ素子ＳＷ₅₁、容量素子Ｃ₅および
スイッチ素子ＳＷ₅₂を有し、スイッチ素子ＳＷ₅₁と容量
素子Ｃ₅との接続点がスイッチ素子ＳＷ₅₃を介して基準
電位Ｖ_refに接続され、容量素子Ｃ₅とスイッチ素子ＳＷ
₅₂との接続点がスイッチ素子ＳＷ₅₄を介して基準電位Ｖ
_refに接続されている。スイッチ素子ＳＷ₅₁とスイッチ
素子ＳＷ₅₄とは互いに同時に開閉する。また、スイッチ
素子ＳＷ₅₂とスイッチ素子ＳＷ₅₃とは互いに同時に開閉
する。この電荷圧縮回路５０は、４つのスイッチ素子Ｓ
Ｗ₅₁〜ＳＷ₅₄それぞれが所定のタイミングで開閉するこ
とにより、信号光成分積分回路１０の出力端に出力され
た電圧信号Ｖ１を電荷に変換して、この電荷を背景光成
分積分回路４０の容量素子Ｃ₄に蓄積させる。

【００３２】この光検出装置２も、第１の実施形態の場
合と同様に、背景光が連続的にフォトダイオードＰＤに
到達する一方で、信号光が断続的にフォトダイオードＰ
Ｄに到達する場合に用いられるものである。ただし、背
景光強度は時間的に一定でなくてもよく揺らいでいても
よい。光検出装置２のスイッチ素子ＳＷ₀₁，ＳＷ₀₂，Ｓ
Ｗ₁，ＳＷ₂，ＳＷ₃，ＳＷ₄およびＳＷ₅₁〜ＳＷ₅₄それぞ
れは、この光検出装置２の動作を制御するタイミング制
御回路（図示せず）から出力される制御信号に基づいて
開閉する。また、このタイミング制御回路は、フォトダ
イオードＰＤへの信号光の到達／非到達をも制御する。

【００３３】図４は、第２の実施形態に係る光検出装置
２の動作を説明するタイミングチャートである。はじめ
に時刻ｔ１に、背景光成分積分回路４０のスイッチ素子
ＳＷ ₄が閉じて容量素子Ｃ₄が放電されて初期化され、信
号光成分積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁が閉じて容
量素子Ｃ₁が放電されて初期化され、また、ＣＤＳ回路
２０のスイッチ素子ＳＷ₂が閉じて容量素子Ｃ₂が放電さ
れて初期化される。

【００３４】時刻ｔ２〜ｔ１０の第１の期間では、フォ
トダイオードＰＤは背景光のみを受光している。この第
１の期間では、スイッチ素子ＳＷ₀₁は閉じており、スイ
ッチ素子ＳＷ₀₂は開いたままであり、また、背景光成分
積分回路４０のスイッチ素子ＳＷ₄は開いたままであ
る。

【００３５】時刻ｔ２に、信号光成分積分回路１０のス
イッチ素子ＳＷ₁が開き、時刻ｔ２後であって時刻ｔ３
前に、電荷圧縮回路５０のスイッチ素子ＳＷ₅₁およびＳ
Ｗ₅₄が閉じ、時刻ｔ３に、電荷圧縮回路５０のスイッチ
素子ＳＷ₅₁およびＳＷ₅₄が開くと同時にスイッチ素子Ｓ
Ｗ₅₂およびＳＷ₅₃が閉じ、時刻ｔ３後に、電荷圧縮回路
５０のスイッチ素子ＳＷ₅₂およびＳＷ₅₃が開く。そし
て、時刻ｔ４に、信号光成分積分回路１０のスイッチ素
子ＳＷ₁が閉じる。この時刻ｔ２〜ｔ４の期間に、フォ
トダイオードＰＤが背景光を受光して出力した電流信号
は、信号光成分積分回路１０に入力し、容量素子Ｃ₁に
電荷が蓄積されていく。そして、途中の時刻ｔ３におけ
る電荷圧縮回路５０のスイッチ素子ＳＷ₅₁〜ＳＷ₅₄の開
閉動作により、この時点で信号光成分積分回路１０から
出力されていた電圧信号Ｖ１は電荷圧縮回路５０により
電荷に変換されて、この電荷が背景光成分積分回路４０
の容量素子Ｃ₄に蓄積される。このとき背景光成分積分
回路４０に蓄積される電荷量は、フォトダイオードＰＤ
から出力された電流信号が時刻ｔ２〜ｔ３の期間に亘っ
て積分された結果を表す。

【００３６】以上説明した時刻ｔ２〜ｔ４の期間におけ
る積分動作と同様の積分動作が、時刻ｔ５〜ｔ７の期間
および時刻ｔ８〜ｔ１０の期間それぞれで繰り返され
る。図４では積分動作の繰り返し回数（積分回数Ｎ）は
３であるが更に多くてもよい。

【００３７】時刻ｔ１１〜ｔ１３の第２の期間では、フ
ォトダイオードＰＤは信号光および背景光の双方を受光
している。この第２の期間では、スイッチ素子ＳＷ₀₁お
よびＳＷ₀₂は閉じたままである。時刻ｔ１１に信号光成
分積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁が開く。時刻ｔ１
２にＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂が開く。そし
て、時刻ｔ１３に、スイッチ素子ＳＷ₀₁が開き、信号光
成分積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁が閉じる。

【００３８】この第２の期間に、フォトダイオードＰＤ
が信号光および背景光を受光して出力した電流信号は、
背景光成分積分回路４０から出力されている電圧信号Ｖ
４と抵抗素子Ｒの抵抗値とに応じた分だけ差し引かれ、
その差し引かれた結果の電流信号が信号光成分積分回路
１０に入力し、容量素子Ｃ₁に電荷が蓄積されていく。
このようにして、信号光強度に応じた電荷が信号光成分
積分回路１０の容量素子Ｃ₁に蓄積され、信号光強度に
応じた電圧信号Ｖ１が信号光成分積分回路１０から出力
される。また、この第２の期間のうちの時刻ｔ１２〜ｔ
１３の期間に信号光成分積分回路１０から出力された電
圧信号Ｖ１の変化分が、ＣＤＳ回路２０から電圧信号Ｖ
２として出力される。

【００３９】なお、第１の期間における各積分時間（＝
ｔ３−ｔ２）、積分回数Ｎ、信号光成分積分回路１０の
容量素子Ｃ₁の容量値、背景光成分積分回路４０の容量
素子Ｃ₄の容量値、電荷圧縮回路５０の容量素子Ｃ₅の容
量値、および、抵抗素子Ｒの抵抗値それぞれは、この第
２の期間にフォトダイオードＰＤから抵抗素子Ｒへ流れ
る電流が背景光強度の平均値に応じたものとなるように
設定される。

【００４０】その後、ホールド回路３０のスイッチ素子
ＳＷ₃は、時刻ｔ１４に閉じ、時刻ｔ１５に開く。時刻
ｔ１４にスイッチ素子ＳＷ₃が閉じると、ＣＤＳ回路２
０から出力されている電圧信号Ｖ２は、スイッチ素子Ｓ
Ｗ₃を経て、容量素子Ｃ₃に保持される。時刻ｔ１５にス
イッチ素子ＳＷ₃が開いた後も、容量素子Ｃ₃に保持され
た電圧信号は、アンプＡ₃から電圧信号Ｖ３として出力
される。

【００４１】本実施形態に係る光検出装置２も、第１の
実施形態の場合と同様の効果を奏する。これに加えて本
実施形態では、信号光成分積分回路１０の出力端と背景
光成分積分回路４０の入力端との間に電荷圧縮回路５０
を設け、この電荷圧縮回路５０により、第１の期間の各
積分動作毎に信号光成分積分回路１０の容量素子Ｃ₁に
蓄積された電荷を圧縮して、この圧縮された電荷を背景
光成分積分回路４０の容量素子Ｃ₄に逐次蓄積するの
で、より長時間に亘る背景光強度の平均値を背景光成分
積分回路４０の容量素子Ｃ₄に記憶することができ、或
いは、抵抗素子Ｒの抵抗値を小さくすることができる。

【００４２】（第３の実施形態）次に、本発明に係る光
検出装置の第３の実施形態について説明する。図５は、
第３の実施形態に係る光検出装置３の回路図である。本
実施形態に係る光検出装置３は、フォトダイオードＰ
Ｄ、信号光成分積分回路１０、ＣＤＳ回路２０、ホール
ド回路３０、背景光成分積分回路４０、電荷圧縮回路５
０および電圧電荷変換回路６０を備える。これらのう
ち、信号光成分積分回路１０、ＣＤＳ回路２０、ホール
ド回路３０、背景光成分積分回路４０および電荷圧縮回
路５０それぞれの回路構成は、第２の実施形態の場合と
同様である。本実施形態では、背景光成分積分回路４０
の出力端と信号光成分積分回路１０の入力端との間に、
抵抗素子Ｒおよびスイッチ素子ＳＷ₀₂に替えて、電圧電
荷変換回路６０が設けられている。

【００４３】電圧電荷変換回路６０は、入力端から出力
端までの間に順にスイッチ素子ＳＷ ₆₁、容量素子Ｃ₆お
よびスイッチ素子ＳＷ₆₂を有し、スイッチ素子ＳＷ₆₁と
容量素子Ｃ₆との接続点がスイッチ素子ＳＷ₆₃を介して
基準電位Ｖ_refに接続され、容量素子Ｃ₆とスイッチ素子
ＳＷ₆₂との接続点がスイッチ素子ＳＷ₆₄を介して基準電
位Ｖ_refに接続されている。スイッチ素子ＳＷ₆₁とスイ
ッチ素子ＳＷ₆₂とは互いに同時に開閉する。また、スイ
ッチ素子ＳＷ₆₃とスイッチ素子ＳＷ₆₄とは互いに同時に
開閉する。この電圧電荷変換回路６０は、４つのスイッ
チ素子ＳＷ₆₁〜ＳＷ₆₄それぞれが所定のタイミングで開
閉することにより、背景光成分積分回路４０の出力端に
出力された電圧信号Ｖ４を電荷に変換して、この電荷を
信号光成分積分回路１０の容量素子Ｃ₁から放出させ
る。

【００４４】この光検出装置３も、第１の実施形態の場
合と同様に、背景光が連続的にフォトダイオードＰＤに
到達する一方で、信号光が断続的にフォトダイオードＰ
Ｄに到達する場合に用いられるものである。ただし、背
景光強度は時間的に一定でなくてもよく揺らいでいても
よい。光検出装置３のスイッチ素子ＳＷ₀₁，ＳＷ₁，Ｓ
Ｗ₂，ＳＷ₃，ＳＷ₄，ＳＷ₅₁〜ＳＷ₅₄およびＳＷ₆₁〜Ｓ
Ｗ₆₄それぞれは、この光検出装置３の動作を制御するタ
イミング制御回路（図示せず）から出力される制御信号
に基づいて開閉する。また、このタイミング制御回路
は、フォトダイオードＰＤへの信号光の到達／非到達を
も制御する。

【００４５】図６は、第３の実施形態に係る光検出装置
３の動作を説明するタイミングチャートである。本実施
形態では、フォトダイオードＰＤが背景光のみを受光し
ている第１の期間の動作は、第２の実施形態の場合にお
ける時刻ｔ１０までの動作（図４参照）と同様である。

【００４６】第１の期間の後の時刻ｔ１１〜ｔ１４の第
２の期間では、フォトダイオードＰＤは信号光および背
景光の双方を受光している。この第２の期間では、スイ
ッチ素子ＳＷ₀₁は閉じたままであり、電荷圧縮回路５０
のスイッチ素子ＳＷ₅₁〜ＳＷ ₅₄は開いたままであり。背
景光成分積分回路４０のスイッチ素子ＳＷ₄は開いたま
まである。時刻ｔ１１に、信号光成分積分回路１０のス
イッチ素子ＳＷ₁が開き、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素
子ＳＷ₂が開く。

【００４７】時刻ｔ１１から一定時間毎の時刻ｔ１２、
ｔ１３およびｔ１４それぞれにおいて、電圧電荷変換回
路６０の各スイッチ素子ＳＷ₆₁〜ＳＷ₆₄は以下のように
動作する。各々の時刻前に、スイッチ素子ＳＷ₆₁および
ＳＷ₆₂が開き、続いて、スイッチ素子ＳＷ₆₃およびＳＷ
₆₄が閉じた後に直ちに開き、そして、各々の時刻に、ス
イッチ素子ＳＷ₆₁およびＳＷ₆₂が閉じる。

【００４８】この第２の期間では、フォトダイオードＰ
Ｄが信号光および背景光を受光して出力した電流信号
は、信号光成分積分回路１０に入力して、その電流信号
に応じた電荷が信号光成分積分回路１０の容量素子Ｃ₁
に蓄積されている。その一方で、これら各時刻ｔ１２、
ｔ１３およびｔ１４それぞれにおいて、背景光成分積分
回路４０から出力されている電圧信号Ｖ４は、電圧電荷
変換回路６０により電荷に変換され、この電荷が信号光
成分積分回路１０の容量素子Ｃ₁から放出される。図６
では積分動作の繰り返し回数は３であるが更に多くても
よい。

【００４９】このようにして、信号光強度に応じた電荷
が信号光成分積分回路１０の容量素子Ｃ₁に蓄積され、
信号光強度に応じた電圧信号Ｖ１が信号光成分積分回路
１０から出力される。また、この第２の期間の時刻ｔ１
１〜ｔ１４の期間に信号光成分積分回路１０から出力さ
れた電圧信号Ｖ１の変化分が、ＣＤＳ回路２０から電圧
信号Ｖ２として出力される。

【００５０】なお、第１の期間における各積分時間（＝
ｔ３−ｔ２）、積分回数Ｎ、信号光成分積分回路１０の
容量素子Ｃ₁の容量値、背景光成分積分回路４０の容量
素子Ｃ₄の容量値、電荷圧縮回路５０の容量素子Ｃ₅の容
量値、および、電圧電荷変換回路６０の容量素子Ｃ₆の
容量値、それぞれは、各時刻ｔ１２、ｔ１３およびｔ１
４それぞれにおいて信号光成分積分回路１０の容量素子
Ｃ₁から放出される電荷の量が背景光強度の平均値に応
じたものとなるように設定される。

【００５１】その後、ホールド回路３０のスイッチ素子
ＳＷ₃は、時刻ｔ１５に閉じ、時刻ｔ１６に開く。時刻
ｔ１５にスイッチ素子ＳＷ₃が閉じると、ＣＤＳ回路２
０から出力されている電圧信号Ｖ２は、スイッチ素子Ｓ
Ｗ₃を経て、容量素子Ｃ₃に保持される。時刻ｔ１６にス
イッチ素子ＳＷ₃が開いた後も、容量素子Ｃ₃に保持され
た電圧信号は、アンプＡ₃から電圧信号Ｖ３として出力
される。

【００５２】本実施形態に係る光検出装置３も、第２の
実施形態の場合と同様の効果を奏する。これに加えて本
実施形態では、容量素子Ｃ₆およびスイッチ素子ＳＷ₆₁
〜ＳＷ₆₄からなる電圧電荷変換回路６０を設けて、抵抗
素子を有していないので、集積化する上で好適である。

【００５３】（第４の実施形態）次に、本発明に係る光
検出装置の第４の実施形態について説明する。図７は、
第４の実施形態に係る光検出装置４の概略回路図であ
る。本実施形態に係る光検出装置４は、Ｎ（Ｎ≧２）組
のユニット１００₁〜１００_N、シフトレジスタ２００お
よびＡ／Ｄ変換回路３００を備える。各ユニット１００
_n（ｎ＝１〜Ｎ）それぞれは、第３の実施形態に係る光
検出装置３およびスイッチ素子ＳＷ₉を含む。

【００５４】各ユニット１００_nのフォトダイオードＰ
Ｄは１次元状または２次元状に配列されている。各ユニ
ット１００_nのスイッチ素子ＳＷ₀₁は互いに同一タイミ
ングで動作する。各ユニット１００_nの信号光成分積分
回路１０も互いに同一タイミングで動作する。各ユニッ
ト１００_nのＣＤＳ回路２０も互いに同一タイミングで
動作する。各ユニット１００_nのホールド回路３０も互
いに同一タイミングで動作する。各ユニット１００_nの
背景光成分積分回路４０も互いに同一タイミングで動作
する。各ユニット１００_nの電荷圧縮回路５０も互いに
同一タイミングで動作する。また、各ユニット１００_n
の電圧電荷変換回路６０も互いに同一タイミングで動作
する。各ユニット１００_nのスイッチ素子ＳＷ₉は、シフ
トレジスタ２００から出力される制御信号により順次に
閉じられて、各ユニット１００_nのホールド回路３０に
保持されている電圧信号Ｖ３を順次に出力する。

【００５５】各ユニット１００_nの出力端とＡ／Ｄ変換
回路３００の入力端とが接続されている。Ａ／Ｄ変換回
路３００の入力端には、各ユニット１００_nのフォトダ
イオードＰＤが受光した信号光の強度に応じた電圧信号
Ｖ３が順次に到達し、Ａ／Ｄ変換回路３００の出力端か
らは、各ユニット１００_nの電圧信号Ｖ３から変換され
たデジタル信号が順次に出力される。

【００５６】本実施形態に係る光検出装置４は、第３の
実施形態の場合と同様の効果を奏する。これに加えて本
実施形態では、Ｎ個のフォトダイオードＰＤが１次元状
または２次元状に配列されていて、各ユニット１００_n
毎に背景光成分が精度よく除去されるので、背景光強度
が時間的に揺らぐ場合だけでなく、背景光強度が空間的
に均一でない場合にも、各フォトダイオードＰＤに到達
した信号光の強度を精度よく検出することができる。

【００５７】（変形例）本発明は、上記実施形態に限定
されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、
第２および第３の実施形態それぞれでは、背景光成分積
分回路４０の前段に信号光成分積分回路１０が存在する
構成であったが、背景光成分積分回路４０の前段に他の
積分回路を設けてもよい。後者の場合には、信号光成分
積分回路１０の出力端から背景光成分積分回路４０の入
力端への信号経路はない。しかし、回路規模の小型化の
点では、第２および第３の実施形態それぞれの如く構成
するのが好適である。また、第４の実施形態において、
各ユニット１００_nそれぞれは、第３の実施形態に係る
光検出装置３を含むものであったが、第１または第２の
実施形態に係る光検出装置を含むものであってもよい。

【００５８】

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり、本発明に
よれば、受光素子が背景光を受光する第１の期間では、
受光素子から出力された電流信号に応じた電荷が、背景
光成分積分回路の第１の容量素子に蓄積される。そし
て、背景光成分積分回路からは、この第１の容量素子に
蓄積されている電荷の量に応じた電圧信号が出力され
る。この背景光成分積分回路から出力される電圧信号
は、第１の期間に亘る背景光強度の平均値に応じたもの
である。受光素子が信号光および背景光を受光する第２
の期間では、受光素子から出力された電流信号に応じた
電荷から、背景光成分積分回路から出力された電圧信号
に応じた電荷を差し引いたものが、信号光成分積分回路
の第２の容量素子に蓄積される。そして、信号光成分積
分回路からは、この第２の容量素子に蓄積されている電
荷の量に応じた電圧信号が出力される。この信号光成分
積分回路から出力される電圧信号は信号光強度に応じた
ものである。このように、第１の期間に亘る背景光強度
の平均値を背景光成分積分回路により求め、第２の期間
においてこの背景光強度の平均値を差し引くので、背景
光強度が時間的に揺らぐ場合であっても、精度よく信号
光強度のみを検出することができる。

【００５９】背景光成分積分回路の出力端と信号光成分
積分回路の入力端との間に抵抗素子が設けられている場
合には、受光素子から出力された電流信号は、背景光成
分積分回路から出力される電圧信号が抵抗素子により変
換されて得られた電流信号だけ差し引かれ、この差し引
かれた結果の電流信号が信号光成分積分回路に入力し、
その電流信号に応じた電荷が信号光成分積分回路の第２
の容量素子に蓄積されていく。

【００６０】背景光成分積分回路の入力側に設けられ、
背景光成分積分回路の第１の容量素子に蓄積させるべき
電荷の量を一定比で圧縮し、この圧縮された電荷を背景
光成分積分回路の第１の容量素子へ蓄積させる電荷圧縮
回路を更に備える場合には、背景光成分積分回路の第１
の容量素子に蓄積させるべき電荷の量が電荷圧縮回路に
より一定比で圧縮されて、この圧縮された電荷が背景光
成分積分回路の第１の容量素子へ蓄積される。したがっ
て、背景光成分積分回路から出力される電圧信号は、よ
り長期間に亘る背景光強度の平均値に応じたものとする
ことができる。

【００６１】背景光成分積分回路から出力される電圧信
号を入力して該電圧信号に応じた量の電荷に変換し、こ
の電荷を信号光成分積分回路の第２の容量素子から放出
させる電圧電荷変換回路を更に備える場合には、背景光
成分積分回路から出力される電圧信号は、電圧電荷変換
回路により、該電圧信号に応じた量の電荷に変換され、
この電荷が信号光成分積分回路の第２の容量素子から放
出される。この電圧電荷変換回路は、抵抗素子を用いる
ことなく構成され得るので、集積化する上で好適であ
る。

【００６２】また、受光素子、背景光成分積分回路およ
び信号光成分積分回路を複数組備える場合には、複数個
の受光素子が１次元状または２次元状に配列されてい
て、各々について背景光成分が精度よく除去されるの
で、背景光強度が時間的に揺らぐ場合だけでなく、背景
光強度が空間的に均一でない場合にも、各受光素子に到
達した信号光の強度を精度よく検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る光検出装置の回路図であ
る。

【図２】第１の実施形態に係る光検出装置の動作を説明
するタイミングチャートである。

【図３】第２の実施形態に係る光検出装置の回路図であ
る。

【図４】第２の実施形態に係る光検出装置の動作を説明
するタイミングチャートである。

【図５】第３の実施形態に係る光検出装置の回路図であ
る。

【図６】第３の実施形態に係る光検出装置の動作を説明
するタイミングチャートである。

【図７】第４の実施形態に係る光検出装置の概略回路図
である。

【符号の説明】

１〜４…光検出装置、１０…信号光成分積分回路、２０
…ＣＤＳ回路、３０…ホールド回路、４０…背景光成分
積分回路、５０…電荷圧縮回路、６０…電圧電荷変換回
路、１００…ユニット、２００…シフトレジスタ、３０
０…Ａ／Ｄ変換回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の期間に背景光を受光し、第２の期
間に信号光および前記背景光の双方を受光して、前記信
号光の強度に応じた電気信号を出力する光検出装置であ
って、受光した光の光量に応じた電流信号を出力する受光素子
と、第１の容量素子を有し、前記第１の期間に前記背景光を
受光した前記受光素子から出力された電流信号に応じた
電荷を前記第１の容量素子に蓄積し、前記第１の容量素
子に蓄積されている電荷の量に応じた電圧信号を出力す
る背景光成分積分回路と、第２の容量素子を有し、前記第２の期間に前記信号光お
よび前記背景光の双方を受光した前記受光素子から出力
された電流信号に応じた電荷から、前記背景光成分積分
回路から出力された電圧信号に応じた電荷を差し引いた
ものを前記第２の容量素子に蓄積し、前記第２の容量素
子に蓄積されている電荷の量に応じた電圧信号を出力す
る信号光成分積分回路と、を備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】前記背景光成分積分回路の出力端と前記
信号光成分積分回路の入力端との間に抵抗素子が設けら
れていることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
【請求項３】前記背景光成分積分回路の入力側に設け
られ、前記背景光成分積分回路の前記第１の容量素子に
蓄積させるべき電荷の量を一定比で圧縮し、この圧縮さ
れた電荷を前記背景光成分積分回路の前記第１の容量素
子へ蓄積させる電荷圧縮回路を更に備えることを特徴と
する請求項１記載の光検出装置。
【請求項４】前記背景光成分積分回路から出力される
電圧信号を入力して該電圧信号に応じた量の電荷に変換
し、この電荷を前記信号光成分積分回路の前記第２の容
量素子から放出させる電圧電荷変換回路を更に備えるこ
とを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
【請求項５】前記受光素子、前記背景光成分積分回路
および前記信号光成分積分回路を複数組備えることを特
徴とする請求項１記載の光検出装置。