JP2003130611A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な構成で背景光成分を除去して正確な測
定を行うことができる光検出装置を提供する。 【解決手段】 光検出装置は投光部および検出部２を備
える。検出部２はＮ個のユニット１００₁〜１００_Nおよ
びデジタル演算回路４０を備える。各ユニット１００_n
は、互いに同様の構成であって、Ｍ個の光検出セル１０
_1,n〜１０_M,n、積分回路２０_n、Ａ／Ｄ変換回路３０_n、
スイッチＳＷ_n01、スイッチＳＷ_n02およびスイッチＳＷ
_n03を備える。Ｍ×Ｎ個の光検出セル１０_1,1〜１０_M,N
はＭ行Ｎ列に２次元配列されており、光検出セル１０
_m,nは第ｍ行第ｎ列に位置している。積分回路２０_nの積
分容量部の容量値は、光検出セル１０_m,nのセル容量部
の容量値と等しい。投光部の投光動作および検出部２の
光検出動作は互いに同期して動作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定対象物へ投光
して前記測定対象物上の投光位置を検出する光検出装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】測定対象物へ投光して前記測定対象物上
の投光位置を検出する光検出装置として、三角測量の原
理を利用して測定対象物までの距離を測定する距離測定
装置や、光切断法の原理を利用して測定対象物の形状を
測定する形状測定装置が挙げられる。このような光検出
装置においては、測定対象物に向けて投光部より光が投
光され、この測定対象物に投光された光の反射光が結像
光学系により結像され、この結像された像における光の
強度分布が求められ、この光の強度分布に基づいて距離
または形状が測定される。

【０００３】ところで、結像光学系により結像される像
には、測定対象物に投光された光の反射光（以下「信号
光」という。）だけでなく、背景光も含まれる。このよ
うに、結像光学系により結像される像は、信号光と背景
光とが重畳されたものである。測定対象物が暗い空間内
に置かれている場合には、結像光学系により結像される
像における背景光成分は小さく、距離または形状は精度
よく測定され得る。しかし、測定対象物が明るい空間内
に置かれている場合には、結像光学系により結像される
像における背景光成分は無視し得ないほど大きくなるこ
とがあり、距離または形状の測定は不正確なものとな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような背景光に起
因する問題を解消すべく、測定対象物に向けて投光部よ
り光が投光されているときに結像光学系により結像され
た第１の像（信号光成分と背景光成分とを含む）と、測
定対象物に向けて投光部より光が投光されていないとき
に結像光学系により結像された第２の像（背景光成分の
みを含む）とを求め、第１の像から第２の像を差し引く
ことで背景光成分を除去して、信号光成分のみの像に基
づいて正確な距離または形状を測定する技術が知られて
いる。

【０００５】しかしながら、この技術では、第１の像お
よび第２の像それぞれを記憶するメモリが必要であり、
また、第１の像から第２の像を差し引くための演算回路
が必要であって、装置が大型のものとなる。

【０００６】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、簡易な構成で背景光成分を除去して正
確な測定を行うことができる光検出装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係る光検出
装置は、測定対象物へ投光して測定対象物上の投光位置
を検出する光検出装置であって、(1) 入射光強度に応じ
た電荷を発生するフォトダイオードと、このフォトダイ
オードで発生した電荷を蓄積する容量値Ｃ_dのセル容量
部と、を各々有して配列された複数の光検出セルと、
(2) 容量値Ｃ_dの積分容量部を有し、入力端子に入力し
た電荷を積分容量部に蓄積して、その蓄積された電荷の
量に応じた積分値を出力端子より出力する積分回路と、
(3) 光検出セルと積分回路の入力端子との間に設けられ
た第１のスイッチと、(4) 積分回路の出力端子と光検出
セルとの間に設けられた第２のスイッチと、(5) 積分回
路の出力端子から出力された積分値を入力し、この積分
値をＡ／Ｄ変換して、この積分値に応じたデジタル値を
出力するＡ／Ｄ変換回路と、(6) Ａ／Ｄ変換回路から出
力されたデジタル値を入力し、このデジタル値に基づい
て重心位置を求めるデジタル演算を行って、その演算結
果を出力するデジタル演算回路と、(7) 測定対象物へ向
けて投光する投光部と、(8) 投光部により測定対象物に
投光された光の反射光を複数の光検出セルの配列面に結
像させる結像光学系と、(9) 積分回路、第１のスイッ
チ、第２のスイッチ、Ａ／Ｄ変換回路、デジタル演算回
路および投光部それぞれの動作を制御する制御部と、を
備えることを特徴とする。

【０００８】第１の発明に係る光検出装置では、制御部
は、(1) 第１の期間に、投光部より投光させることな
く、第２のスイッチを開き、第１のスイッチを閉じて、
光検出セルのセル容量部に蓄積されている電荷を積分回
路の積分容量部に移動させ、(2) 第１の期間の後の第２
の期間に、第１のスイッチを開き、第２のスイッチを閉
じて、積分回路の積分容量部に蓄積されている電荷を光
検出セルのセル容量部に移動させ、(3) 第２の期間の後
の第３の期間に、投光部より投光させ、第２のスイッチ
を開き、第１のスイッチを閉じて、光検出セルのセル容
量部に蓄積されている電荷を積分回路の積分容量部に移
動させ、(4) 第３の期間の後の第４の期間に、Ａ／Ｄ変
換回路にＡ／Ｄ変換を行わせるのが好適である。

【０００９】この第１の発明に係る光検出装置によれ
ば、或る一定期間に、投光部より測定対象物に向けて光
が投光されることなく、光検出セルのフォトダイオード
が入射光強度に応じて発生した電荷はセル容量部に蓄積
されていく。この一定期間が経過した時点で第１のスイ
ッチが閉じると、この第１のスイッチが閉じている第１
の期間に、それまでセル容量部に蓄積されていた電荷
は、積分回路の積分容量部に移動する。その結果、フォ
トダイオードの一方の端子の電位は、ΔＶだけ変化して
リセットレベルとなり、積分回路から出力される積分値
は、積分容量部に蓄積された電荷に応じたレベルとな
る。第１のスイッチが開いた後に第２のスイッチが閉じ
ると、この第２のスイッチが閉じている第２の期間に、
積分回路から出力される積分値に応じた電圧がセル容量
部に設定される。積分容量部の容量値はセル容量部の容
量値と等しいので、この結果、フォトダイオードの一方
の端子の電位は、リセットレベルからΔＶだけ変化す
る。

【００１０】その後の一定期間に、投光部より測定対象
物に向けて光が投光され、フォトダイオードが入射光強
度に応じて発生した電荷はセル容量部に蓄積されてい
く。この一定期間が経過した時点でセル容量部に蓄積さ
れている電荷は、以前に第２のスイッチが閉じたときに
積分値に応じて設定された電圧に比例した電荷と、この
一定期間に入射光によってフォトダイオードが発生した
電荷とが、重畳されたものである。ただし、重畳される
電荷の符号は互いに異なる。したがって、この一定期間
が経過した時点で第１のスイッチが閉じると、この第１
のスイッチが閉じている第３の期間の後に、積分回路か
ら出力される積分値は、フォトダイオードへ入射する光
強度の増減に応じたものである。

【００１１】以上のような第１のスイッチおよび第２の
スイッチの開閉動作は、複数の光検出セルそれぞれにつ
いて行われる。したがって、積分回路から出力される積
分値は、複数の光検出セルそれぞれに含まれるフォトダ
イオードに入射した光のうち背景光成分が除去されて信
号光成分のみに応じた時系列信号となる。その後の第４
の期間に、この積分値はＡ／Ｄ変換回路によりＡ／Ｄ変
換され、この積分値に応じたデジタル値がＡ／Ｄ変換回
路より出力される。そして、デジタル演算回路により、
このデジタル値に基づいて重心位置を求めるデジタル演
算が行われて、その演算結果が出力される。

【００１２】第２の発明に係る光検出装置は、測定対象
物へ投光して測定対象物上の投光位置を検出する光検出
装置であって、(1) 入射光強度に応じた電荷を発生する
フォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した
電荷を蓄積する容量値Ｃ_dのセル容量部と、を各々有し
て配列された複数の光検出セルと、(2) 容量値が容量値
Ｃ_dおよびこれより小さい値の何れかに切り替え可能な
積分容量部を有し、入力端子に入力した電荷を積分容量
部に蓄積して、その蓄積された電荷の量に応じた積分値
を出力端子より出力する積分回路と、(3) 光検出セルと
積分回路の入力端子との間に設けられた第１のスイッチ
と、(4) 積分回路の出力端子と光検出セルとの間に設け
られた第２のスイッチと、(5) 積分回路の出力端子から
出力された積分値を入力し、この積分値をＡ／Ｄ変換し
て、この積分値に応じたデジタル値を出力するＡ／Ｄ変
換回路と、(6) Ａ／Ｄ変換回路から出力されたデジタル
値を入力し、このデジタル値に基づいて重心位置を求め
るデジタル演算を行って、その演算結果を出力するデジ
タル演算回路と、(7) 測定対象物へ向けて投光する投光
部と、(8) 投光部により測定対象物に投光された光の反
射光を複数の光検出セルの配列面に結像させる結像光学
系と、(9) 積分回路、第１のスイッチ、第２のスイッ
チ、Ａ／Ｄ変換回路、デジタル演算回路および投光部そ
れぞれの動作を制御する制御部と、を備えることを特徴
とする。

【００１３】第２の発明に係る光検出装置では、制御部
は、(1) 第１の期間に、投光部より投光させることな
く、積分回路の積分容量部の容量値をＣ_dに切り替え、
第２のスイッチを開き、第１のスイッチを閉じて、光検
出セルのセル容量部に蓄積されている電荷を積分回路の
積分容量部に移動させ、(2) 第１の期間の後の第２の期
間に、第１のスイッチを開き、第２のスイッチを閉じ
て、積分回路の積分容量部に蓄積されている電荷を光検
出セルのセル容量部に移動させ、(3) 第２の期間の後の
第３の期間に、投光部より投光させ、積分回路の積分容
量部の容量値をＣ_dより小さい値に切り替え、第２のス
イッチを開き、第１のスイッチを閉じて、光検出セルの
セル容量部に蓄積されている電荷を積分回路の積分容量
部に移動させ、(4) 第３の期間の後の第４の期間に、Ａ
／Ｄ変換回路にＡ／Ｄ変換を行わせるのが好適である。

【００１４】この第２の発明に係る光検出装置によれ
ば、或る一定期間に、投光部より測定対象物に向けて光
が投光されることなく、光検出セルのフォトダイオード
が入射光強度に応じて発生した電荷はセル容量部に蓄積
されていく。この一定期間が経過した時点で第１のスイ
ッチが閉じると、この第１のスイッチが閉じている第１
の期間に、それまでセル容量部に蓄積されていた電荷
は、積分回路の積分容量部に移動する。その結果、フォ
トダイオードの一方の端子の電位は、ΔＶだけ変化して
リセットレベルとなり、積分回路から出力される積分値
は、積分容量部に蓄積された電荷に応じたレベルとな
る。第１のスイッチが開いた後に第２のスイッチが閉じ
ると、この第２のスイッチが閉じている第２の期間に、
積分回路から出力される積分値に応じた電圧がセル容量
部に設定される。このとき、積分容量部の容量値はセル
容量部の容量値と等しくされており、この結果、フォト
ダイオードの一方の端子の電位は、リセットレベルから
ΔＶだけ変化する。

【００１５】その後の一定期間に、投光部より測定対象
物に向けて光が投光され、フォトダイオードが入射光強
度に応じて発生した電荷はセル容量部に蓄積されてい
く。この一定期間が経過した時点でセル容量部に蓄積さ
れている電荷は、以前に第２のスイッチが閉じたときに
積分値に応じて設定された電圧に比例した電荷と、この
一定期間に入射光によってフォトダイオードが発生した
電荷とが、重畳されたものである。ただし、重畳される
電荷の符号は互いに異なる。このとき、積分容量部の容
量値はセル容量部の容量値より小さい値とされている。
したがって、この一定期間が経過した時点で第１のスイ
ッチが閉じると、この第１のスイッチが閉じている第３
の期間の後に、積分回路から出力される積分値は、フォ
トダイオードへ入射する光強度の増減に応じたものであ
り、しかも、光強度変化を高感度に検出するものであ
る。

【００１６】以上のような第１のスイッチおよび第２の
スイッチの開閉動作は、複数の光検出セルそれぞれにつ
いて行われる。したがって、積分回路から出力される積
分値は、複数の光検出セルそれぞれに含まれるフォトダ
イオードに入射した光のうち背景光成分が除去されて信
号光成分のみに応じた時系列信号となる。その後の第４
の期間に、この積分値はＡ／Ｄ変換回路によりＡ／Ｄ変
換され、この積分値に応じたデジタル値がＡ／Ｄ変換回
路より出力される。そして、デジタル演算回路により、
このデジタル値に基づいて重心位置を求めるデジタル演
算が行われて、その演算結果が出力される。

【００１７】第１または第２の発明に係る光検出装置で
は、複数の光検出セルは互いに直交する第１方位および
第２方位の双方に平行な面上に２次元配列されており、
投光部は第１方位に延びるスリット光を投光し、デジタ
ル演算回路は第２方位に関して重心位置を求めるデジタ
ル演算を行うのが好適である。この場合には、測定対象
物の形状が測定される。

【００１８】第１または第２の発明に係る光検出装置で
は、複数の光検出セルは２次元配列され、積分回路、第
１のスイッチ、第２のスイッチおよびＡ／Ｄ変換回路そ
れぞれは複数の光検出セルの列毎に設けられているのが
好適である。積分回路、第１のスイッチ、第２のスイッ
チおよびＡ／Ｄ変換回路それぞれは、光検出セル毎に設
けられていてもよいが、光検出セルの列毎に設けられて
いることにより、光検出装置の回路規模は更に小さくな
る。

【００１９】

【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。以下で、ＭおよびＮそれぞれは２以上の整数
であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数であり、ｎは１
以上Ｎ以下の任意の整数である。

【００２０】図１は、本実施形態に係る光検出装置１の
構成図である。この光検出装置１は、検出部２、結像光
学系３、駆動部４、発光素子５、投光光学系６および制
御部７を備える。

【００２１】駆動部４は、制御部７から出力された制御
信号に基づいて、発光素子５に駆動電流を供給して、こ
の発光素子５を発光させる。発光素子５は、例えば発光
ダイオードまたはレーザダイオードであり、駆動部４に
より駆動されて発光する。投光光学系６は、発光素子５
から出力された光をコリメートし、そのコリメートした
光を測定対象物９へ向けて投光する。駆動部４、発光素
子５および投光光学系６は、測定対象物９へ向けて投光
する投光部として作用する。

【００２２】結像光学系３は、投光部により測定対象物
９に投光された光の拡散反射光を検出部２の光入射面２
ａに結像させる。検出部２は、光入射面２ａに複数の光
検出セルが配列されており、結像光学系３により結像さ
れた光を検出する。制御部７は、駆動部４が発光素子５
へ駆動電流を供給するタイミング（すなわち、発光素子
５が発光するタイミング）を制御するとともに、検出部
２の動作を制御する。

【００２３】光検出装置１が距離測定に用いられるもの
である場合には、投光部より測定対象物９へ向けてスポ
ット光が投光され、測定対象物９に投光されたスポット
光の拡散反射光が結像光学系３により検出部２の光入射
面２ａに結像され、この結像された光の重心位置Ｐが求
められる。そして、この重心位置Ｐに基づいて、光検出
装置１から測定対象物９までの距離が測定される。

【００２４】また、光検出装置１が形状測定に用いられ
るものである場合には、図２に示されるように、例え
ば、発光素子５としてのレーザダイオードから出力され
たレーザ光は、投光光学系６としてのシリンドリカルレ
ンズによりスリット光とされて、このスリット光が測定
対象物９へ向けて投光される。測定対象物９に投光され
たスリット光の拡散反射光は、結像光学系３により検出
部２の光入射面２ａに結像され、この結像された光の重
心位置が求められる。そして、この重心位置に基づい
て、測定対象物９の形状が測定される。なお、投光光学
系６としてのシリンドリカルレンズより出力されるスリ
ット光はｘ軸方向に延びるものであり、検出部２による
重心位置の算出に際してはｙ軸方向に関して求められ
る。

【００２５】次に、本実施形態に係る光検出装置１の検
出部２の回路構成について図３〜図６を用いて説明す
る。図３は、本実施形態に係る光検出装置１の検出部２
の概略構成図である。この検出部２は、Ｎ個のユニット
１００₁〜１００_Nおよびデジタル演算回路４０を備え
る。各ユニット１００_nは、互いに同様の構成であっ
て、Ｍ個の光検出セル１０_1,n〜１０_M,n、積分回路２０
_n、Ａ／Ｄ変換回路３０_n、スイッチＳＷ_n01、スイッチ
ＳＷ_n02およびスイッチＳＷ_n03を備える。Ｍ×Ｎ個の光
検出セル１０_1,1〜１０_M,Nは検出部２の光入射面２ａに
Ｍ行Ｎ列に２次元配列されており、光検出セル１０_m,n
は第ｍ行第ｎ列に位置している。

【００２６】各ユニット１００_nにおいて、Ｍ個の光検
出セル１０_1,n〜１０_M,nそれぞれは、スイッチＳＷ_n01
を介して積分回路２０_nの入力端子と接続され、スイッ
チＳＷ _n02を介して積分回路２０_nの出力端子と接続され
ている。積分回路２０_nの出力端子は、Ａ／Ｄ変換回路
３０_nの入力端子と接続されている。Ａ／Ｄ変換回路３
０_nの出力端子は、スイッチＳＷ_n03を介してデジタル演
算回路４０の入力端子と接続されている。ユニット１０
０₁〜１００_NそれぞれのスイッチＳＷ_n03が順次に閉じ
て、ユニット１００₁〜１００_NそれぞれのＡ／Ｄ変換回
路３０_nの出力端子はデジタル演算回路４０の入力端子
と接続される。デジタル演算回路４０は、各ユニット１
００_nのＡ／Ｄ変換回路３０_nからスイッチＳＷ_n03を介
して順次に出力されたデジタル値を入力し、このデジタ
ル値に基づいて重心位置を求めるデジタル演算を行っ
て、その演算結果を出力する。

【００２７】図４は、本実施形態に係る光検出装置１の
各光検出セル１０_m,nの回路図である。各光検出セル１
０_m,nは、フォトダイオードＰＤ、セル容量部Ｃ_dおよび
スイッチＳＷ₀を有する。フォトダイオードＰＤのアノ
ード端子は接地されている。フォトダイオードＰＤのカ
ソード端子は、セル容量部Ｃ_dを介して接地され、ま
た、スイッチＳＷ₀を介して、スイッチＳＷ_n01およびス
イッチＳＷ_n02と接続されている。各ユニット１００_nに
おいて、Ｍ個の光検出セル１０_1,n〜１０_M,nそれぞれの
スイッチＳＷ₀が順次に閉じて、光検出セル１０_1,n〜１
０_M,nそれぞれのフォトダイオードＰＤのカソード端子
は、順次にスイッチＳＷ_n01およびスイッチＳＷ_n02と接
続される。光検出セル１０_1,1〜１０_M,Nそれぞれのセル
容量部Ｃ_dの容量値は互いに等しい。なお、セル容量部
Ｃ_dは、フォトダイオードＰＤの接合容量であってもよ
いし、これとは別に設けたものであってもよい。

【００２８】図５は、本実施形態に係る光検出装置１の
各積分回路２０_nの回路図である。各積分回路２０_nは、
入力端子と出力端子との間に互いに並列にアンプＡ₂、
積分容量部Ｃ_f2およびスイッチＳＷ₂₁が接続されてい
る。アンプＡ₂は、その反転入力端子がスイッチＳＷ_n01
と接続され、非反転入力端子が基準電圧値Ｖ_inp1とさ
れ、出力端子がスイッチＳＷ_n02と接続されている。積
分容量部Ｃ_f2およびスイッチＳＷ₂₁は、アンプＡ₂の反
転入力端子と出力端子との間に設けられている。積分容
量部Ｃ_f2の容量値は、各光検出セル１０_m,nのセル容量
部Ｃ_dの容量値と等しい。積分回路２０_nは、スイッチＳ
Ｗ₂₁が閉じているときには、積分容量部Ｃ_{f 2}を放電して
初期化する。一方、積分回路２０_nは、スイッチＳＷ₂₁
が開いているときには、入力端子に入力した電荷を積分
容量部Ｃ_f2に蓄積して、その蓄積された電荷の量に応じ
た値の電圧信号（これを積分値と呼ぶ。）を出力端子か
ら出力する。

【００２９】図６は、本実施形態に係る光検出装置１の
各Ａ／Ｄ変換回路３０_nの回路図である。各Ａ／Ｄ変換
回路３０_nは、積分回路２０_nの出力端子から出力された
積分値（アナログ信号）を入力してＡ／Ｄ変換し、この
積分値に応じた値のデジタル値を、スイッチＳＷ_n03を
介してデジタル演算回路４０へ出力する。この図に示さ
れたＡ／Ｄ変換回路３０_nは、結合容量素子Ｃ₃₀₁、帰還
容量素子Ｃ₃₀₂、スイッチＳＷ₃₀₂、アンプ３０１、比較
部３０２、容量制御部３０３、可変容量部３１０，３２
０および３３０を含む。

【００３０】アンプ３０１は、積分回路２０_nから出力
された積分値（アナログ値）を、結合容量素子Ｃ₃₀₁を
介して反転入力端子に入力し、基準電圧値Ｖ_comを非反
転入力端子に入力する。帰還容量素子Ｃ₃₀₂は、アンプ
３０１の反転入力端子と出力端子との間に設けられ、入
力した電圧値に応じて電荷を蓄える。スイッチＳＷ₃₀₂
は、アンプ３０１の反転入力端子と出力端子との間に設
けられ、開いているときには帰還容量素子Ｃ₃₀₂に電荷
の蓄積を行わせ、閉じているときには帰還容量素子Ｃ
₃₀₂における電荷蓄積をリセットする。そして、アンプ
３０１は、帰還容量素子Ｃ₃₀₂に蓄積された電荷量に応
じた電圧値を、出力端子より比較部３０２へ出力する。
比較回路３０２は、アンプ３０１から出力された電圧値
を反転入力端子に入力し、基準電圧値Ｖ_comを非反転入
力端子に入力し、これら２つの入力信号の値を大小比較
して、この比較結果を示す信号を容量制御部３０３へ出
力する。

【００３１】可変容量部３１０は、４つの容量素子Ｃ
₃₁₁〜Ｃ₃₁₄および４つのスイッチＳＷ ₃₁₁〜ＳＷ₃₁₄を含
む。容量素子Ｃ₃₁₁は、一端がアンプ３０１の反転入力
端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₁₁を介して参照
電圧値Ｖ_ref1および基準電圧値Ｖ_comの何れかと接続さ
れる。容量素子Ｃ₃₁₂は、一端がアンプ３０１の反転入
力端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₁₂を介して参
照電圧値Ｖ_ref1および基準電圧値Ｖ_comの何れかと接続
される。容量素子Ｃ₃₁₃は、一端がアンプ３０１の反転
入力端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₁₃を介して
参照電圧値Ｖ_ref1および基準電圧値Ｖ_comの何れかと接
続される。また、容量素子Ｃ₃₁₄は、一端がアンプ３０
１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₁₄
を介して参照電圧値Ｖ_ref1および基準電圧値Ｖ_comの何
れかと接続される。

【００３２】可変容量部３２０は、４つの容量素子Ｃ
₃₂₁〜Ｃ₃₂₄および４つのスイッチＳＷ ₃₂₁〜ＳＷ₃₂₄を含
む。容量素子Ｃ₃₂₁は、一端がアンプ３０１の反転入力
端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₂₁を介して参照
電圧値Ｖ_ref2および基準電圧値Ｖ_comの何れかと接続さ
れる。容量素子Ｃ₃₂₂は、一端がアンプ３０１の反転入
力端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₂₂を介して参
照電圧値Ｖ_ref2および基準電圧値Ｖ_comの何れかと接続
される。容量素子Ｃ₃₂₃は、一端がアンプ３０１の反転
入力端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₂₃を介して
参照電圧値Ｖ_ref2および基準電圧値Ｖ_comの何れかと接
続される。また、容量素子Ｃ₃₂₄は、一端がアンプ３０
１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₂₄
を介して参照電圧値Ｖ_ref2および基準電圧値Ｖ_comの何
れかと接続される。

【００３３】可変容量部３３０は、４つの容量素子Ｃ
₃₃₁〜Ｃ₃₃₄および４つのスイッチＳＷ ₃₃₁〜ＳＷ₃₃₄を含
む。容量素子Ｃ₃₃₁は、一端がアンプ３０１の反転入力
端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₃₁を介して参照
電圧値Ｖ_ref3および基準電圧値Ｖ_comの何れかと接続さ
れる。容量素子Ｃ₃₃₂は、一端がアンプ３０１の反転入
力端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₃₂を介して参
照電圧値Ｖ_ref3および基準電圧値Ｖ_comの何れかと接続
される。容量素子Ｃ₃₃₃は、一端がアンプ３０１の反転
入力端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₃₃を介して
参照電圧値Ｖ_ref3および基準電圧値Ｖ_comの何れかと接
続される。また、容量素子Ｃ₃₃₄は、一端がアンプ３０
１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチＳＷ₃₃₄
を介して参照電圧値Ｖ_ref3および基準電圧値Ｖ_comの何
れかと接続される。

【００３４】可変容量部３１０，３２０および３３０そ
れぞれに含まれる各容量素子、結合容量素子Ｃ₃₀₁、帰
還容量素子Ｃ₃₀₂それぞれの容量値は、

【数１】 なる関係式を満たす。ここで、Ｃは或る一定容量値であ
る。また、可変容量部３１０に供給される参照電圧値Ｖ
_ref1、可変容量部３２０に供給される参照電圧値
Ｖ_ref2、可変容量部３３０に供給される参照電圧値Ｖ
_ref3、および、基準電圧値Ｖ_comそれぞれは、

【数２】 なる関係式を満たす。なお、基準電圧値Ｖ_comは一般に
は接地電位とされるので、以降ではＶ_com＝０とする。
このとき、上記(2)式は、

【数３】 なる式で表される。また、これら参照電圧値Ｖ_ref1，Ｖ
_ref2およびＶ_ref3それぞれは、図示しない参照電圧供給
回路より供給される。この参照電圧供給回路は、例え
ば、抵抗器が縦続接続された抵抗分割回路である。

【００３５】容量制御部３０３は、スイッチＳＷ₃₁₁〜
ＳＷ₃₁₄、ＳＷ₃₂₁〜ＳＷ₃₂₄およびＳＷ₃₃₁〜ＳＷ₃₃₄そ
れぞれにおける切替動作を制御する。また、容量制御部
３０３は、これらの１２個のスイッチそれぞれにおける
切替状況を記憶しており、この切替状況および比較部３
０２からの出力に基づいて、１２ビットのデジタル値
（Ｄ₁₁〜Ｄ₀）を出力する。すなわち、容量制御部３０
３より出力されるデジタル値の最上位ビットＤ₁₁はスイ
ッチＳＷ₃₁₁の切替状況に応じたものであり、ビットＤ
₁₀はスイッチＳＷ₃₁₂の切替状況に応じたものであり、
ビットＤ₉はスイッチＳＷ₃₁₃の切替状況に応じたもので
あり、ビットＤ₈はスイッチＳＷ₃₁₄の切替状況に応じた
ものである。ビットＤ₇はスイッチＳＷ₃₂₁の切替状況に
応じたものであり、ビットＤ₆はスイッチＳＷ₃₂₂の切替
状況に応じたものであり、ビットＤ₅はスイッチＳＷ₃₂₃
の切替状況に応じたものであり、ビットＤ₄はスイッチ
ＳＷ_{32 4}の切替状況に応じたものである。また、ビット
Ｄ₃はスイッチＳＷ₃₃₁の切替状況に応じたものであり、
ビットＤ₂はスイッチＳＷ₃₃₂の切替状況に応じたもので
あり、ビットＤ₁はスイッチＳＷ₃₃₃の切替状況に応じた
ものであり、最下位ビットＤ₀はスイッチＳＷ₃₃₄の切替
状況に応じたものである。

【００３６】次に、本実施形態に係る光検出装置１の動
作について図７〜図１０を用いて説明する。なお、駆動
部４による発光素子５への駆動電流の供給を制御する制
御信号、各スイッチの開閉を制御する制御信号、デジタ
ル演算回路４０の動作を制御する制御信号およびアドレ
ス信号は、制御部７から所定のタイミングで出力され
る。以下に説明する光検出装置１の動作は、この制御部
７による制御の下に行われる。

【００３７】図７は、本実施形態に係る光検出装置１の
各ユニット１００_nの動作タイミングを示すタイミング
チャートである。同図（ａ）は、各スイッチの開閉タイ
ミングおよび発光素子５の発光タイミングを示す。同図
（ｂ）は、第１フレームと第２フレームとで光検出セル
１０_m,nへ入射する光の強度が等しい場合の各信号レベ
ルを示す。また、同図（ｃ）は、第１フレームより第２
フレームで光検出セル１０_m,nへ入射する光の強度が大
きい場合の各信号レベルを示す。同図（ａ）に示される
ように、時刻ｔ₀から時刻ｔ₄までの第１フレームでは発
光素子５は発光せず、続く時刻ｔ₄から時刻ｔ₈までの第
２フレームでは発光素子５は発光している。このような
第１フレームと第２フレームとが交互に繰り返される。

【００３８】初めに、第１フレームと第２フレームとで
光検出セル１０_m,nへ入射する光の強度が等しい場合
（すなわち、第２フレームにおいても入射光が信号光成
分を含まない場合）における動作を、図７（ａ）および
（ｂ）を参照して説明する。

【００３９】第１フレームにおける時刻ｔ₀に、光検出
セル１０_m,nのスイッチＳＷ₀は開く。時刻ｔ₀では、光
検出セル１０_m,nのセル容量部Ｃ_dに蓄積されている電荷
は無く、光検出セル１０_m,nのフォトダイオードＰＤの
カソード端子の電位はリセットレベルである。時刻ｔ₀
以降、スイッチＳＷ₀が閉じる時刻ｔ₂まで、光検出セル
１０_m,nでは、自己のフォトダイオードＰＤが入射光に
より発生した電荷は、自己のセル容量部Ｃ_dに蓄積され
ていく。時刻ｔ₀と時刻ｔ₂との間の時刻ｔ₁に、積分回
路２０_nのスイッチＳＷ_n21が一旦閉じた後に開くこと
で、積分回路２０_nは、積分容量部Ｃ_f2の電荷が放電さ
れて初期化され、出力される積分値はリセットレベルと
なる。

【００４０】第１フレームにおける時刻ｔ₂から時刻ｔ₄
までの期間、光検出セル１０_m,nのスイッチＳＷ₀は閉じ
る。この期間中に、先ず時刻ｔ₂にスイッチＳＷ_n01が一
旦閉じた後に開き、続いて時刻ｔ₃にスイッチＳＷ_n02が
一旦閉じた後に開く。スイッチＳＷ_n01が閉じている第
１の期間に、それまで光検出セル１０_m,nのセル容量部
Ｃ_dに蓄積されていた電荷は、積分回路２０_nの積分容量
部Ｃ_f2に移動する。その結果、光検出セル１０_m,nのフ
ォトダイオードＰＤのカソード端子の電位は、ΔＶだけ
変化してリセットレベルとなり、また、積分回路２０_n
から出力される積分値は、積分容量部Ｃ_f2に蓄積された
電荷に応じたレベルとなる。その後のスイッチＳＷ_n02
が閉じている第２の期間に、光検出セル１０_m,nのセル
容量部Ｃ_dに、積分回路２０_nから出力される積分値に応
じた電荷が蓄積される。積分容量部Ｃ_f2の容量値は光検
出セル１０_m,nのセル容量部Ｃ_dの容量値と等しいので、
この結果、光検出セル１０_m,nのフォトダイオードＰＤ
のカソード端子の電位は、リセットレベルからΔＶだけ
変化する。

【００４１】時刻ｔ₄に光検出セル１０_m,nのスイッチＳ
Ｗ₀は開く。時刻ｔ₄では、光検出セル１０_m,nのフォト
ダイオードＰＤのカソード端子の電位はΔＶである。時
刻ｔ₄以降、スイッチＳＷ₀が閉じる時刻ｔ₆まで、光検
出セル１０_m,nでは、自己のフォトダイオードＰＤが入
射光により発生した電荷は、自己のセル容量部Ｃ_dに蓄
積されていく。時刻ｔ₄と時刻ｔ₆との間の時刻ｔ₅に、
積分回路２０_nのスイッチＳＷ₂₁が一旦閉じた後に開く
ことで、積分回路２０_nは、積分容量部Ｃ_f2の電荷が放
電されて初期化され、出力される積分値はリセットレベ
ルとなる。

【００４２】時刻ｔ₀〜ｔ₂までの時間と時刻ｔ₄〜ｔ₆ま
での時間とが等しく、第１フレームと第２フレームとで
光検出セル１０_m,nへ入射する光の強度が等しければ、
時刻ｔ₆において光検出セル１０_m,nのセル容量部Ｃ_dに
蓄積されている電荷は、時刻ｔ₃に積分回路２０_nから出
力される積分値に応じて蓄積された電荷と、時刻ｔ₄か
ら時刻ｔ₆までの期間にフォトダイオードＰＤが入射光
により発生した電荷とが相殺されている。したがって、
時刻ｔ₆では、光検出セル１０_m,nのフォトダイオードＰ
Ｄのカソード端子の電位はリセットレベルとなる。

【００４３】第２フレームにおける時刻ｔ₆から時刻ｔ₈
までの期間、光検出セル１０_m,nのスイッチＳＷ₀は閉じ
る。この期間中の時刻ｔ₆にスイッチＳＷ_n01が一旦閉じ
た後に開く。スイッチＳＷ_n01が閉じる時刻ｔ₆において
は、光検出セル１０_m,nのセル容量部Ｃ_dに蓄積されてい
た電荷は無く、光検出セル１０_m,nのフォトダイオード
ＰＤのカソード端子の電位はリセットレベルであるの
で、積分回路２０_nから出力される積分値はリセットレ
ベルのままである。すなわち、第１フレームと第２フレ
ームとで光検出セル１０_m,nへ入射する光の強度が等し
ければ、第２フレームの時刻ｔ₆以降において、積分回
路２０_nから出力される積分値はリセットレベルとな
る。

【００４４】次に、第１フレームより第２フレームで光
検出セル１０_m,nへ入射する光の強度が大きい場合（す
なわち、第２フレームにおいて入射光が信号光成分を含
む場合）における動作を、図７（ａ）および（ｃ）を参
照して説明する。ｓ 具体的には、第２フレームの時刻
ｔ₄〜ｔ₆の期間に投光部から光を照射する。各スイッチ
の開閉動作は、既に説明したものと同様である。時刻ｔ
₀〜ｔ₂までの時間と時刻ｔ₄〜ｔ₆までの時間とが等し
く、第１フレームより第２フレームで光検出セル１０
_m,nへ入射する光の強度が大きければ、時刻ｔ₆において
光検出セル１０_m,nのセル容量部Ｃ_dに蓄積されている電
荷は、時刻ｔ₃に積分回路２０_nから出力される積分値に
応じて蓄積された電荷と、時刻ｔ₄から時刻ｔ₆までの期
間にフォトダイオードＰＤが入射光により発生した電荷
とが相殺されることはない。したがって、時刻ｔ₆で
は、光検出セル１０_m,nのフォトダイオードＰＤのカソ
ード端子の電位はリセットレベルより小さいレベルとな
る。

【００４５】第２フレームにおける時刻ｔ₆から時刻ｔ₈
までの期間、光検出セル１０_m,nのスイッチＳＷ₀は閉じ
る。この期間中の時刻ｔ₆にスイッチＳＷ_n01が一旦閉じ
た後に開く。このスイッチＳＷ_n01が閉じている第３の
期間に、それまで光検出セル１０_m,nのセル容量部Ｃ_dに
蓄積されていた電荷は、積分回路２０_nの積分容量部Ｃ
_f2に移動する。スイッチＳＷ_n01が閉じる時刻ｔ₆におい
ては、光検出セル１０_m,nのフォトダイオードＰＤのカ
ソード端子の電位はリセットレベルより小さいので、積
分回路２０_nから出力される積分値はリセットレベルよ
り大きくなる。すなわち、第１フレームと第２フレーム
とで光検出セル１０_m,nへ入射する光の強度が異なれ
ば、第２フレームの時刻ｔ₆以降において、積分回路２
０_nから出力される積分値は、リセットレベルとは異な
るレベルとなる。そして、時刻ｔ₆以降の積分値が読み
出された後、時刻ｔ₇に積分回路２０_nのスイッチＳＷ₂₁
は一旦閉じた後に開き、積分回路２０_nはリセットされ
る。

【００４６】積分回路２０_nから時刻ｔ₆以降に出力され
る積分値は、光検出セル１０_m,nのフォトダイオードＰ
Ｄが或るフレームおよび次のフレームそれぞれで入射光
強度の差に応じたものである。すなわち、この積分値
は、入射光から背景光成分が除去されて得られた信号光
成分のみを表すものである。そして、時刻ｔ₈以降の第
４の期間に、Ａ／Ｄ変換回路３０_nによるＡ／Ｄ変換処
理が行われる。

【００４７】この積分回路２０_nから出力された積分値
は、Ａ／Ｄ変換回路３０_nによりＡ／Ｄ変換されて、１
２ビットのデジタル値が出力される。各ユニット１００
_nのＡ／Ｄ変換回路３０_nは以下のように動作する。

【００４８】Ａ／Ｄ変換処理の第１段階においては、ス
イッチＳＷ₃₀₂は閉じていて、帰還容量素子Ｃ₃₀₂は放電
されている。また、スイッチＳＷ₃₁₁〜ＳＷ₃₁₄、ＳＷ
₃₂₁〜ＳＷ₃₂₄およびＳＷ₃₃₁〜ＳＷ₃₃₄それぞれは、基準
電圧値Ｖ_comの方に切り替えられている。そして、スイ
ッチＳＷ₃₀₂が開いて、積分回路２０から出力された電
圧値Ｖ_inに応じた電荷量Ｑが帰還容量素子Ｃ₃₀₂に蓄積
される。ここで、電荷量Ｑは、

【数４】 なる式で表される。その後、実際のＡ／Ｄ変換処理が開
始される。

【００４９】Ａ／Ｄ変換処理の第２段階では、可変容量
部３１０に含まれる４つのスイッチＳＷ₃₁₁〜ＳＷ₃₁₄そ
れぞれの切替動作が行われる。先ず、４つの容量素子Ｃ
₃₁₁〜Ｃ₃₁₄のうち最も容量値が大きい容量素子Ｃ₃₁₁に
対応するスイッチＳＷ₃₁₁が参照電圧値Ｖ_ref1の方に切
り替わる。これにより、帰還容量素子Ｃ₃₀₂に蓄積され
ていた電荷Ｑ（上記(4)式）のうち、

【数５】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₁₁が容量素子Ｃ₃₁₁に移動
し、

【数６】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₀₂が帰還容量素子Ｃ₃₀₂に残
る。

【００５０】そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖ_in−
Ｖ_ref1／２）が出力される。比較部３０２により、アン
プ３０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖ_in−Ｖ
_ref1／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖ
_com（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ_in−Ｖ
_ref1／２）の符号が判定される。この結果は、容量制御
部３０３に入力され、出力すべき最上位ビットＤ₁₁の値
として記憶される。すなわち、電圧値（Ｖ_in−Ｖ_ref1／
２）が正であればＤ₁₁＝１とされ、そうでなければＤ₁₁
＝０とされる。

【００５１】もし、電圧値（Ｖ_in−Ｖ_ref1／２）が正で
あれば、次に容量値が大きい容量素子Ｃ₃₁₂に対応する
スイッチＳＷ₃₁₂が参照電圧値Ｖ_ref1の方に切り替わ
る。これにより、これまで帰還容量素子Ｃ₃₀₂に蓄積さ
れていた電荷Ｑ₃₀₂（上記(6)式）のうち、

【数７】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₁₂が容量素子Ｃ₃₁₂に移動
し、

【数８】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₀₂が帰還容量素子Ｃ₃₀₂に残
る。

【００５２】そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖ_in−
３Ｖ_ref1／４）が出力される。比較部３０２により、ア
ンプ３０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖ_in−
３Ｖ _ref1／４）と、非反転入力端子に入力する基準電圧
値Ｖ_com（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ_in
−３Ｖ_ref1／４）の符号が判定される。この結果は、容
量制御部３０３に入力され、出力すべきビットＤ₁₀の値
として記憶される。すなわち、電圧値（Ｖ_in−３Ｖ_ref1
／４）が正であればＤ₁₀＝１とされ、そうでなければＤ
₁₀＝０とされる。

【００５３】さらに、電圧値（Ｖ_in−３Ｖ_ref1／４）が
正であれば、その次に容量値が大きい容量素子Ｃ₃₁₃に
対応するスイッチＳＷ₃₁₃が参照電圧値Ｖ_ref1の方に切
り替わる。これにより、これまで帰還容量素子Ｃ₃₀₂に
蓄積されていた電荷Ｑ₃₀₂（上記(8)式）のうち、

【数９】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₁₃が容量素子Ｃ₃₁₃に移動
し、

【数１０】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₀₂が帰還容量素子Ｃ₃₀₂に残
る。

【００５４】そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖ_in−
７Ｖ_ref1／８）が出力される。比較部３０２により、ア
ンプ３０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖ_in−
７Ｖ _ref1／８）と、非反転入力端子に入力する基準電圧
値Ｖ_com（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ_in
−７Ｖ_ref1／８）の符号が判定される。この結果は、容
量制御部３０３に入力され、出力すべきビットＤ₉の値
として記憶される。すなわち、電圧値（Ｖ_in−７Ｖ_ref1
／８）が正であればＤ₉＝１とされ、そうでなければＤ₉
＝０とされる。

【００５５】逆に、最上位ビットＤ₁₁の値の決定の際に
電圧値（Ｖ_in−Ｖ_ref1／２）が負であれば、スイッチＳ
Ｗ₃₁₁が基準電圧値Ｖ_comの方に戻って、電荷量Ｑ（上記
(4)式）の全てが帰還容量素子Ｃ₃₀₂に戻る。その後、次
に容量値が大きい容量素子Ｃ₃₁₂に対応するスイッチＳ
Ｗ₃₁₂が参照電圧値Ｖ_ref1の方に切り替わる。これによ
り、帰還容量素子Ｃ₃₀₂に蓄積されていた電荷Ｑ（上記
(4)式）のうち、

【数１１】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₁₂が容量素子Ｃ₃₁₂に移動
し、

【数１２】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₀₂が帰還容量素子Ｃ₃₀₂に残
る。

【００５６】そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖ_in−
Ｖ_ref1／４）が出力される。比較部３０２により、アン
プ３０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖ_in−Ｖ
_ref1／４）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖ
_com（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ_in−Ｖ
_ref1／４）の符号が判定される。この結果は、容量制御
部３０３に入力され、出力すべきビットＤ₁₀の値として
記憶される。すなわち、電圧値（Ｖ_in−Ｖ_ref1／４）が
正であればＤ₁₀＝１とされ、そうでなければＤ ₁₀＝０と
される。

【００５７】このようにして、可変容量部３３０に含ま
れる４つのスイッチＳＷ₃₁₁〜ＳＷ_{3 14}それぞれの切替状
況が順次に決定され、ビットＤ₁₁〜Ｄ₈それぞれの値が
順次に決定される。図８は、Ａ／Ｄ変換回路３０_nに入
力する電圧値Ｖ_inと４つのビットＤ₁₁〜Ｄ₈それぞれの
値との関係を示す図表である。これら４つのビットＤ_{1 1}
〜Ｄ₈それぞれの値が決定された時点では、帰還容量素
子Ｃ₃₀₂に残っている電荷量Ｑ₁はＣ・Ｖ_ref1以下であ
り、アンプ３０１から出力される電圧値Ｖ₁は、Ｖ_{r ef1}
／２⁴以下であって、以上の第２段階においてＡ／Ｄ変
換し切れなかった残差である。

【００５８】以上のＡ／Ｄ変換処理の第２段階に続く第
３段階では、第２段階終了時に帰還容量素子Ｃ₃₀₂に残
っている電荷量Ｑ₁について、可変容量部３２０に含ま
れる４つのスイッチＳＷ₃₂₁〜ＳＷ₃₂₄それぞれの切替動
作が、第２段階の処理と同様に行われる。すなわち、先
ず、４つの容量素子Ｃ₃₂₁〜Ｃ₃₂₄のうち最も容量値が大
きい容量素子Ｃ₃₂₁に対応するスイッチＳＷ₃₂₁が参照電
圧値Ｖ_ref2の方に切り替わる。これにより、帰還容量素
子Ｃ₃₀₂に蓄積されていた電荷Ｑ₁のうち、

【数１３】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₂₁が容量素子Ｃ₃₂₁に移動
し、

【数１４】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₀₂が帰還容量素子Ｃ₃₀₂に残
る。

【００５９】そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖ₁−
Ｖ_ref2／２）が出力される。比較部３０２により、アン
プ３０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖ₁−Ｖ
_ref2／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖ
_com（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ₁−Ｖ
_ref2／２）の符号が判定される。この結果は、容量制御
部３０３に入力され、出力すべきビットＤ₇の値として
記憶される。電圧値（Ｖ₁−Ｖ_ref2／２）が正であれば
Ｄ₇＝１とされ、そうでなければＤ₇＝０とされる。すな
わち、電圧値（Ｖ₁−Ｖ_ref1／３２）が正であればＤ₇＝
１とされ、そうでなければＤ₇＝０とされる。

【００６０】以降も同様にして、可変容量部３２０に含
まれる４つのスイッチＳＷ₃₂₁〜ＳＷ₃₂₄それぞれの切替
状況が順次に決定され、ビットＤ₇〜Ｄ₄それぞれの値が
順次に決定される。図９は、電圧値Ｖ₁と４つのビット
Ｄ₇〜Ｄ₄それぞれの値との関係を示す図表である。これ
ら４つのビットＤ₇〜Ｄ₄それぞれの値が決定された時点
では、帰還容量素子Ｃ₃₀₂に残っている電荷量Ｑ₂はＣ・
Ｖ_ref2以下（Ｃ・Ｖ_{re f1}／２⁴以下）であり、アンプ３０
１から出力される電圧値Ｖ₂は、Ｖ_ref2／２⁴以下（Ｖ
_ref1／２⁸以下）であって、以上の第３段階においても
Ａ／Ｄ変換し切れなかった残差である。

【００６１】以上のＡ／Ｄ変換処理の第３段階に続く第
４段階では、第３段階終了時に帰還容量素子Ｃ₃₀₂に残
っている電荷量Ｑ₂について、可変容量部３３０に含ま
れる４つのスイッチＳＷ₃₃₁〜ＳＷ₃₃₄それぞれの切替動
作が、第２段階の処理と同様に行われる。すなわち、先
ず、４つの容量素子Ｃ₃₃₁〜Ｃ₃₃₄のうち最も容量値が大
きい容量素子Ｃ₃₃₁に対応するスイッチＳＷ₃₃₁が参照電
圧値Ｖ_ref3の方に切り替わる。これにより、帰還容量素
子Ｃ₃₀₂に蓄積されていた電荷Ｑ₁のうち、

【数１５】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₃₁が容量素子Ｃ₃₃₁に移動
し、

【数１６】 なる式で表される電荷量Ｑ₃₀₂が帰還容量素子Ｃ₃₀₂に残
る。

【００６２】そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖ₂−
Ｖ_ref3／２）が出力される。比較部３０２により、アン
プ３０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖ₂−Ｖ
_ref3／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖ
_com（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ₂−Ｖ
_ref3／２）の符号が判定される。この結果は、容量制御
部３０３に入力され、出力すべきビットＤ₃の値として
記憶される。電圧値（Ｖ₂−Ｖ_ref3／２）が正であれば
Ｄ₃＝１とされ、そうでなければＤ₃＝０とされる。すな
わち、電圧値（Ｖ₂−Ｖ_ref1／５１２）が正であればＤ₃
＝１とされ、そうでなければＤ₃＝０とされる。

【００６３】以降も同様にして、可変容量部３３０に含
まれる４つのスイッチＳＷ₃₃₁〜ＳＷ₃₃₄それぞれの切替
状況が順次に決定され、ビットＤ₃〜Ｄ₀それぞれの値が
順次に決定される。図１０は、電圧値Ｖ₂と４つのビッ
トＤ₃〜Ｄ₀それぞれの値との関係を示す図表である。こ
れら４つのビットＤ₃〜Ｄ₀それぞれの値が決定された時
点では、帰還容量素子Ｃ₃₀₂に残っている電荷量Ｑ₃はＣ
・Ｖ_ref3以下（Ｃ・Ｖ _ref1／２⁸以下）であり、アンプ３
０１から出力される電圧値Ｖ₃は、Ｖ_ref3／２ ⁴以下（Ｖ
_ref1／２¹²以下）であって、以上の第４段階においても
Ａ／Ｄ変換し切れなかった残差である。

【００６４】以上のＡ／Ｄ変換処理の第４段階が終了し
た時点では、１２個のスイッチＳＷ ₃₁₁〜ＳＷ₃₁₄、ＳＷ
₃₂₁〜ＳＷ₃₂₄およびＳＷ₃₃₁〜ＳＷ₃₃₄それぞれにおける
切替状況に応じた１２ビットのデジタル値Ｄ₁₁〜Ｄ₀が
容量制御部３０３に記憶されている。そして、第４段階
が終了した後、この１２ビットのデジタル値Ｄ₁₁〜Ｄ ₀
が容量制御部３０３より出力される。

【００６５】このＡ／Ｄ変換回路３０_nでは、可変容量
部３１０，３２０および３３０それぞれに含まれる容量
素子ならびに帰還容量部Ｃ₃₀₂の全体がチップ上で占有
する面積は、容量値６１Ｃ（＝３(８Ｃ＋４Ｃ＋２Ｃ＋
Ｃ)＋１６Ｃ）の容量素子１つ分の占有面積に相当す
る。一方、従来の１２ビットデジタル値を出力するＡ／
Ｄ変換回路では、１２個の容量素子が占有する面積は、
容量値２¹²Ｃの容量素子１つ分の占有面積に相当する。
このように、本実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路３０
_nは、従来のものと比較して、容量素子の占有面積が１
／６７である。

【００６６】したがって、このような占有面積が小さい
Ａ／Ｄ変換回路３０_nを含む光検出装置１は、積分回路
２０毎にＡ／Ｄ変換回路３０を設けることにより高速化
を図ることができ、Ａ／Ｄ変換回路３０_nから出力され
るデジタル値のビット数を多くすることにより高精度化
を図ることもでき、また、フォトダイオードＰＤの個数
を多くすることにより高解像度化を図ることもできる。
また、従来のＡ／Ｄ変換回路における最大容量値が２¹¹
Ｃであるのに対して、本実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路
３０_nにおける最大容量値は１６Ｃであるので、本実施
形態に係るＡ／Ｄ変換回路３０_nでは、寄生容量が小さ
く、この点でもＡ／Ｄ変換処理を高速に行うことができ
る。

【００６７】以上のようにして、各ユニット１００_nの
Ａ／Ｄ変換回路３０_nより、Ｍ個の光検出セル１０_1,n〜
１０_M,nそれぞれに対応するＭ個のデジタル値Ｄ_1,n〜Ｄ
_M,nが時系列に並んだデジタル値として出力される。ま
た、Ｎ個のユニット１００₁〜１００_nそれぞれは並列動
作する。したがって、各ユニット１００_nのスイッチＳ
Ｗ_n03が順次に閉じると、第１行のデジタル値Ｄ_1,1〜Ｄ
_1,N，第２行のデジタル値Ｄ_2,1〜Ｄ_2,N，……，第ｍ行
のデジタル値Ｄ_m,1〜Ｄ_m,N，……，第Ｍ行のデジタル値
Ｄ_M,1〜Ｄ_M,Nは、この順にデジタル演算回路４０に入力
し、デジタル演算回路４０内のレジスタに記憶される。

【００６８】そして、デジタル演算回路４０において、
このデジタル値に基づいてデジタル演算が行われて、そ
の演算結果が出力される。例えば、入力したデジタル値
に基づいて各行の重心位置Ｐ_mを求めるには、

【数１７】 なる式に基づいてデジタル演算が行われる。このように
することで、第２フレームにおける光像（信号光成分＋
背景光成分）から第１フレームにおける光像（背景光成
分）が差し引かれて、信号光成分のみからなる光像にお
ける各行の重心位置がデジタル値として得られる。した
がって、この光検出装置１は、測定対象物９が明るい空
間に置かれていても、測定対象物９までの距離または測
定対象物９の形状を、正確に簡易な構成で測定すること
ができる。

【００６９】また、本実施形態に係る光検出装置１の検
出部は、１画素当たりに必要な素子がフォトダイオード
ＰＤ、セル容量部Ｃ_dおよびスイッチＳＷ₀のみであり、
従来技術のものと比べて回路規模が格段に小さい。特
に、セル容量部Ｃ_dとしてフォトダイオードＰＤの接合
容量を利用する場合には、更に回路規模が小さい。した
がって、この光検出装置１は、１画素当たりに占める回
路部占有面積が小さく、各画素の開口率が高く、光応答
特性が優れたものとなる。

【００７０】次に、他の実施形態に係る光検出装置につ
いて説明する。他の実施形態に係る光検出装置は、上記
の実施形態に係る光検出装置１と比べて積分回路２１の
構成が異なる。図１１は、他の実施形態に係る光検出装
置の各積分回路２１の回路図である。積分回路２１は、
入力端子と出力端子との間に互いに並列に、アンプ
Ａ ₂、積分容量部Ｃ_f21、スイッチＳＷ₂₁、ならびに、互
いに直列的に接続されたスイッチＳＷ₂₂および積分容量
部Ｃ_f22が接続されている。アンプＡ₂は、その反転入力
端子がスイッチＳＷ_n01と接続され、非反転入力端子が
基準電圧値Ｖ_inp1とされている。積分容量部Ｃ_f21、ス
イッチＳＷ₂₁、ならびに、互いに直列的に接続されたス
イッチＳＷ₂₂および積分容量部Ｃ_f22は、アンプＡ₂の反
転入力端子と出力端子との間に設けられている。積分容
量部Ｃ_f21および積分容量部Ｃ_f22それぞれの容量値の和
は、各光検出セル１０_m,nそれぞれのセル容量部Ｃ_dの容
量値と等しい。

【００７１】図１１に示された積分回路２１の動作につ
いて説明する。図１２は、他の実施形態に係る光検出装
置の各ユニット１００_nの動作タイミングを示すタイミ
ングチャートである。同図（ａ）は、各スイッチの開閉
タイミングおよび発光素子５の発光タイミングを示す。
同図（ｂ）は、第１フレームと第２フレームとで光検出
セル１０_m,nへ入射する光の強度が等しい場合の各信号
レベルを示す。また、同図（ｃ）は、第１フレームより
第２フレームで光検出セル１０_m,nへ入射する光の強度
が大きい場合の各信号レベルを示す。同図（ａ）に示さ
れるように、時刻ｔ₀から時刻ｔ₄までの第１フレームで
は発光素子５は発光せず、続く時刻ｔ₄から時刻ｔ₈まで
の第２フレームでは発光素子５は発光している。このよ
うな第１フレームと第２フレームとが交互に繰り返され
る。

【００７２】他の実施形態に係る光検出装置の動作は、
上記の実施形態に係る光検出装置１の動作と略同様であ
る。ただし、積分回路２１のスイッチＳＷ₂₂は、第１フ
レームでは閉じていて、第２フレームでは開いている。

【００７３】積分回路２１のスイッチＳＷ₂₂が閉じてい
る第１フレームでは、積分回路２１において電荷を蓄積
するものは、互いに並列的に設けられた積分容量部Ｃ
_f21および積分容量部Ｃ_f22の双方である。また、積分容
量部Ｃ_f21および積分容量部Ｃ _f22それぞれの容量値の和
は、光検出セル１０_m,nのセル容量部Ｃ_dの容量値と等し
い。したがって、この第１フレームでは、光検出装置の
動作は、上記の実施形態の光検出装置１の動作と同様で
ある。

【００７４】一方、積分回路２１のスイッチＳＷ₂₂が開
いている第２フレームでは、積分回路２１において電荷
を蓄積するものは、積分容量部Ｃ_f21のみであって、そ
の容量値が小さくなる。したがって、上記実施形態の光
検出装置１の場合と同様の入射光強度変化があるとする
と、他の実施形態に係る光検出装置では、時刻ｔ₆以降
に積分回路２１から出力される積分値は、上記実施形態
の光検出装置１と比較して、（(Ｃ_f21＋Ｃ_f22)／
Ｃ_f21）倍だけ大きくなり、感度が高くなる。

【００７５】以上のように、この光検出装置は、上記の
実施形態に係る光検出装置１が奏する効果と同様の効果
を奏する他、第１フレームよりも第２フレームにおいて
積分回路２１の積分容量部の容量値を小さくすることに
より、背景光成分が除去された後の信号光成分を高感度
に検出することができ、これにより距離または形状を高
感度に測定することができる。

【００７６】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、一般に、
光検出装置１の各Ａ／Ｄ変換回路３０_nに含まれる可変
容量部の個数Ｍは１以上であり、Ｍ個の可変容量部のう
ち第ｍ（１≦ｍ≦Ｍ）の可変容量部に含まれる容量素子
の個数Ｎ_mは１以上であり、第ｍの可変容量部に含まれ
るＮ_m個の容量素子それぞれの他端（アンプの入力端子
に接続される一端とは逆の側）に入力する参照電圧値の
レベル数Ｑ_mは１以上としてよい。第ｍの可変容量部に
含まれるＮ_m個の容量素子それぞれの容量値をＣ_m,1〜Ｃ
_m,Nmとし、第ｍの可変容量部に供給される参照電圧値を
Ｖ_ref,m,1〜Ｖ_ref,m,Qmとすると、各ｍ値、各ｎ値（１
≦ｎ≦Ｎ_m）および各ｑ値（１≦ｑ≦Ｑ_m）について、Ｃ
_m,n・Ｖ_{re f,m,q} の各値が互いに異なるように設定され
る。また、Ｃ_m,n・Ｖ_ref,m,q の各値は、昇順に並べたと
きに公比が２である等比数列であるのが好適である。Ａ
／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値のビット数は、

【数１８】 なる式で表される。

【００７７】上記の実施形態では、Ａ／Ｄ変換回路から
出力されるデジタル値のビット数は１２であったが、他
の任意の数であってもよい。上記実施形態では Ｍ＝
３、各Ｎ_m＝４、各Ｑ_m＝１ であったが、一般にはＭが
２以上の任意の数であって、各Ｎ_mも２以上の任意の数
であってよい。また、Ｍ＝１、Ｎ₁が２以上の任意の数
であって、Ｑ₁も２以上の任意の数であってよく、この
場合には、Ｎ₁個の容量素子がチップ上で占有する面積
が更に小さい。また、Ｍ＝１、Ｎ₁＝１、Ｑ₁が２以上の
任意の数であってよく、この場合には、１個の容量素子
がチップ上で占有する面積が更に小さい。また、Ｍが２
以上の任意の整数であって、各Ｎ_m＝１、各Ｑ_m＝１ で
あってもよい。Ｍが２以上の整数であって、各Ｎ_mが異
なっていてもよいし、各Ｑ_mが異なっていてもよい。

【００７８】

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり、本発明に
よれば、或る一定期間における光像（信号光成分＋背景
光成分）から他の一定期間における光像（背景光成分）
が差し引かれて、信号光成分のみからなる光像における
重心位置がデジタル値として得られる。したがって、測
定対象物が明るい空間に置かれていても、測定対象物ま
での距離または測定対象物の形状が正確に簡易な構成で
測定され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る光検出装置１の構成図であ
る。

【図２】本実施形態に係る光検出装置１の投光部の説明
図である。

【図３】本実施形態に係る光検出装置１の検出部２の概
略構成図である。

【図４】本実施形態に係る光検出装置１の各光検出セル
１０_m,nの回路図である。

【図５】本実施形態に係る光検出装置１の各積分回路２
０_nの回路図である。

【図６】本実施形態に係る光検出装置１の各Ａ／Ｄ変換
回路３０_nの回路図である。

【図７】本実施形態に係る光検出装置１の各ユニット１
００_nの動作タイミングを示すタイミングチャートであ
る。

【図８】Ａ／Ｄ変換回路３０_nに入力する電圧値Ｖ_inと
４つのビットＤ₁₁〜Ｄ₈それぞれの値との関係を示す図
表である。

【図９】電圧値Ｖ₁と４つのビットＤ₇〜Ｄ₄それぞれの
値との関係を示す図表である。

【図１０】電圧値Ｖ₂と４つのビットＤ₃〜Ｄ₀それぞれ
の値との関係を示す図表である。

【図１１】他の実施形態に係る光検出装置の各積分回路
２１の回路図である。

【図１２】他の実施形態に係る光検出装置の各ユニット
１００_nの動作タイミングを示すタイミングチャートで
ある。

【符号の説明】

１…光検出装置、２…検出部、３…結像光学系、４…駆
動部、５…発光素子、６…投光光学系、７…制御部、９
…測定対象物、１０_1,1〜１０_M,N…光検出セル、２０₁
〜２０_M…積分回路、３０₁〜３０_M…Ａ／Ｄ変換回路、
４０…デジタル演算回路、３０１…アンプ、３０２…比
較部、３０３…容量制御部、３１０，３２０，３３０…
可変容量部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 向坂 直久 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA53 BB05 FF01 FF44 GG06 HH04 HH05 HH13 JJ03 JJ05 JJ26 LL08 QQ03 2F112 AA06 AA08 BA09 CA12 DA28 FA07 FA12 FA29 FA31 2G065 AA18 BA09 BA34 BC15 BC28 BC35 CA05

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象物へ投光して前記測定対象物上
   の投光位置を検出する光検出装置であって、 入射光強度に応じた電荷を発生するフォトダイオード
   と、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する容
   量値Ｃ_dのセル容量部と、を各々有して配列された複数
   の光検出セルと、 容量値Ｃ_dの積分容量部を有し、入力端子に入力した電
   荷を前記積分容量部に蓄積して、その蓄積された電荷の
   量に応じた積分値を出力端子より出力する積分回路と、 前記光検出セルと前記積分回路の前記入力端子との間に
   設けられた第１のスイッチと、 前記積分回路の前記出力端子と前記光検出セルとの間に
   設けられた第２のスイッチと、 前記積分回路の前記出力端子から出力された積分値を入
   力し、この積分値をＡ／Ｄ変換して、この積分値に応じ
   たデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路と、 前記Ａ／Ｄ変換回路から出力されたデジタル値を入力
   し、このデジタル値に基づいて重心位置を求めるデジタ
   ル演算を行って、その演算結果を出力するデジタル演算
   回路と、 前記測定対象物へ向けて投光する投光部と、 前記投光部により前記測定対象物に投光された光の反射
   光を前記複数の光検出セルの配列面に結像させる結像光
   学系と、 前記積分回路、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッ
   チ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記デジタル演算回路および
   前記投光部それぞれの動作を制御する制御部と、 を備えることを特徴とする光検出装置。
2. 【請求項２】 前記制御部は、 第１の期間に、前記投光部より投光させることなく、前
   記第２のスイッチを開き、前記第１のスイッチを閉じ
   て、前記光検出セルの前記セル容量部に蓄積されている
   電荷を前記積分回路の前記積分容量部に移動させ、 前記第１の期間の後の第２の期間に、前記第１のスイッ
   チを開き、前記第２のスイッチを閉じて、前記積分回路
   の前記積分容量部に蓄積されている電荷を前記光検出セ
   ルの前記セル容量部に移動させ、 前記第２の期間の後の第３の期間に、前記投光部より投
   光させ、前記第２のスイッチを開き、前記第１のスイッ
   チを閉じて、前記光検出セルの前記セル容量部に蓄積さ
   れている電荷を前記積分回路の前記積分容量部に移動さ
   せ、 前記第３の期間の後の第４の期間に、前記Ａ／Ｄ変換回
   路にＡ／Ｄ変換を行わせる、 ことを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
3. 【請求項３】 測定対象物へ投光して前記測定対象物上
   の投光位置を検出する光検出装置であって、 入射光強度に応じた電荷を発生するフォトダイオード
   と、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する容
   量値Ｃ_dのセル容量部と、を各々有して配列された複数
   の光検出セルと、 容量値が容量値Ｃ_dおよびこれより小さい値の何れかに
   切り替え可能な積分容量部を有し、入力端子に入力した
   電荷を前記積分容量部に蓄積して、その蓄積された電荷
   の量に応じた積分値を出力端子より出力する積分回路
   と、 前記光検出セルと前記積分回路の前記入力端子との間に
   設けられた第１のスイッチと、 前記積分回路の前記出力端子と前記光検出セルとの間に
   設けられた第２のスイッチと、 前記積分回路の前記出力端子から出力された積分値を入
   力し、この積分値をＡ／Ｄ変換して、この積分値に応じ
   たデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路と、 前記Ａ／Ｄ変換回路から出力されたデジタル値を入力
   し、このデジタル値に基づいて重心位置を求めるデジタ
   ル演算を行って、その演算結果を出力するデジタル演算
   回路と、 前記測定対象物へ向けて投光する投光部と、 前記投光部により前記測定対象物に投光された光の反射
   光を前記複数の光検出セルの配列面に結像させる結像光
   学系と、 前記積分回路、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッ
   チ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記デジタル演算回路および
   前記投光部それぞれの動作を制御する制御部と、 を備えることを特徴とする光検出装置。
4. 【請求項４】 前記制御部は、 第１の期間に、前記投光部より投光させることなく、前
   記積分回路の前記積分容量部の容量値をＣ_dに切り替
   え、前記第２のスイッチを開き、前記第１のスイッチを
   閉じて、前記光検出セルの前記セル容量部に蓄積されて
   いる電荷を前記積分回路の前記積分容量部に移動させ、 前記第１の期間の後の第２の期間に、前記第１のスイッ
   チを開き、前記第２のスイッチを閉じて、前記積分回路
   の前記積分容量部に蓄積されている電荷を前記光検出セ
   ルの前記セル容量部に移動させ、 前記第２の期間の後の第３の期間に、前記投光部より投
   光させ、前記積分回路の前記積分容量部の容量値をＣ_d
   より小さい値に切り替え、前記第２のスイッチを開き、
   前記第１のスイッチを閉じて、前記光検出セルの前記セ
   ル容量部に蓄積されている電荷を前記積分回路の前記積
   分容量部に移動させ、 前記第３の期間の後の第４の期間に、前記Ａ／Ｄ変換回
   路にＡ／Ｄ変換を行わせる、 ことを特徴とする請求項３記載の光検出装置。
5. 【請求項５】 前記複数の光検出セルは互いに直交する
   第１方位および第２方位の双方に平行な面上に２次元配
   列されており、 前記投光部は前記第１方位に延びるスリット光を投光
   し、 前記デジタル演算回路は前記第２方位に関して重心位置
   を求めるデジタル演算を行う、 ことを特徴とする請求項１または３に記載の光検出装
   置。
6. 【請求項６】 前記複数の光検出セルは２次元配列さ
   れ、 前記積分回路、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッ
   チおよび前記Ａ／Ｄ変換回路それぞれは前記複数の光検
   出セルの列毎に設けられている、 ことを特徴とする請求項１または３に記載の光検出装
   置。