JP3581031B2 - 光検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光検出装置に関し、更に詳しくは、カメラ等に効果的に用いられる光検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、カメラのオートフォーカス（ＡＦ）には、大別してパッシブ方式とアクティブ方式と呼ばれるものがあり、前者は被写体を２つのレンズ（セパレータ・レンズ）を通し２ 像に分割して各々の像をセンサで検出し、検出された２像の間隔より測距するものであり、後者はカメラ本体からＬＥＤ等で被写体へ投光を行い、その反射光の位置を検出して測距するものである。そして前者は被写体が暗い場合や被写体のコントラストが低い場合に測距精度が低下するという問題があり、後者には被写体の背景が明るいとＬＥＤからの投光が検出できないという問題があり、両方式とも得意・不得意な領域を残している。
【０００３】
このような問題がある中、アクティブ方式ＡＦ用のセンサで、背景光を除去してＡＦ可能な撮影シーンを広げることのできるラインセンサが特開昭６４―１８２５５号公報に開示されている。図９に前記公報開示のラインセンサの一画素の構成を示し、図１０にアクティブ方式ＡＦモジュールの構成を示す。
【０００４】
図９に示す検出セル１０１では、ＭＯＳトランジスタＦＴ６のドレインＤ６ にはｐチャンネル型のＭＯＳトランジスタＦＴ１０のドレインＤ１０が接続されている。ＭＯＳトランジスタＦＴ１０のソースＳ１０は基準電位Ｖｒｅｆ に保持され、ゲートＧ１０には容量素子１０７の一端が図示のように接続されている。又、上述のＭＯＳトランジスタＦＴ６のドレインＤ６ にはｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタＦＴ１１が図示のように接続されている。ＭＯＳトランジスタＦＴ１１はゲートＧ１１ にスイッチ信号ＳＷが加わることで、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０のゲートＧ１０ とドレインＤ１０とを導通したり遮断したりするようになっている。このような構成の検出セル１０１を備えた固体撮像素子を図１０の受光素子１２４に用いる場合には、被写体１２２の測距を行うのに先立ち信号光以外の光、即ち背景光によってフォトダイオード１０２で発生する光電流ＩＳＨＯ 分の電荷を容量素子１０７に記憶するようになっている。
【０００５】
また、上述のフォトダイオード１０２は、図示のようにＭＯＳトランジスタＦＴ０の一端に接続され、ＦＴ０の他端はスイッチングトランジスタＦＴ１の一端に接続されている。このスイッチングトランジスタＦＴ１は容量素子１０５の一端に接続され、ゲートＧ１ に情報蓄積信号ＤＴが加わることで、スイッチング動作を行う。容量素子１０５は、更に、図示のようにスイッチング素子ＦＴ３と接続され、そのゲートＧ３ にリセット信号ＲＳＴを加えて同素子を導通せしめ、容量素子１０５の端子電圧値Ｖ０ を基準電位Ｖｒｅｆ に初期設定する。尚、図９ の回路構成のうち、トランジスタＦＴ４、ＦＴ５、トランジスタＦＴ７とＦＴ８からなる定電流源１０３、及び容量素子１０５は上述の回路構成で検出された信号を出力するための回路であり、容量素子１０５の端子電圧Ｖ０ に対応した出力を後述する方法でビデオライン１０４へ出力する。
【０００６】
上述の回路において背景光を記憶する場合、測距を行うのに先立ち、スイッチングトランジスタＦＴ１のゲートＧ１ に情報蓄積信号ＤＴを供給せず、フォトダイオード１０２と容量素子１０５とを切り離しておく。更に、スイッチング素子ＦＴ３のゲートＧ３ にリセット信号ＲＳＴを加えて上述のように容量素子１０５の端子電圧値Ｖ０ を基準電位Ｖｒｅｆ に初期設定する。又、光源１２０、従って、ＬＥＤを駆動せず、信号光をフォトダイオード１０２に入射させずに背景光だけが受光素子１２４に入射するようにし、更にスイッチ信号ＳＷをハイレベルにしてＭＯＳトランジスタＦＴ１１をＯＮにしておく。このような状態では、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０は所定の抵抗値を持つ負荷として機能し、背景光によりフォトダイオード１０２に発生する光電流ＩＳＨＯ は基準電位Ｖｒｅｆ から供給されてＭＯＳトランジスタＦＴ１０、トランジスタＦＴ６を介してフォトダイオード１０２に流れる。
【０００７】
上述のように、このときフォトダイオード１０２と容量素子１０５とは切り離されている。従って、容量素子１０７の端子電圧値は、背景光による光電流ＩＳＨＯ が流れることにより負荷として機能するＭＯＳトランジスタＦＴ１０の抵抗分だけ基準電位Ｖｒｅｆ よりも降下した電位となる。即ち、容量素子１０７には背景光による光電流ＩＳＨＯ に対応した電荷が蓄積される。
【０００８】
容量素子１０７に蓄積される電荷量が飽和状態となったときには、蓄積された電荷量は背景光による光電流ＩＳＨＯ により蓄積された電荷を容量素子１０７に記憶させることができる。即ち、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０のゲートＧ１０の電圧として背景光による光電流ＩＳＨＯ を記憶させることができる。
【０００９】
この状態で容量素子１０５への信号光である画素情報の信号蓄積を開始することができる。即ち、光源１２０を駆動して信号光を受光素子１２４、従って、フォトダイオード１０２に入射させると同時に情報蓄積信号ＤＴをスイッチングトランジスタＦＴ１のゲートＧ１ に加えてスイッチングトランジスタＦＴ１をＯＮにし、容量素子１０５とフォトダイオード１０２とを導通状態にする。
【００１０】
フォトダイオード１０２には信号光に重畳した形で背景光が入射するが、背景光による光電流ＩＳＨＯ は、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０のゲートＧ１０に記憶された電圧に基づいて流れるので、容量素子１０５からフォトダイオード１０２に流れる電流は信号光による光電流ＩＳＨ’ だけとなる。
【００１１】
従って、容量素子１０５の端子電圧Ｖ０ は、信号光による光電流ＩＳＨ’ だけに基づいて初期値Ｖｒｅｆ から降下するため、信号光の強度だけに対応した電圧変化量が得られ、背景光の影響を除去した信号が検出できる。
【００１２】
このようにして蓄積された容量素子１０５の端子電圧Ｖ０ は、トランジスタＦＴ４と、トランジスタＦＴ７とＦＴ８とからなる定電流源１０３とで構成される電流増幅回路、即ち、ソースフォロワ回路とに接続されたスイッチング素子ＦＴ５を介してスイッチング素子ＦＴ５をＯＮすることでビデオライン１０４に読み出される。
【００１３】
このような検出セルを一次元又は二次元状に配列することによってラインセンサ又はエリアセンサを構成するものであるが、この公報に記載のラインセンサを要約すると、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０、ＦＴ１１、容量素子１０７で構成される電流記憶回路により背景光による光電流ＩＳＨＯ を記憶し、スイッチングトランジスタＦＴ１、トランジスタＦＴ３、容量素子１０５で構成される信号光による光電流検出回路により、光源から発した投光に対する光電荷のみを容量素子１０５に蓄積し読み出すことによって、背景光の影響を低減させるようにしたものである。
【００１４】
しかしながら、図９に示したセンサには以下に述べる不具合がある。即ち、ＭＯＳトランジスタＦＴ６のゲート印加電圧をＶＧ 、ゲート・ソース電圧をＶＧＳ６ 、ＭＯＳトランジスタＦＴ０のゲート・ソース電圧をＶＧＳ０ とすると、情報蓄積信号ＤＴがＯＦＦ、即ち容量素子１０７に背景光を記憶させる時は、フォトダイオード１０２の端子電圧ＶＰＤは次式（ １） のようになる。
ＶＰＤ＝ＶＧ ―ＶＧＳ６ （ ＩＳＨＯ）・・・・ （１）
このときＭＯＳトランジスタＦＴ０はＯＦＦ状態なので、ＶＰＤはＩＳＨＯ に対応した電圧がかかることになる。
【００１５】
次に、情報蓄積信号ＤＴがＯＮになった状態を考える。このときＭＯＳトランジスタＦＴ０のゲート印加電圧をＶＧ とすると、フォトダイオード１０２の端子電圧ＶＰＤ は以下に示す２通りの式で表される。
ＶＰＤ＝ＶＧ ―ＶＧＳ６ （ＩＳＨＯ）
ＶＰＤ＝ＶＧ ―ＶＧＳ０ （ＩＳＨ’） ・・・・ （２）
【００１６】
上式のように、フォトダイオード１０２の端子電圧ＶＰＤはゲート接地型の２つのＭＯＳトランジスタＦＴ６とＦＴ０の両者の影響を受けて電位が決まり、ＶＧＳ ６ ＝ＶＧＳ０ となるように帰還がかかる。例えばＭＯＳトランジスタＦＴ０とＦＴ６のドレイン電圧が上昇し、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０のソース・ドレイン間電圧が低くなり、電流記憶回路から流れ出す電流ＩＳＨＯ が記憶した値よりも小さくなる。その分ＭＯＳトランジスタＦＴ０を介して流れる電流が大きくなり、結局はＩＳＨＯ ＝ＩＳＨ’ となるような形で帰還がかかるため、容量素子１０５に蓄積される電荷は、背景光以外の影響を含んでしまう。即ち、図９に示した構成のラインセンサでは背景光に対して大幅な改善は望めないという問題点がある。
【００１７】
そこで、本発明者はこの点を解決した構成の固体撮像素子を特開平７―２０３３１９号公報に開示した。図１１はその一例を示す。
【００１８】
図１１において、トランジスタ１はソースをフォトダイオード２に、ドレインを蓄積容量素子５に接続している。このトランジスタ１のゲートには、ソース接地型増幅トランジスタ１０とその負荷として動作するゲートに固定電位ＶＢＩＡＳ１ が接続された負荷用トランジスタ１１とにより構成された反転回路１２の出力が接続されている。また、反転回路１２の入力、即ち、ソース接地型ｐＭＯＳトランジスタ１０のゲートはフォトダイオード２に接続されている。この反転回路１２とトランジスタ１は帰還ループを形成しており、フォトダイオード２は実質的に低インピーダンス状態が保たれるため、フォトダイオード２の電位は一定バイアスとなっておりフォトダイオード２で発生した光電荷はその大きさに関係なく定常的にトランジスタ１を介して蓄積容量素子５に流れる。
【００１９】
そこで、蓄積容量素子５と並列に、電流記憶用トランジスタ６と、電流記憶容量素子７と、ゲートに記憶する電流のサンプリング及びホールドを制御するための制御パルスΦＭＣが印加されるスイッチングトランジスタ８とにより構成された電流記憶回路１３を接続する。更に容量素子５の電圧を増幅して出力する増幅器１４を設けるとともに図示しない各画素に対応する前記増幅器１４に相当する各増幅器の出力をビデオライン４に選択的に出力するためのシフトレジスタ３にそれぞれゲートが接続された各選択用トランジスタ９（図では一つのみ表記）を各増幅器とビデオラインの間に設けている。
【００２０】
次にこのように構成された固体撮像素子の動作について説明する。この固体撮像素子の画素は、次のように動作させて背景光を除去しながら光源からの投光に対応した信号を読み出すようになっている。
【００２１】
まず、光源を投光しない状態でΦＭＣをＯＮすると、フォトダイオード２で発生した背景光による光電流ＩＰＤは全て電流記憶用トランジスタ６に流れ、ＩＰＤ＝ＩＭ となる。この時、ノードＮ１、即ち、蓄積容量素子５の電位はＩＭ に対応した電流記憶用トランジスタ６のソース・ゲート間電圧ＶＧＳとなる。
【００２２】
その後、スイッチングトランジスタ８をＯＮからＯＦＦ状態とする。トランジスタ８のフィードスルー電荷を無視すればこの状態でもＩＰＤ＝ＩＭ となり、ノードＮ１はフローティング状態で、電位はＶＧＳに保たれる。この状態で光源からの投光を行うと反射光を受けた画素のフォトダイオード電流は、投光による光電流ＩＰＤ’ が加わり、ＩＰＤ＋ＩＰＤ’ となる。すると、蓄積容量素子５には投光による光電流ＩＰＤ’ に対応した電荷のみが蓄積される。
【００２３】
投光終了後にこの容量素子５に蓄積された信号を増幅器１４を介して選択用トランジスタ９を順次ＯＮしながらビデオライン４より読み出す。このようにして全画素の出力を読み出し、投光に対応した反射光の受光素子上での位置を知ることができる。
【００２４】
このような構成によれば図９の構成における前記のような問題が解決でき、背景光を効果的に除去しながら投光を検出できるが、検討の結果、更に、以下のような問題があることが判明した。
【００２５】
（ １） 蓄積容量素子５に投光による光電流ＩＰＤ’ が蓄積されるとノードＮ１の電圧が変化するため記憶電流ＩＭ を発生するトランジスタ６のソース・ドレイン間の電圧が変化し、記憶電流ＩＭ の値が記憶時の値からずれてくる。このため、背景光による光電流ＩＰＤ、即ち、記憶電流ＩＭ が投光による光電流ＩＰＤ’ に比較して大きい場合、上記投光による光電流ＩＰＤ’ に対する記憶電流ＩＭ のずれ量の影響も大きく、投光による光電流ＩＰＤ’ が正確に測定できなくなる。
【００２６】
（ ２） 初段の反転回路１２とトランジスタ１で構成される回路の周波数帯域が、背景光による光電流ＩＰＤによりトランジスタ１のコンダクタが変わるために光電流に依存して変化する。特に、背景光による光電流ＩＰＤが小さい場合はコンダクタンスが非常に小さくなるために前記回路の周波数帯域を上げるのが困難になる。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたもので、投光による光電流の検出時に、背景光による光電流が精度良く除去でき、光電流を検出する系の周波数帯域がフォトダイオード電流に依存しない光検出装置を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明による光検出装置は、背景光または投光された信号光を受光して光電変換することにより前記背景光または前記投光された信号光による光電流を得る光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した前記背景光による光電流を流すためにソースが前記光電変換素子に接続されるとともに、ドレインを介して前記背景光による光電流を接地電位へ流れるようになされたトランジスタと、入力側が前記光電変換素子と前記トランジスタのソースとの接続部に接続されるとともに、前記投光された信号光による光電流を検出するための検出素子を前記入力側と出力側の間に備えた反転増幅器（１２）と、一端が前記反転増幅器の入力側及び前記トランジスタのソースに接続され、他端が前記トランジスタのゲートに接続された、前記背景光による光電流に対応した信号を記憶する信号記憶回路と、一端が前記反転増幅器（１２）の出力側に接続され、他端が前記トランジスタのゲート及び前記信号記憶回路に接続された、前記信号記憶回路への信号の記憶を制御する記憶用スイッチと、を有し、前記投光された信号光による光電流に対応した出力のみを前記反転増幅器（１２）の出力変化によって検出するものである。
【００２９】
本発明の光検出装置では、前記反転増幅器（１２）は前記検出素子として入出力間に信号蓄積のための蓄積容量（５）及び該蓄積容量をリセットするためのリセットスイッチ（１６）を備えるとともに、前記反転増幅器（１２）の出力側が入力側に接続され、入出力間に信号蓄積のための蓄積容量（１９）及び該蓄積容量をリセットするためのリセットスイッチ（２０）が設けられた容量結合型の反転増幅回路（２１）とを有するものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
【００３６】
図１は本発明の第１ の実施の形態を示し、例えば、図１０のアクティブ方式ＡＦモジュールの受光素子１２４として適用可能なものである。尚、図１において、既述の従来例と同様の回路要素は同じ符号により示してある。尚、測距のために被写体へ投光する光源としては、図１０の光源１２０に相当するものとして、ＬＥＤ等を用いるものとする。
【００３７】
フォトダイオード２は一端が電源に接続され、他端が光信号を検出するトランジスタ１のソースに接続されている。トランジスタ１のドレインは接地され、ゲートはスイッチングトランジスタ等で構成される記憶用スイッチ１５を介して反転増幅器１２の出力に接続されている。また、トランジスタ１のソース・ゲート間に光電流記憶用の容量素子７を設けるとともに、このソースとフォトダイオード２の接続点は反転増幅器１２の入力に接続されている。この反転増幅器１２は、例えば図１１の１２で示されるｐ型ＭＯＳトランジスタ１０とｎ型ＭＯＳトランジスタ１１で構成されるＣＭＯＳ構成の反転増幅器などを含んで構成されていて、入出力間に光電流を検出するための帰還をかける要素として容量素子５が接続された構成となっている。
【００３８】
図２ は、図１の回路により背景光除去動作を行って投光信号を検出する場合のタイムチャートである。図中、ＳＷ１５は記憶用スイッチ１５の動作、光源は既述の光源としてのＬＥＤの発光タイミング、Ｖｓ は反転増幅器１２の出力電圧（即ち、本発明の装置の出力）を夫々表している。以下、図２ を用いて図１ の回路の動作について説明する。
【００３９】
期間Ｔ１ は被写体へＬＥＤを投光しないで背景光のみを記憶する期間である。期間Ｔ１において記憶用スイッチ１５をＯＮすると、フォトダイオード２で発生した背景光による光電流ＩＰＤがトランジスタ１を介してグランドへ流れるように、トランジスタ１のゲート電圧に反転増幅器１２を介して帰還がかかる。これによりトランジスタ１のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓは背景光による光電流ＩＰＤに対応した電圧値となる。この状態で記憶用スイッチ１５をＯＦＦしても背景光記憶用の容量素子７に電荷が保持されるためトランジスタ１のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓは変化せず、トランジスタ１を介して背景光による光電流ＩＰＤが流れ続ける。
【００４０】
次に期間Ｔ２でＬＥＤをＯＮして被写体へ投光すると、投光による光電流ＩＰＤ’ が背景光による光電流ＩＰＤに重畳される。背景光による光電流ＩＰＤはトランジスタ１より排出されるので、投光による光電流ＩＰＤ’ が投光光検出用の容量素子５に蓄積される。これにより、反転増幅器１２の出力はＬＥＤ投光時間をｔ、投光光検出用の容量素子５の容量をＣ２ とすると ＩＰＤ’ ・ｔ／Ｃ２ だけ出力電圧Ｖｓ が変化する。
【００４１】
このように、図１の構成を用いることにより投光による光電流ＩＰＤ’ のみが検出可能になる。即ち、この構成によれば、投光により反転増幅器１２の出力が変化しても投光による光電流ＩＰＤ’ が正確に検出できる。これは、トランジスタ１のソース電圧は、反転増幅器１２のオープンループ・ゲインをＡｖとすると出力変化に対して１／Ａｖに圧縮されるため、トランジスタ１のソース・ドレイン間電圧は殆ど変わらず背景光による光電流ＩＰＤの値は略一定に保持されるからである。また、記憶用スイッチ１５をＯＦＦした状態では、文献 ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２２２６ （１９９４） 等により公知であるように、投光光検出用の容量素子５が入出力間に接続された反転増幅器１２の周波数帯域は光電流に依存せず、このため設計の自由度が大きい。
【００４２】
さらに、図１１の構成と比較してわかるように図１ において、投光光検出用の容量素子５が入出力間に接続された反転増幅器１２がトランジスタ１に帰還をかける機能と光電流積分出力を増幅する機能とを実現しているため、投光による光電流の正確な検出が少ない素子数で実現でき、従って消費電流を低く抑えることも可能になる。
【００４３】
ここで図１ の回路構成は、ＣＭＯＳ構造のデバイスで実現することができる。例えば、記憶用スイッチ１５にはＭＯＳトランジスタを用い、背景光記憶用の容量素子７にはＭＯＳのゲート容量を用いればよい。このとき、ＭＯＳのゲート容量はＣ−Ｖ特性の直線性を確保するため、ゲート酸化膜下の拡散層の濃度をＭＯＳトランジスタのそれよりも高くする。
【００４４】
また、背景光記憶用の容量素子７を実現する別の方法としてトランジスタ１そのもののゲート容量を利用することも可能である。この場合、所望の容量値が得られるようにゲート長及びゲート幅、即ち、ゲート面積を必要量まで大きくするように設定する。このような構成をとれば、個別の容量素子を形成して回路接続する場合に比べて、配線等のスペースが必要なくなる他、トランジスタ１の１／ｆ雑音も低減できるという効果が得られる。
【００４５】
図３ は、図１ の構成を改良した第２ の実施の形態である。図１ の構成では期間Ｔ１ での反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ はトランジスタ１のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓに依存し、更にＶｇｓは背景光による光電流ＩＰＤ に依存するため、期間Ｔ１ での反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ は背景光の明るさにより変化する。このため、期間Ｔ１に続く期間Ｔ２における投光光電流の検出時の基準電圧が背景光により変化する。
【００４６】
そこで、図３において、投光光検出用の容量素子５の蓄積電荷をリセットするために投光光検出用の容量素子５と並列にリセット用スイッチ１６を設け、投光による光電流ＩＰＤ’ に対する積分の開始前に期間Ｔ２ においてリセット用スイッチ１６をＯＮすることによって容量素子５の蓄積電荷をリセットし、常に一定電位より積分を開始するようにした。
【００４７】
ここで、リセット用スイッチ１６は、ＭＯＳトランジスタをスイッチングトランジスタとして用いることにより実現できる。
【００４８】
図４ は、図３ の回路の動作を表すタイムチャートである。図中、ＳＷ１５は記憶用スイッチ１５の動作、ＳＷ１６はリセット用スイッチ１６の動作、光源は既述の光源としてのＬＥＤの発光タイミング、Ｖｓ は反転増幅器１２の出力電圧（即ち、図３の光検出装置の出力）を夫々表している。図４において、期間Ｔ１ は非投光時の背景光を記憶する期間で、記憶用スイッチ１５をＯＮし、リセット用スイッチ１６をＯＦＦすることで背景光による光電流ＩＰＤが流れるようにトランジスタ１のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓが決まる。この状態で記憶用スイッチ１５をＯＦＦしてもトランジスタ１のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓは保持されるため背景光による光電流ＩＰＤは流れ続ける。
【００４９】
次に、上記の期間Ｔ１に続く期間Ｔ２においてリセット用スイッチ１６をＯＮすることで投光光検出用の容量素子５の蓄積電荷をリセットする。このリセットにより、反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ は、リセット時の該反転増幅器の回路の動作点に相当する電圧となる。そこでリセット用スイッチ１６をＯＦＦし、その後ＬＥＤによる投光を行う。このとき、図１ の回路におけると同様に、投光による光電流ＩＰＤ’ が投光光検出用の容量素子５に蓄積され、これに対応した出力電圧が反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ より検出できる。
【００５０】
図５ は、本発明の第３ の実施の形態を表す。本実施の形態では反転増幅器の帰還系として抵抗を用いて実現した例で、反転増幅器１２の入出力間にスイッチングトランジスタ等によるリセット用スイッチ１６とトランスインピーダンス用（光電流―電圧変換用）の抵抗１７を直列接続して投光光による光電流ＩＰＤ’ を検出する。
【００５１】
図６は図５の回路の動作を示すタイムチャートである。図中、ＳＷ１５は記憶用スイッチ１５の動作、ＳＷ１６はリセット用スイッチ１６の動作、光源は既述の光源としてのＬＥＤの発光タイミング、Ｖｓ は反転増幅器１２の出力電圧（即ち、図５の光検出装置の出力）を夫々表している。図６において、期間Ｔ１は、ＬＥＤによる投光を行わず、記憶用スイッチ１５をＯＮ、リセット用スイッチ１６をＯＦＦとして背景光による光電流ＩＰＤを容量素子７に記憶する。
【００５２】
次に、Ｔ１に続く期間Ｔ２で記憶用スイッチ１５をＯＦＦ、リセット用スイッチ１６をＯＮしてＬＥＤを非投光状態とすると、トランスインピーダンス用抵抗１７には電流が流れないので反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ は既述の実施形態と同様、該反転増幅器１２の回路の動作点に相当する電圧となる。
【００５３】
その後、ＬＥＤ投光を行うと投光による光電流ＩＰＤ’ の増加分により反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ は抵抗１７の抵抗値をＲｚ とすると、ＩＰＤ’ ・Ｒｚ だけ電圧が下がる。この電圧値を投光中に読み出すか、サンプルホールド回路等を用いて投光中の電位を保持した後読み出すことで投光による光電流ＩＰＤ’ を検出することが可能になる。
【００５４】
図７は、本発明の第４ の実施の形態を示しており、図３ の構成の検出回路の後段に容量結合型の反転増幅回路を設けたものである。
【００５５】
同図では、反転増幅器１２の出力と次段の反転増幅器２１の入力間に容量素子１８を接続し、前記次段の反転増幅器２１の入出力間に容量素子１９とリセットスイッチ２０とが並列に接続された構成となっている。反転増幅器２１の出力電圧Ｖｓ２、即ち図７ の態様の光検出装置の出力は、反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ の位相が反転されるとともに、ゲインＣ３ ／Ｃ４ で増幅された値として得られる。ここで、Ｃ３ は、容量素子１８の容量、Ｃ４ は、容量素子１９の容量を表す。
【００５６】
図８ は、前記図７の動作を表すタイムチャートである。図中、ＳＷ１５は記憶用スイッチ１５の動作、ＳＷ１６はリセット用スイッチ１６の動作、ＳＷ２０はリセット用スイッチ２０の動作、光源は既述の光源としてのＬＥＤの発光タイミング、Ｖｓ は反転増幅器１２の出力電圧（即ち、図３の光検出装置の出力）、Ｖｓ２は反転増幅器２１の出力電圧（即ち、図７の光検出装置の出力）を夫々表している。本実施例では反転増幅器１２のリセット用スイッチ１６をＬＥＤ投光、非投光のそれぞれの動作においてリセット動作を行い、２回の積分動作を行って両者の差を検出するものである。
【００５７】
期間Ｔ１は既述の実施形態と同様、背景光を記憶する期間で、記憶用スイッチ１５をＯＮ、リセット用スイッチ１６をＯＦＦしてトランジスタ１より背景光による光電流ＩＰＤが排出されるように背景光記憶用の容量素子７の電位が保持される。
【００５８】
記憶用スイッチ１５がＯＦＦすると、フィード・スルー電荷により背景光記憶用の容量素子７に保持された電荷量が変化してしまいトランジスタ１で流れる電流にΔＩＰＤ の誤差が生じる。この誤差成分ΔＩＰＤは反転増幅器１２の帰還系に流れる。そこで、期間Ｔ２でリセット用スイッチ１６をＯＮし、投光光検出用の容量素子５をリセットした後、期間Ｔ３で誤差成分ΔＩＰＤの積分を行う。
【００５９】
次に、期間Ｔ４で再びリセット用スイッチ１６をＯＮして蓄積電荷をリセットした後、期間Ｔ５でＬＥＤ投光を行い誤差成分ΔＩＰＤと投光による光電流ＩＰＤ’ とが加算された電流（ΔＩＰＤ＋ＩＰＤ’ ）の積分を行う。
【００６０】
期間Ｔ３と期間Ｔ５とは同一の積分時間とし、その積分値の差分をとることで投光による光電流ＩＰＤ’ に対する出力を検出する。ここで、差分に関しては１８〜２１で構成される容量結合型の反転増幅回路を以下のように動作させればよい。
【００６１】
期間Ｔ３の誤差電流成分ΔＩＰＤの積分終了時までリセットスイッチ２０をＯＮしておき、期間Ｔ４でリセット用スイッチ１６をＯＮする直前にリセットスイッチ２０をＯＦＦする。これにより、反転増幅器２１の出力電圧Ｖｓ２にはリセットスイッチ２０がＯＮからＯＦＦに変化した時点の反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ を基準にそれ以降のＶｓ の変化分が表れる。従って期間Ｔ５の積分終了時点の反転増幅器２１の出力電圧Ｖｓ２は期間Ｔ３の第１ 回目の積分終了時刻の反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ と期間Ｔ５の第２ 回目の積分終了時刻の反転増幅器２１の出力電圧Ｖｓ２との差電圧に対応した電圧、即ち、誤差電流成分ΔＩＰＤの成分が除去され、投光光電流ＩＰＤ’ に対応した電圧が以下に示す値で検出される。
【００６２】
ＩＰＤ’ ・ｔ／Ｃ２ ・Ｃ３ ／Ｃ４ （ｔはＬＥＤ投光時間）
【００６３】
このように、図７の構成によりトランジスタ１にて排出される電流が背景光による光電流ＩＰＤに対して誤差電流成分ΔＩＰＤを有していても正確に投光光による光電流ＩＰＤ’ に対応した電圧のみを検出することができる。
【００６４】
以上の各実施の形態では１つのフォトダイオードに対する信号処理について示したが、これは複数のフォトダイオードを一次元に並べてシフトレジスタ等で読み出すラインセンサにも応用できる他、受光素子としてＰＳＤ（位置検出素子）を用いた場合の光検出回路にも応用できる。
【００６５】
また、ラインセンサに用いる場合、トランジスタ１を完全にＯＦＦすることによりパッシブ用のラインセンサとして利用することも可能である。
【００６６】
上述した本発明の実施の形態によれば、各請求項の発明は、以下の効果を有する。
【００６７】
請求項２に係る本発明の光検出装置では、前記信号記憶回路へ光電変換素子からの出力信号を記憶するときと前記反転増幅器の出力を読み出すときとに対応したスイッチング動作をなすことにより、反転増幅器に帰還がかかり精度良く信号を記憶できる。また、光電流の大きさによらず正確な検出が可能になる。更に、反転増幅器一つで信号の保持と検出・増幅を行うので少ない素子数で回路を実現できるといった効果が得られる。
【００６８】
請求項３に係る本発明の光検出装置では、前記信号記憶回路は、 前記トランジスタのゲート容量を含んでなるものであり、更に、請求項４に係る本発明の光検出装置では、前記トランジスタのゲート面積の大きさによって形成される該トランジスタのゲート容量を含んでなるものであり、より少ない回路素子で光検出装置が実現できる。
【００６９】
請求項５に係る本発明の光検出装置では、前記反転増幅回路の入出力間に、 信号蓄積のための蓄積容量及び該蓄積容量をリセットする為の第２ のスイッチング素子が設けられたことにより、反転増幅回路による信号蓄積を常に一定値から蓄積可能となり、正確な信号検出が可能となる。
【００７０】
請求項６に係る本発明の光検出装置では、前記反転増幅回路の入出力間に、 抵抗及び該抵抗と直列接続した第３ のスイッチング素子が設けられたことにより、抵抗を用いても反転増幅器での信号検出が可能となる。
【００７１】
請求項７に係る本発明の光検出装置では、前記反転増幅器の出力が次段の反転増幅器に入力されるよう接続され、且つ、前記次段の反転増幅回路の入出力間に信号蓄積のための第２ の蓄積容量及び該第２ の蓄積容量をリセットする為の第４のスイッチング素子が設けられたことにより、検出動作中に発生する誤差成分が除去でき、更に精度の良い信号検出が可能になる。
【００７２】
【発明の効果】
以上のように、本発明による光検出装置は、背景光光電流に対応した信号を精度良く記憶することができ、また、光電流の大きさによらず、検出回路の周波数特性に依存しないで信号検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による装置の回路構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における背景光除去動作と信号出力を表すタイムチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態における蓄積電荷のリセット機能を備えた回路構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における背景光除去動作と信号出力を表すタイムチャートである。
【図５】本発明の第３の実施の形態における帰還系を抵抗とスイッチで構成した場合の回路構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態における背景光除去動作と信号出力を表すタイムチャートである。
【図７】本発明の第４の実施の形態における更に誤差分を除去可能な構成とした場合の回路構成を示すブロック図である。
【図８】上記図７の実施形態における背景光除去動作と信号出力を表すタイムチャートである。
【図９】従来の背景光除去回路例を示すブロック図である。
【図１０】従来のアクティブ方式の測距装置を表す概念図である。
【図１１】従来の背景光除去回路例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ トランジスタ
２ フォトダイオード（光電変換素子）
５ 投光光検出用の容量素子（Ｃ２ ）
７ 背景光記憶用の容量素子（Ｃ１ ）
１２ 反転増幅器
１５ 記憶用スイッチ（スイッチング素子）
１６ リセット用スイッチ
１７ 抵抗（Ｒｚ ）
１８ 容量素子（Ｃ３ ）
１９ 容量素子（Ｃ４ ）
２０ リセットスイッチ
２１ 次段の反転増幅器
【発明の属する技術分野】
本発明は光検出装置に関し、更に詳しくは、カメラ等に効果的に用いられる光検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、カメラのオートフォーカス（ＡＦ）には、大別してパッシブ方式とアクティブ方式と呼ばれるものがあり、前者は被写体を２つのレンズ（セパレータ・レンズ）を通し２ 像に分割して各々の像をセンサで検出し、検出された２像の間隔より測距するものであり、後者はカメラ本体からＬＥＤ等で被写体へ投光を行い、その反射光の位置を検出して測距するものである。そして前者は被写体が暗い場合や被写体のコントラストが低い場合に測距精度が低下するという問題があり、後者には被写体の背景が明るいとＬＥＤからの投光が検出できないという問題があり、両方式とも得意・不得意な領域を残している。
【０００３】
このような問題がある中、アクティブ方式ＡＦ用のセンサで、背景光を除去してＡＦ可能な撮影シーンを広げることのできるラインセンサが特開昭６４―１８２５５号公報に開示されている。図９に前記公報開示のラインセンサの一画素の構成を示し、図１０にアクティブ方式ＡＦモジュールの構成を示す。
【０００４】
図９に示す検出セル１０１では、ＭＯＳトランジスタＦＴ６のドレインＤ６ にはｐチャンネル型のＭＯＳトランジスタＦＴ１０のドレインＤ１０が接続されている。ＭＯＳトランジスタＦＴ１０のソースＳ１０は基準電位Ｖｒｅｆ に保持され、ゲートＧ１０には容量素子１０７の一端が図示のように接続されている。又、上述のＭＯＳトランジスタＦＴ６のドレインＤ６ にはｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタＦＴ１１が図示のように接続されている。ＭＯＳトランジスタＦＴ１１はゲートＧ１１ にスイッチ信号ＳＷが加わることで、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０のゲートＧ１０ とドレインＤ１０とを導通したり遮断したりするようになっている。このような構成の検出セル１０１を備えた固体撮像素子を図１０の受光素子１２４に用いる場合には、被写体１２２の測距を行うのに先立ち信号光以外の光、即ち背景光によってフォトダイオード１０２で発生する光電流ＩＳＨＯ 分の電荷を容量素子１０７に記憶するようになっている。
【０００５】
また、上述のフォトダイオード１０２は、図示のようにＭＯＳトランジスタＦＴ０の一端に接続され、ＦＴ０の他端はスイッチングトランジスタＦＴ１の一端に接続されている。このスイッチングトランジスタＦＴ１は容量素子１０５の一端に接続され、ゲートＧ１ に情報蓄積信号ＤＴが加わることで、スイッチング動作を行う。容量素子１０５は、更に、図示のようにスイッチング素子ＦＴ３と接続され、そのゲートＧ３ にリセット信号ＲＳＴを加えて同素子を導通せしめ、容量素子１０５の端子電圧値Ｖ０ を基準電位Ｖｒｅｆ に初期設定する。尚、図９ の回路構成のうち、トランジスタＦＴ４、ＦＴ５、トランジスタＦＴ７とＦＴ８からなる定電流源１０３、及び容量素子１０５は上述の回路構成で検出された信号を出力するための回路であり、容量素子１０５の端子電圧Ｖ０ に対応した出力を後述する方法でビデオライン１０４へ出力する。
【０００６】
上述の回路において背景光を記憶する場合、測距を行うのに先立ち、スイッチングトランジスタＦＴ１のゲートＧ１ に情報蓄積信号ＤＴを供給せず、フォトダイオード１０２と容量素子１０５とを切り離しておく。更に、スイッチング素子ＦＴ３のゲートＧ３ にリセット信号ＲＳＴを加えて上述のように容量素子１０５の端子電圧値Ｖ０ を基準電位Ｖｒｅｆ に初期設定する。又、光源１２０、従って、ＬＥＤを駆動せず、信号光をフォトダイオード１０２に入射させずに背景光だけが受光素子１２４に入射するようにし、更にスイッチ信号ＳＷをハイレベルにしてＭＯＳトランジスタＦＴ１１をＯＮにしておく。このような状態では、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０は所定の抵抗値を持つ負荷として機能し、背景光によりフォトダイオード１０２に発生する光電流ＩＳＨＯ は基準電位Ｖｒｅｆ から供給されてＭＯＳトランジスタＦＴ１０、トランジスタＦＴ６を介してフォトダイオード１０２に流れる。
【０００７】
上述のように、このときフォトダイオード１０２と容量素子１０５とは切り離されている。従って、容量素子１０７の端子電圧値は、背景光による光電流ＩＳＨＯ が流れることにより負荷として機能するＭＯＳトランジスタＦＴ１０の抵抗分だけ基準電位Ｖｒｅｆ よりも降下した電位となる。即ち、容量素子１０７には背景光による光電流ＩＳＨＯ に対応した電荷が蓄積される。
【０００８】
容量素子１０７に蓄積される電荷量が飽和状態となったときには、蓄積された電荷量は背景光による光電流ＩＳＨＯ により蓄積された電荷を容量素子１０７に記憶させることができる。即ち、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０のゲートＧ１０の電圧として背景光による光電流ＩＳＨＯ を記憶させることができる。
【０００９】
この状態で容量素子１０５への信号光である画素情報の信号蓄積を開始することができる。即ち、光源１２０を駆動して信号光を受光素子１２４、従って、フォトダイオード１０２に入射させると同時に情報蓄積信号ＤＴをスイッチングトランジスタＦＴ１のゲートＧ１ に加えてスイッチングトランジスタＦＴ１をＯＮにし、容量素子１０５とフォトダイオード１０２とを導通状態にする。
【００１０】
フォトダイオード１０２には信号光に重畳した形で背景光が入射するが、背景光による光電流ＩＳＨＯ は、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０のゲートＧ１０に記憶された電圧に基づいて流れるので、容量素子１０５からフォトダイオード１０２に流れる電流は信号光による光電流ＩＳＨ’ だけとなる。
【００１１】
従って、容量素子１０５の端子電圧Ｖ０ は、信号光による光電流ＩＳＨ’ だけに基づいて初期値Ｖｒｅｆ から降下するため、信号光の強度だけに対応した電圧変化量が得られ、背景光の影響を除去した信号が検出できる。
【００１２】
このようにして蓄積された容量素子１０５の端子電圧Ｖ０ は、トランジスタＦＴ４と、トランジスタＦＴ７とＦＴ８とからなる定電流源１０３とで構成される電流増幅回路、即ち、ソースフォロワ回路とに接続されたスイッチング素子ＦＴ５を介してスイッチング素子ＦＴ５をＯＮすることでビデオライン１０４に読み出される。
【００１３】
このような検出セルを一次元又は二次元状に配列することによってラインセンサ又はエリアセンサを構成するものであるが、この公報に記載のラインセンサを要約すると、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０、ＦＴ１１、容量素子１０７で構成される電流記憶回路により背景光による光電流ＩＳＨＯ を記憶し、スイッチングトランジスタＦＴ１、トランジスタＦＴ３、容量素子１０５で構成される信号光による光電流検出回路により、光源から発した投光に対する光電荷のみを容量素子１０５に蓄積し読み出すことによって、背景光の影響を低減させるようにしたものである。
【００１４】
しかしながら、図９に示したセンサには以下に述べる不具合がある。即ち、ＭＯＳトランジスタＦＴ６のゲート印加電圧をＶＧ 、ゲート・ソース電圧をＶＧＳ６ 、ＭＯＳトランジスタＦＴ０のゲート・ソース電圧をＶＧＳ０ とすると、情報蓄積信号ＤＴがＯＦＦ、即ち容量素子１０７に背景光を記憶させる時は、フォトダイオード１０２の端子電圧ＶＰＤは次式（ １） のようになる。
ＶＰＤ＝ＶＧ ―ＶＧＳ６ （ ＩＳＨＯ）・・・・ （１）
このときＭＯＳトランジスタＦＴ０はＯＦＦ状態なので、ＶＰＤはＩＳＨＯ に対応した電圧がかかることになる。
【００１５】
次に、情報蓄積信号ＤＴがＯＮになった状態を考える。このときＭＯＳトランジスタＦＴ０のゲート印加電圧をＶＧ とすると、フォトダイオード１０２の端子電圧ＶＰＤ は以下に示す２通りの式で表される。
ＶＰＤ＝ＶＧ ―ＶＧＳ６ （ＩＳＨＯ）
ＶＰＤ＝ＶＧ ―ＶＧＳ０ （ＩＳＨ’） ・・・・ （２）
【００１６】
上式のように、フォトダイオード１０２の端子電圧ＶＰＤはゲート接地型の２つのＭＯＳトランジスタＦＴ６とＦＴ０の両者の影響を受けて電位が決まり、ＶＧＳ ６ ＝ＶＧＳ０ となるように帰還がかかる。例えばＭＯＳトランジスタＦＴ０とＦＴ６のドレイン電圧が上昇し、ＭＯＳトランジスタＦＴ１０のソース・ドレイン間電圧が低くなり、電流記憶回路から流れ出す電流ＩＳＨＯ が記憶した値よりも小さくなる。その分ＭＯＳトランジスタＦＴ０を介して流れる電流が大きくなり、結局はＩＳＨＯ ＝ＩＳＨ’ となるような形で帰還がかかるため、容量素子１０５に蓄積される電荷は、背景光以外の影響を含んでしまう。即ち、図９に示した構成のラインセンサでは背景光に対して大幅な改善は望めないという問題点がある。
【００１７】
そこで、本発明者はこの点を解決した構成の固体撮像素子を特開平７―２０３３１９号公報に開示した。図１１はその一例を示す。
【００１８】
図１１において、トランジスタ１はソースをフォトダイオード２に、ドレインを蓄積容量素子５に接続している。このトランジスタ１のゲートには、ソース接地型増幅トランジスタ１０とその負荷として動作するゲートに固定電位ＶＢＩＡＳ１ が接続された負荷用トランジスタ１１とにより構成された反転回路１２の出力が接続されている。また、反転回路１２の入力、即ち、ソース接地型ｐＭＯＳトランジスタ１０のゲートはフォトダイオード２に接続されている。この反転回路１２とトランジスタ１は帰還ループを形成しており、フォトダイオード２は実質的に低インピーダンス状態が保たれるため、フォトダイオード２の電位は一定バイアスとなっておりフォトダイオード２で発生した光電荷はその大きさに関係なく定常的にトランジスタ１を介して蓄積容量素子５に流れる。
【００１９】
そこで、蓄積容量素子５と並列に、電流記憶用トランジスタ６と、電流記憶容量素子７と、ゲートに記憶する電流のサンプリング及びホールドを制御するための制御パルスΦＭＣが印加されるスイッチングトランジスタ８とにより構成された電流記憶回路１３を接続する。更に容量素子５の電圧を増幅して出力する増幅器１４を設けるとともに図示しない各画素に対応する前記増幅器１４に相当する各増幅器の出力をビデオライン４に選択的に出力するためのシフトレジスタ３にそれぞれゲートが接続された各選択用トランジスタ９（図では一つのみ表記）を各増幅器とビデオラインの間に設けている。
【００２０】
次にこのように構成された固体撮像素子の動作について説明する。この固体撮像素子の画素は、次のように動作させて背景光を除去しながら光源からの投光に対応した信号を読み出すようになっている。
【００２１】
まず、光源を投光しない状態でΦＭＣをＯＮすると、フォトダイオード２で発生した背景光による光電流ＩＰＤは全て電流記憶用トランジスタ６に流れ、ＩＰＤ＝ＩＭ となる。この時、ノードＮ１、即ち、蓄積容量素子５の電位はＩＭ に対応した電流記憶用トランジスタ６のソース・ゲート間電圧ＶＧＳとなる。
【００２２】
その後、スイッチングトランジスタ８をＯＮからＯＦＦ状態とする。トランジスタ８のフィードスルー電荷を無視すればこの状態でもＩＰＤ＝ＩＭ となり、ノードＮ１はフローティング状態で、電位はＶＧＳに保たれる。この状態で光源からの投光を行うと反射光を受けた画素のフォトダイオード電流は、投光による光電流ＩＰＤ’ が加わり、ＩＰＤ＋ＩＰＤ’ となる。すると、蓄積容量素子５には投光による光電流ＩＰＤ’ に対応した電荷のみが蓄積される。
【００２３】
投光終了後にこの容量素子５に蓄積された信号を増幅器１４を介して選択用トランジスタ９を順次ＯＮしながらビデオライン４より読み出す。このようにして全画素の出力を読み出し、投光に対応した反射光の受光素子上での位置を知ることができる。
【００２４】
このような構成によれば図９の構成における前記のような問題が解決でき、背景光を効果的に除去しながら投光を検出できるが、検討の結果、更に、以下のような問題があることが判明した。
【００２５】
（ １） 蓄積容量素子５に投光による光電流ＩＰＤ’ が蓄積されるとノードＮ１の電圧が変化するため記憶電流ＩＭ を発生するトランジスタ６のソース・ドレイン間の電圧が変化し、記憶電流ＩＭ の値が記憶時の値からずれてくる。このため、背景光による光電流ＩＰＤ、即ち、記憶電流ＩＭ が投光による光電流ＩＰＤ’ に比較して大きい場合、上記投光による光電流ＩＰＤ’ に対する記憶電流ＩＭ のずれ量の影響も大きく、投光による光電流ＩＰＤ’ が正確に測定できなくなる。
【００２６】
（ ２） 初段の反転回路１２とトランジスタ１で構成される回路の周波数帯域が、背景光による光電流ＩＰＤによりトランジスタ１のコンダクタが変わるために光電流に依存して変化する。特に、背景光による光電流ＩＰＤが小さい場合はコンダクタンスが非常に小さくなるために前記回路の周波数帯域を上げるのが困難になる。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたもので、投光による光電流の検出時に、背景光による光電流が精度良く除去でき、光電流を検出する系の周波数帯域がフォトダイオード電流に依存しない光検出装置を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明による光検出装置は、背景光または投光された信号光を受光して光電変換することにより前記背景光または前記投光された信号光による光電流を得る光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した前記背景光による光電流を流すためにソースが前記光電変換素子に接続されるとともに、ドレインを介して前記背景光による光電流を接地電位へ流れるようになされたトランジスタと、入力側が前記光電変換素子と前記トランジスタのソースとの接続部に接続されるとともに、前記投光された信号光による光電流を検出するための検出素子を前記入力側と出力側の間に備えた反転増幅器（１２）と、一端が前記反転増幅器の入力側及び前記トランジスタのソースに接続され、他端が前記トランジスタのゲートに接続された、前記背景光による光電流に対応した信号を記憶する信号記憶回路と、一端が前記反転増幅器（１２）の出力側に接続され、他端が前記トランジスタのゲート及び前記信号記憶回路に接続された、前記信号記憶回路への信号の記憶を制御する記憶用スイッチと、を有し、前記投光された信号光による光電流に対応した出力のみを前記反転増幅器（１２）の出力変化によって検出するものである。
【００２９】
本発明の光検出装置では、前記反転増幅器（１２）は前記検出素子として入出力間に信号蓄積のための蓄積容量（５）及び該蓄積容量をリセットするためのリセットスイッチ（１６）を備えるとともに、前記反転増幅器（１２）の出力側が入力側に接続され、入出力間に信号蓄積のための蓄積容量（１９）及び該蓄積容量をリセットするためのリセットスイッチ（２０）が設けられた容量結合型の反転増幅回路（２１）とを有するものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
【００３６】
図１は本発明の第１ の実施の形態を示し、例えば、図１０のアクティブ方式ＡＦモジュールの受光素子１２４として適用可能なものである。尚、図１において、既述の従来例と同様の回路要素は同じ符号により示してある。尚、測距のために被写体へ投光する光源としては、図１０の光源１２０に相当するものとして、ＬＥＤ等を用いるものとする。
【００３７】
フォトダイオード２は一端が電源に接続され、他端が光信号を検出するトランジスタ１のソースに接続されている。トランジスタ１のドレインは接地され、ゲートはスイッチングトランジスタ等で構成される記憶用スイッチ１５を介して反転増幅器１２の出力に接続されている。また、トランジスタ１のソース・ゲート間に光電流記憶用の容量素子７を設けるとともに、このソースとフォトダイオード２の接続点は反転増幅器１２の入力に接続されている。この反転増幅器１２は、例えば図１１の１２で示されるｐ型ＭＯＳトランジスタ１０とｎ型ＭＯＳトランジスタ１１で構成されるＣＭＯＳ構成の反転増幅器などを含んで構成されていて、入出力間に光電流を検出するための帰還をかける要素として容量素子５が接続された構成となっている。
【００３８】
図２ は、図１の回路により背景光除去動作を行って投光信号を検出する場合のタイムチャートである。図中、ＳＷ１５は記憶用スイッチ１５の動作、光源は既述の光源としてのＬＥＤの発光タイミング、Ｖｓ は反転増幅器１２の出力電圧（即ち、本発明の装置の出力）を夫々表している。以下、図２ を用いて図１ の回路の動作について説明する。
【００３９】
期間Ｔ１ は被写体へＬＥＤを投光しないで背景光のみを記憶する期間である。期間Ｔ１において記憶用スイッチ１５をＯＮすると、フォトダイオード２で発生した背景光による光電流ＩＰＤがトランジスタ１を介してグランドへ流れるように、トランジスタ１のゲート電圧に反転増幅器１２を介して帰還がかかる。これによりトランジスタ１のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓは背景光による光電流ＩＰＤに対応した電圧値となる。この状態で記憶用スイッチ１５をＯＦＦしても背景光記憶用の容量素子７に電荷が保持されるためトランジスタ１のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓは変化せず、トランジスタ１を介して背景光による光電流ＩＰＤが流れ続ける。
【００４０】
次に期間Ｔ２でＬＥＤをＯＮして被写体へ投光すると、投光による光電流ＩＰＤ’ が背景光による光電流ＩＰＤに重畳される。背景光による光電流ＩＰＤはトランジスタ１より排出されるので、投光による光電流ＩＰＤ’ が投光光検出用の容量素子５に蓄積される。これにより、反転増幅器１２の出力はＬＥＤ投光時間をｔ、投光光検出用の容量素子５の容量をＣ２ とすると ＩＰＤ’ ・ｔ／Ｃ２ だけ出力電圧Ｖｓ が変化する。
【００４１】
このように、図１の構成を用いることにより投光による光電流ＩＰＤ’ のみが検出可能になる。即ち、この構成によれば、投光により反転増幅器１２の出力が変化しても投光による光電流ＩＰＤ’ が正確に検出できる。これは、トランジスタ１のソース電圧は、反転増幅器１２のオープンループ・ゲインをＡｖとすると出力変化に対して１／Ａｖに圧縮されるため、トランジスタ１のソース・ドレイン間電圧は殆ど変わらず背景光による光電流ＩＰＤの値は略一定に保持されるからである。また、記憶用スイッチ１５をＯＦＦした状態では、文献 ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２２２６ （１９９４） 等により公知であるように、投光光検出用の容量素子５が入出力間に接続された反転増幅器１２の周波数帯域は光電流に依存せず、このため設計の自由度が大きい。
【００４２】
さらに、図１１の構成と比較してわかるように図１ において、投光光検出用の容量素子５が入出力間に接続された反転増幅器１２がトランジスタ１に帰還をかける機能と光電流積分出力を増幅する機能とを実現しているため、投光による光電流の正確な検出が少ない素子数で実現でき、従って消費電流を低く抑えることも可能になる。
【００４３】
ここで図１ の回路構成は、ＣＭＯＳ構造のデバイスで実現することができる。例えば、記憶用スイッチ１５にはＭＯＳトランジスタを用い、背景光記憶用の容量素子７にはＭＯＳのゲート容量を用いればよい。このとき、ＭＯＳのゲート容量はＣ−Ｖ特性の直線性を確保するため、ゲート酸化膜下の拡散層の濃度をＭＯＳトランジスタのそれよりも高くする。
【００４４】
また、背景光記憶用の容量素子７を実現する別の方法としてトランジスタ１そのもののゲート容量を利用することも可能である。この場合、所望の容量値が得られるようにゲート長及びゲート幅、即ち、ゲート面積を必要量まで大きくするように設定する。このような構成をとれば、個別の容量素子を形成して回路接続する場合に比べて、配線等のスペースが必要なくなる他、トランジスタ１の１／ｆ雑音も低減できるという効果が得られる。
【００４５】
図３ は、図１ の構成を改良した第２ の実施の形態である。図１ の構成では期間Ｔ１ での反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ はトランジスタ１のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓに依存し、更にＶｇｓは背景光による光電流ＩＰＤ に依存するため、期間Ｔ１ での反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ は背景光の明るさにより変化する。このため、期間Ｔ１に続く期間Ｔ２における投光光電流の検出時の基準電圧が背景光により変化する。
【００４６】
そこで、図３において、投光光検出用の容量素子５の蓄積電荷をリセットするために投光光検出用の容量素子５と並列にリセット用スイッチ１６を設け、投光による光電流ＩＰＤ’ に対する積分の開始前に期間Ｔ２ においてリセット用スイッチ１６をＯＮすることによって容量素子５の蓄積電荷をリセットし、常に一定電位より積分を開始するようにした。
【００４７】
ここで、リセット用スイッチ１６は、ＭＯＳトランジスタをスイッチングトランジスタとして用いることにより実現できる。
【００４８】
図４ は、図３ の回路の動作を表すタイムチャートである。図中、ＳＷ１５は記憶用スイッチ１５の動作、ＳＷ１６はリセット用スイッチ１６の動作、光源は既述の光源としてのＬＥＤの発光タイミング、Ｖｓ は反転増幅器１２の出力電圧（即ち、図３の光検出装置の出力）を夫々表している。図４において、期間Ｔ１ は非投光時の背景光を記憶する期間で、記憶用スイッチ１５をＯＮし、リセット用スイッチ１６をＯＦＦすることで背景光による光電流ＩＰＤが流れるようにトランジスタ１のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓが決まる。この状態で記憶用スイッチ１５をＯＦＦしてもトランジスタ１のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓは保持されるため背景光による光電流ＩＰＤは流れ続ける。
【００４９】
次に、上記の期間Ｔ１に続く期間Ｔ２においてリセット用スイッチ１６をＯＮすることで投光光検出用の容量素子５の蓄積電荷をリセットする。このリセットにより、反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ は、リセット時の該反転増幅器の回路の動作点に相当する電圧となる。そこでリセット用スイッチ１６をＯＦＦし、その後ＬＥＤによる投光を行う。このとき、図１ の回路におけると同様に、投光による光電流ＩＰＤ’ が投光光検出用の容量素子５に蓄積され、これに対応した出力電圧が反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ より検出できる。
【００５０】
図５ は、本発明の第３ の実施の形態を表す。本実施の形態では反転増幅器の帰還系として抵抗を用いて実現した例で、反転増幅器１２の入出力間にスイッチングトランジスタ等によるリセット用スイッチ１６とトランスインピーダンス用（光電流―電圧変換用）の抵抗１７を直列接続して投光光による光電流ＩＰＤ’ を検出する。
【００５１】
図６は図５の回路の動作を示すタイムチャートである。図中、ＳＷ１５は記憶用スイッチ１５の動作、ＳＷ１６はリセット用スイッチ１６の動作、光源は既述の光源としてのＬＥＤの発光タイミング、Ｖｓ は反転増幅器１２の出力電圧（即ち、図５の光検出装置の出力）を夫々表している。図６において、期間Ｔ１は、ＬＥＤによる投光を行わず、記憶用スイッチ１５をＯＮ、リセット用スイッチ１６をＯＦＦとして背景光による光電流ＩＰＤを容量素子７に記憶する。
【００５２】
次に、Ｔ１に続く期間Ｔ２で記憶用スイッチ１５をＯＦＦ、リセット用スイッチ１６をＯＮしてＬＥＤを非投光状態とすると、トランスインピーダンス用抵抗１７には電流が流れないので反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ は既述の実施形態と同様、該反転増幅器１２の回路の動作点に相当する電圧となる。
【００５３】
その後、ＬＥＤ投光を行うと投光による光電流ＩＰＤ’ の増加分により反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ は抵抗１７の抵抗値をＲｚ とすると、ＩＰＤ’ ・Ｒｚ だけ電圧が下がる。この電圧値を投光中に読み出すか、サンプルホールド回路等を用いて投光中の電位を保持した後読み出すことで投光による光電流ＩＰＤ’ を検出することが可能になる。
【００５４】
図７は、本発明の第４ の実施の形態を示しており、図３ の構成の検出回路の後段に容量結合型の反転増幅回路を設けたものである。
【００５５】
同図では、反転増幅器１２の出力と次段の反転増幅器２１の入力間に容量素子１８を接続し、前記次段の反転増幅器２１の入出力間に容量素子１９とリセットスイッチ２０とが並列に接続された構成となっている。反転増幅器２１の出力電圧Ｖｓ２、即ち図７ の態様の光検出装置の出力は、反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ の位相が反転されるとともに、ゲインＣ３ ／Ｃ４ で増幅された値として得られる。ここで、Ｃ３ は、容量素子１８の容量、Ｃ４ は、容量素子１９の容量を表す。
【００５６】
図８ は、前記図７の動作を表すタイムチャートである。図中、ＳＷ１５は記憶用スイッチ１５の動作、ＳＷ１６はリセット用スイッチ１６の動作、ＳＷ２０はリセット用スイッチ２０の動作、光源は既述の光源としてのＬＥＤの発光タイミング、Ｖｓ は反転増幅器１２の出力電圧（即ち、図３の光検出装置の出力）、Ｖｓ２は反転増幅器２１の出力電圧（即ち、図７の光検出装置の出力）を夫々表している。本実施例では反転増幅器１２のリセット用スイッチ１６をＬＥＤ投光、非投光のそれぞれの動作においてリセット動作を行い、２回の積分動作を行って両者の差を検出するものである。
【００５７】
期間Ｔ１は既述の実施形態と同様、背景光を記憶する期間で、記憶用スイッチ１５をＯＮ、リセット用スイッチ１６をＯＦＦしてトランジスタ１より背景光による光電流ＩＰＤが排出されるように背景光記憶用の容量素子７の電位が保持される。
【００５８】
記憶用スイッチ１５がＯＦＦすると、フィード・スルー電荷により背景光記憶用の容量素子７に保持された電荷量が変化してしまいトランジスタ１で流れる電流にΔＩＰＤ の誤差が生じる。この誤差成分ΔＩＰＤは反転増幅器１２の帰還系に流れる。そこで、期間Ｔ２でリセット用スイッチ１６をＯＮし、投光光検出用の容量素子５をリセットした後、期間Ｔ３で誤差成分ΔＩＰＤの積分を行う。
【００５９】
次に、期間Ｔ４で再びリセット用スイッチ１６をＯＮして蓄積電荷をリセットした後、期間Ｔ５でＬＥＤ投光を行い誤差成分ΔＩＰＤと投光による光電流ＩＰＤ’ とが加算された電流（ΔＩＰＤ＋ＩＰＤ’ ）の積分を行う。
【００６０】
期間Ｔ３と期間Ｔ５とは同一の積分時間とし、その積分値の差分をとることで投光による光電流ＩＰＤ’ に対する出力を検出する。ここで、差分に関しては１８〜２１で構成される容量結合型の反転増幅回路を以下のように動作させればよい。
【００６１】
期間Ｔ３の誤差電流成分ΔＩＰＤの積分終了時までリセットスイッチ２０をＯＮしておき、期間Ｔ４でリセット用スイッチ１６をＯＮする直前にリセットスイッチ２０をＯＦＦする。これにより、反転増幅器２１の出力電圧Ｖｓ２にはリセットスイッチ２０がＯＮからＯＦＦに変化した時点の反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ を基準にそれ以降のＶｓ の変化分が表れる。従って期間Ｔ５の積分終了時点の反転増幅器２１の出力電圧Ｖｓ２は期間Ｔ３の第１ 回目の積分終了時刻の反転増幅器１２の出力電圧Ｖｓ と期間Ｔ５の第２ 回目の積分終了時刻の反転増幅器２１の出力電圧Ｖｓ２との差電圧に対応した電圧、即ち、誤差電流成分ΔＩＰＤの成分が除去され、投光光電流ＩＰＤ’ に対応した電圧が以下に示す値で検出される。
【００６２】
ＩＰＤ’ ・ｔ／Ｃ２ ・Ｃ３ ／Ｃ４ （ｔはＬＥＤ投光時間）
【００６３】
このように、図７の構成によりトランジスタ１にて排出される電流が背景光による光電流ＩＰＤに対して誤差電流成分ΔＩＰＤを有していても正確に投光光による光電流ＩＰＤ’ に対応した電圧のみを検出することができる。
【００６４】
以上の各実施の形態では１つのフォトダイオードに対する信号処理について示したが、これは複数のフォトダイオードを一次元に並べてシフトレジスタ等で読み出すラインセンサにも応用できる他、受光素子としてＰＳＤ（位置検出素子）を用いた場合の光検出回路にも応用できる。
【００６５】
また、ラインセンサに用いる場合、トランジスタ１を完全にＯＦＦすることによりパッシブ用のラインセンサとして利用することも可能である。
【００６６】
上述した本発明の実施の形態によれば、各請求項の発明は、以下の効果を有する。
【００６７】
請求項２に係る本発明の光検出装置では、前記信号記憶回路へ光電変換素子からの出力信号を記憶するときと前記反転増幅器の出力を読み出すときとに対応したスイッチング動作をなすことにより、反転増幅器に帰還がかかり精度良く信号を記憶できる。また、光電流の大きさによらず正確な検出が可能になる。更に、反転増幅器一つで信号の保持と検出・増幅を行うので少ない素子数で回路を実現できるといった効果が得られる。
【００６８】
請求項３に係る本発明の光検出装置では、前記信号記憶回路は、 前記トランジスタのゲート容量を含んでなるものであり、更に、請求項４に係る本発明の光検出装置では、前記トランジスタのゲート面積の大きさによって形成される該トランジスタのゲート容量を含んでなるものであり、より少ない回路素子で光検出装置が実現できる。
【００６９】
請求項５に係る本発明の光検出装置では、前記反転増幅回路の入出力間に、 信号蓄積のための蓄積容量及び該蓄積容量をリセットする為の第２ のスイッチング素子が設けられたことにより、反転増幅回路による信号蓄積を常に一定値から蓄積可能となり、正確な信号検出が可能となる。
【００７０】
請求項６に係る本発明の光検出装置では、前記反転増幅回路の入出力間に、 抵抗及び該抵抗と直列接続した第３ のスイッチング素子が設けられたことにより、抵抗を用いても反転増幅器での信号検出が可能となる。
【００７１】
請求項７に係る本発明の光検出装置では、前記反転増幅器の出力が次段の反転増幅器に入力されるよう接続され、且つ、前記次段の反転増幅回路の入出力間に信号蓄積のための第２ の蓄積容量及び該第２ の蓄積容量をリセットする為の第４のスイッチング素子が設けられたことにより、検出動作中に発生する誤差成分が除去でき、更に精度の良い信号検出が可能になる。
【００７２】
【発明の効果】
以上のように、本発明による光検出装置は、背景光光電流に対応した信号を精度良く記憶することができ、また、光電流の大きさによらず、検出回路の周波数特性に依存しないで信号検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による装置の回路構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における背景光除去動作と信号出力を表すタイムチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態における蓄積電荷のリセット機能を備えた回路構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における背景光除去動作と信号出力を表すタイムチャートである。
【図５】本発明の第３の実施の形態における帰還系を抵抗とスイッチで構成した場合の回路構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態における背景光除去動作と信号出力を表すタイムチャートである。
【図７】本発明の第４の実施の形態における更に誤差分を除去可能な構成とした場合の回路構成を示すブロック図である。
【図８】上記図７の実施形態における背景光除去動作と信号出力を表すタイムチャートである。
【図９】従来の背景光除去回路例を示すブロック図である。
【図１０】従来のアクティブ方式の測距装置を表す概念図である。
【図１１】従来の背景光除去回路例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ トランジスタ
２ フォトダイオード（光電変換素子）
５ 投光光検出用の容量素子（Ｃ２ ）
７ 背景光記憶用の容量素子（Ｃ１ ）
１２ 反転増幅器
１５ 記憶用スイッチ（スイッチング素子）
１６ リセット用スイッチ
１７ 抵抗（Ｒｚ ）
１８ 容量素子（Ｃ３ ）
１９ 容量素子（Ｃ４ ）
２０ リセットスイッチ
２１ 次段の反転増幅器
Claims (2)
- 背景光または投光された信号光を受光して光電変換することにより前記背景光または前記投光された信号光による光電流を得る光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した前記背景光による光電流を流すためにソースが前記光電変換素子に接続されるとともに、ドレインを介して前記背景光による光電流を接地電位へ流れるようになされたトランジスタと、
入力側が前記光電変換素子と前記トランジスタのソースとの接続部に接続されるとともに、前記投光された信号光による光電流を検出するための検出素子を前記入力側と出力側の間に備えた反転増幅器（１２）と、
一端が前記反転増幅器の入力側及び前記トランジスタのソースに接続され、他端が前記トランジスタのゲートに接続された、前記背景光による光電流に対応した信号を記憶する信号記憶回路と、
一端が前記反転増幅器（１２）の出力側に接続され、他端が前記トランジスタのゲート及び前記信号記憶回路に接続された、前記信号記憶回路への信号の記憶を制御する記憶用スイッチと、を有し、
前記投光された信号光による光電流に対応した出力のみを前記反転増幅器（１２）の出力変化によって検出することを特徴とする光検出装置。 - 請求項１記載の光検出装置において、前記反転増幅器（１２）は前記検出素子として入出力間に信号蓄積のための蓄積容量（５）及び該蓄積容量をリセットするためのリセットスイッチ（１６）を備えるとともに、前記反転増幅器（１２）の出力側が入力側に接続され、入出力間に信号蓄積のための蓄積容量（１９）及び該蓄積容量をリセットするためのリセットスイッチ（２０）が設けられた容量結合型の反転増幅回路（２１）とを有することを特徴とする光検出装置。
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