JP3817460B2 - 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、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Ｃd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Ｃdの積分容量部とアンプとを入力端子と出力端子との間に互いに並列的に有し、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) 測定対象物へ向けて投光する投光部と、(7) 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、(8) 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、結像光学系により結像された光の像の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、(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Ｃd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Ｃd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とアンプとを入力端子と出力端子との間に互いに並列的に有し、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) 測定対象物へ向けて投光する投光部と、(7) 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、(8) 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、結像光学系により結像された光の像の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、(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Ｃd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Ｃd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２ａ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１００1〜１００Nおよびデジタル演算回路４０を備える。各ユニット１００nは、互いに同様の構成であって、Ｍ個の光検出セル１０1,n〜１０M,n、積分回路２０n、Ａ／Ｄ変換回路３０n、スイッチＳＷn01、スイッチＳＷn02およびスイッチＳＷn03を備える。Ｍ×Ｎ個の光検出セル１０1,1〜１０M,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１０m,nは第ｍ行第ｎ列に位置している。
【００２６】
各ユニット１００nにおいて、Ｍ個の光検出セル１０1,n〜１０M,nそれぞれは、スイッチＳＷn01を介して積分回路２０nの入力端子と接続され、スイッチＳＷn02を介して積分回路２０nの出力端子と接続されている。積分回路２０nの出力端子は、Ａ／Ｄ変換回路３０nの入力端子と接続されている。Ａ／Ｄ変換回路３０nの出力端子は、スイッチＳＷn03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１００1〜１００NそれぞれのスイッチＳＷn03が順次に閉じて、ユニット１００1〜１００NそれぞれのＡ／Ｄ変換回路３０n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１００nのＡ／Ｄ変換回路３０nからスイッチＳＷn03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１０m,nの回路図である。各光検出セル１０m,nは、フォトダイオードＰＤ、セル容量部Ｃd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Ｃdを介して接地され、また、スイッチＳＷ0を介して、スイッチＳＷn01およびスイッチＳＷn02と接続されている。各ユニット１００nにおいて、Ｍ個の光検出セル１０1,n〜１０M,nそれぞれのスイッチＳＷ0が順次に閉じて、光検出セル１０1,n〜１０M,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ＳＷn01およびスイッチＳＷn02と接続される。光検出セル１０1,1〜１０M,Nそれぞれのセル容量部Ｃdの容量値は互いに等しい。なお、セル容量部Ｃd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２０nの回路図である。各積分回路２０n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Ｃf2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ＳＷn01と接続され、非反転入力端子が基準電圧値Ｖinp1とされ、出力端子がスイッチＳＷn02と接続されている。積分容量部Ｃf2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Ｃf2の容量値は、各光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdの容量値と等しい。積分回路２０nは、スイッチＳＷ21が閉じているときには、積分容量部Ｃf2を放電して初期化する。一方、積分回路２０n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Ｃf2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３０nの回路図である。各Ａ／Ｄ変換回路３０nは、積分回路２０n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ＳＷn03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３０n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３１０，３２０および３３０を含む。
【００３０】
アンプ３０１は、積分回路２０n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Ｖcom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Ｃ302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Ｖcom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Ｃ311〜Ｃ314および４つのスイッチＳＷ311〜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Ｖref1および基準電圧値Ｖcom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Ｖref1および基準電圧値Ｖcom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Ｖref1および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。また、容量素子Ｃ314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ＳＷ314を介して参照電圧値Ｖref1および基準電圧値Ｖcom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Ｃ321〜Ｃ324および４つのスイッチＳＷ321〜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Ｖref2および基準電圧値Ｖcom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Ｖref2および基準電圧値Ｖcom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Ｖref2および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。また、容量素子Ｃ324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ＳＷ324を介して参照電圧値Ｖref2および基準電圧値Ｖcom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Ｃ331〜Ｃ334および４つのスイッチＳＷ331〜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Ｖref3および基準電圧値Ｖcom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Ｖref3および基準電圧値Ｖcom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Ｖref3および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。また、容量素子Ｃ334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ＳＷ334を介して参照電圧値Ｖref3および基準電圧値Ｖcom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Ｖref1、可変容量部３２０に供給される参照電圧値Ｖref2、可変容量部３３０に供給される参照電圧値Ｖref3、および、基準電圧値Ｖcomそれぞれは、
【数２】
なる関係式を満たす。なお、基準電圧値Ｖcomは一般には接地電位とされるので、以降ではＶcom＝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Ｖref1，Ｖref2およびＶref3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３０２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３０３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Ｄ10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ＳＷ324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１００n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１０m,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１０m,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１０m,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１０ｍ，ｎのスイッチＳＷ０は開く。時刻ｔ０では、光検出セル１０ｍ，ｎのセル容量部Ｃｄに蓄積されている電荷は無く、光検出セル１０ｍ，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１０ｍ，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Ｃｄ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２０ｎのスイッチＳＷ２１が一旦閉じた後に開くことで、積分回路２０ｎは、積分容量部Ｃｆ２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１０m,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ＳＷn01が一旦閉じた後に開き、続いて時刻ｔ3にスイッチＳＷn02が一旦閉じた後に開く。スイッチＳＷn01が閉じている第１の期間に、それまで光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdに蓄積されていた電荷は、積分回路２０nの積分容量部Ｃf2に移動する。その結果、光検出セル１０m,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２０nから出力される積分値は、積分容量部Ｃf2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ＳＷn02が閉じている第２の期間に、光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdに、積分回路２０n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Ｃf2の容量値は光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdの容量値と等しいので、この結果、光検出セル１０m,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１０m,nのスイッチＳＷ0は開く。時刻ｔ4では、光検出セル１０m,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１０m,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Ｃd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２０nのスイッチＳＷ21が一旦閉じた後に開くことで、積分回路２０nは、積分容量部Ｃf2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１０m,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１０m,nのセル容量部Ｃdに蓄積されている電荷は、時刻ｔ3に積分回路２０n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１０m,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１０m,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ＳＷn01が一旦閉じた後に開く。スイッチＳＷn01が閉じる時刻ｔ6においては、光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdに蓄積されていた電荷は無く、光検出セル１０m,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２０n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１０m,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２０n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１０ｍ，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。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フレームより第２フレームで光検出セル１０ｍ，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１０ｍ，ｎのセル容量部Ｃｄに蓄積されている電荷は、時刻ｔ３に積分回路２０ｎ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１０ｍ，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１０m,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ＳＷn01が一旦閉じた後に開く。このスイッチＳＷn01が閉じている第３の期間に、それまで光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdに蓄積されていた電荷は、積分回路２０nの積分容量部Ｃf2に移動する。スイッチＳＷn01が閉じる時刻ｔ6においては、光検出セル１０m,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２０n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１０m,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２０n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２０nのスイッチＳＷ21は一旦閉じた後に開き、積分回路２０nはリセットされる。
【００４６】
積分回路２０nから時刻ｔ6以降に出力される積分値は、光検出セル１０m,nのフォトダイオードＰＤ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３０nによるＡ／Ｄ変換処理が行われる。
【００４７】
この積分回路２０nから出力された積分値は、Ａ／Ｄ変換回路３０nによりＡ／Ｄ変換されて、１２ビットのデジタル値が出力される。各ユニット１００nのＡ／Ｄ変換回路３０n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、ＳＷ321〜ＳＷ324およびＳＷ331〜ＳＷ334それぞれは、基準電圧値Ｖcom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Ｖin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Ｃ311〜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Ｖref1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（Ｖin−Ｖref1／２）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（Ｖin−Ｖref1／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）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（Ｖin−Ｖref1／２）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（Ｖin−Ｖref1／２）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Ｖref1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（Ｖin−３Ｖref1／４）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（Ｖin−３Ｖref1／４）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−３Ｖref1／４）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（Ｖin−３Ｖref1／４）が正であればＤ10＝１とされ、そうでなければＤ10＝０とされる。
【００５３】
さらに、電圧値（Ｖin−３Ｖref1／４）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Ｖref1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（Ｖin−７Ｖref1／８）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（Ｖin−７Ｖref1／８）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−７Ｖref1／８）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（Ｖin−７Ｖref1／８）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（Ｖin−Ｖref1／２）が負であれば、スイッチＳＷ311が基準電圧値Ｖcom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ＳＷ312が参照電圧値Ｖref1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（Ｖin−Ｖref1／４）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（Ｖin−Ｖref1／４）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−Ｖref1／４）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（Ｖin−Ｖref1／４）が正であればＤ10＝１とされ、そうでなければＤ10＝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〜ＳＷ314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３０nに入力する電圧値Ｖin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Ｄ11〜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・Ｖref1以下であり、アンプ３０１から出力される電圧値Ｖ1は、Ｖref1／２4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Ｖref2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−Ｖref2／２）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−Ｖref2／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ1−Ｖref2／２）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−Ｖref2／２）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−Ｖref1／３２）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・Ｖref2以下（Ｃ・Ｖref1／２4以下）であり、アンプ３０１から出力される電圧値Ｖ2は、Ｖref2／２4以下（Ｖref1／２8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Ｖref3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−Ｖref3／２）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−Ｖref3／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ2−Ｖref3／２）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−Ｖref3／２）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−Ｖref1／５１２）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・Ｖref3以下（Ｃ・Ｖref1／２8以下）であり、アンプ３０１から出力される電圧値Ｖ3は、Ｖref3／２4以下（Ｖref1／２12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ＳＷ311〜ＳＷ314、ＳＷ321〜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〜Ｄ0が容量制御部３０３より出力される。
【００６５】
このＡ／Ｄ変換回路３０n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３０n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３０n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３０n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２11Ｃであるのに対して、本実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路３０n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３０n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１００nのＡ／Ｄ変換回路３０nより、Ｍ個の光検出セル１０1,n〜１０M,nそれぞれに対応するＭ個のデジタル値Ｄ1,n〜ＤM,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１００1〜１００nそれぞれは並列動作する。したがって、各ユニット１００nのスイッチＳＷn03が順次に閉じると、第１行のデジタル値Ｄ1,1〜Ｄ1,N，第２行のデジタル値Ｄ2,1〜Ｄ2,N，……，第ｍ行のデジタル値Ｄm,1〜Ｄm,N，……，第Ｍ行のデジタル値ＤM,1〜ＤM,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Ｐm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Ｃd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Ｃd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Ａ2、積分容量部Ｃf21、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Ｃf22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ＳＷn01と接続され、非反転入力端子が基準電圧値Ｖinp1とされている。積分容量部Ｃf21、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Ｃf22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Ｃf21および積分容量部Ｃf22それぞれの容量値の和は、各光検出セル１０m,nそれぞれのセル容量部Ｃd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１００n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１０m,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１０m,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Ｃf21および積分容量部Ｃf22の双方である。また、積分容量部Ｃf21および積分容量部Ｃf22それぞれの容量値の和は、光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃd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Ｃf21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、（(Ｃf21＋Ｃf22)／Ｃf21）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３０n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Ｎmは１以上であり、第ｍの可変容量部に含まれるＮm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Ｑmは１以上としてよい。第ｍの可変容量部に含まれるＮm個の容量素子それぞれの容量値をＣm,1〜Ｃm,Nmとし、第ｍの可変容量部に供給される参照電圧値をＶref,m,1〜Ｖref,m,Qmとすると、各ｍ値、各ｎ値（１≦ｎ≦Ｎm）および各ｑ値（１≦ｑ≦Ｑm）について、Ｃm,n・Ｖref,m,q の各値が互いに異なるように設定される。また、Ｃm,n・Ｖref,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Ｎm＝４、各Ｑm＝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Ｎm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Ｎm＝１、各Ｑm＝１ であってもよい。Ｍが２以上の整数であって、各Ｎmが異なっていてもよいし、各Ｑm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１０m,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２０n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３０n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１００n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３０nに入力する電圧値Ｖin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１００n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、１０1,1〜１０M,N…光検出セル、２０1〜２０M…積分回路、３０1〜３０M…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。
【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Ｃd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Ｃdの積分容量部とアンプとを入力端子と出力端子との間に互いに並列的に有し、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) 測定対象物へ向けて投光する投光部と、(7) 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、(8) 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、結像光学系により結像された光の像の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、(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Ｃd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Ｃd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とアンプとを入力端子と出力端子との間に互いに並列的に有し、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) 測定対象物へ向けて投光する投光部と、(7) 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、(8) 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、結像光学系により結像された光の像の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、(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Ｃd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Ｃd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２ａ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１００1〜１００Nおよびデジタル演算回路４０を備える。各ユニット１００nは、互いに同様の構成であって、Ｍ個の光検出セル１０1,n〜１０M,n、積分回路２０n、Ａ／Ｄ変換回路３０n、スイッチＳＷn01、スイッチＳＷn02およびスイッチＳＷn03を備える。Ｍ×Ｎ個の光検出セル１０1,1〜１０M,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１０m,nは第ｍ行第ｎ列に位置している。
【００２６】
各ユニット１００nにおいて、Ｍ個の光検出セル１０1,n〜１０M,nそれぞれは、スイッチＳＷn01を介して積分回路２０nの入力端子と接続され、スイッチＳＷn02を介して積分回路２０nの出力端子と接続されている。積分回路２０nの出力端子は、Ａ／Ｄ変換回路３０nの入力端子と接続されている。Ａ／Ｄ変換回路３０nの出力端子は、スイッチＳＷn03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１００1〜１００NそれぞれのスイッチＳＷn03が順次に閉じて、ユニット１００1〜１００NそれぞれのＡ／Ｄ変換回路３０n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１００nのＡ／Ｄ変換回路３０nからスイッチＳＷn03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１０m,nの回路図である。各光検出セル１０m,nは、フォトダイオードＰＤ、セル容量部Ｃd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Ｃdを介して接地され、また、スイッチＳＷ0を介して、スイッチＳＷn01およびスイッチＳＷn02と接続されている。各ユニット１００nにおいて、Ｍ個の光検出セル１０1,n〜１０M,nそれぞれのスイッチＳＷ0が順次に閉じて、光検出セル１０1,n〜１０M,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ＳＷn01およびスイッチＳＷn02と接続される。光検出セル１０1,1〜１０M,Nそれぞれのセル容量部Ｃdの容量値は互いに等しい。なお、セル容量部Ｃd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２０nの回路図である。各積分回路２０n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Ｃf2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ＳＷn01と接続され、非反転入力端子が基準電圧値Ｖinp1とされ、出力端子がスイッチＳＷn02と接続されている。積分容量部Ｃf2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Ｃf2の容量値は、各光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdの容量値と等しい。積分回路２０nは、スイッチＳＷ21が閉じているときには、積分容量部Ｃf2を放電して初期化する。一方、積分回路２０n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Ｃf2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３０nの回路図である。各Ａ／Ｄ変換回路３０nは、積分回路２０n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ＳＷn03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３０n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３１０，３２０および３３０を含む。
【００３０】
アンプ３０１は、積分回路２０n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Ｖcom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Ｃ302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Ｖcom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Ｃ311〜Ｃ314および４つのスイッチＳＷ311〜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Ｖref1および基準電圧値Ｖcom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Ｖref1および基準電圧値Ｖcom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Ｖref1および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。また、容量素子Ｃ314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ＳＷ314を介して参照電圧値Ｖref1および基準電圧値Ｖcom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Ｃ321〜Ｃ324および４つのスイッチＳＷ321〜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Ｖref2および基準電圧値Ｖcom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Ｖref2および基準電圧値Ｖcom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Ｖref2および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。また、容量素子Ｃ324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ＳＷ324を介して参照電圧値Ｖref2および基準電圧値Ｖcom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Ｃ331〜Ｃ334および４つのスイッチＳＷ331〜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Ｖref3および基準電圧値Ｖcom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Ｖref3および基準電圧値Ｖcom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Ｖref3および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。また、容量素子Ｃ334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ＳＷ334を介して参照電圧値Ｖref3および基準電圧値Ｖcom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】
【数２】
【数３】
【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３０２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３０３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Ｄ10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ＳＷ324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１００n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１０m,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１０m,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１０m,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１０ｍ，ｎのスイッチＳＷ０は開く。時刻ｔ０では、光検出セル１０ｍ，ｎのセル容量部Ｃｄに蓄積されている電荷は無く、光検出セル１０ｍ，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１０ｍ，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Ｃｄ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２０ｎのスイッチＳＷ２１が一旦閉じた後に開くことで、積分回路２０ｎは、積分容量部Ｃｆ２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１０m,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ＳＷn01が一旦閉じた後に開き、続いて時刻ｔ3にスイッチＳＷn02が一旦閉じた後に開く。スイッチＳＷn01が閉じている第１の期間に、それまで光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdに蓄積されていた電荷は、積分回路２０nの積分容量部Ｃf2に移動する。その結果、光検出セル１０m,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２０nから出力される積分値は、積分容量部Ｃf2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ＳＷn02が閉じている第２の期間に、光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdに、積分回路２０n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Ｃf2の容量値は光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdの容量値と等しいので、この結果、光検出セル１０m,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１０m,nのスイッチＳＷ0は開く。時刻ｔ4では、光検出セル１０m,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１０m,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Ｃd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２０nのスイッチＳＷ21が一旦閉じた後に開くことで、積分回路２０nは、積分容量部Ｃf2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１０m,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１０m,nのセル容量部Ｃdに蓄積されている電荷は、時刻ｔ3に積分回路２０n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１０m,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１０m,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ＳＷn01が一旦閉じた後に開く。スイッチＳＷn01が閉じる時刻ｔ6においては、光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdに蓄積されていた電荷は無く、光検出セル１０m,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２０n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１０m,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２０n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１０ｍ，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。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フレームより第２フレームで光検出セル１０ｍ，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１０ｍ，ｎのセル容量部Ｃｄに蓄積されている電荷は、時刻ｔ３に積分回路２０ｎ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１０ｍ，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１０m,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ＳＷn01が一旦閉じた後に開く。このスイッチＳＷn01が閉じている第３の期間に、それまで光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃdに蓄積されていた電荷は、積分回路２０nの積分容量部Ｃf2に移動する。スイッチＳＷn01が閉じる時刻ｔ6においては、光検出セル１０m,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２０n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１０m,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２０n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２０nのスイッチＳＷ21は一旦閉じた後に開き、積分回路２０nはリセットされる。
【００４６】
積分回路２０nから時刻ｔ6以降に出力される積分値は、光検出セル１０m,nのフォトダイオードＰＤ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３０nによるＡ／Ｄ変換処理が行われる。
【００４７】
この積分回路２０nから出力された積分値は、Ａ／Ｄ変換回路３０nによりＡ／Ｄ変換されて、１２ビットのデジタル値が出力される。各ユニット１００nのＡ／Ｄ変換回路３０n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、ＳＷ321〜ＳＷ324およびＳＷ331〜ＳＷ334それぞれは、基準電圧値Ｖcom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Ｖin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】
【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Ｃ311〜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Ｖref1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】
【数６】
【００５０】
そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）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（Ｖin−Ｖref1／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）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（Ｖin−Ｖref1／２）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（Ｖin−Ｖref1／２）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Ｖref1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】
【数８】
【００５２】
そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖin−３Ｖref1／４）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（Ｖin−３Ｖref1／４）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−３Ｖref1／４）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（Ｖin−３Ｖref1／４）が正であればＤ10＝１とされ、そうでなければＤ10＝０とされる。
【００５３】
さらに、電圧値（Ｖin−３Ｖref1／４）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Ｖref1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】
【数１０】
【００５４】
そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖin−７Ｖref1／８）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（Ｖin−７Ｖref1／８）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−７Ｖref1／８）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（Ｖin−７Ｖref1／８）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（Ｖin−Ｖref1／２）が負であれば、スイッチＳＷ311が基準電圧値Ｖcom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ＳＷ312が参照電圧値Ｖref1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】
【数１２】
【００５６】
そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖin−Ｖref1／４）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（Ｖin−Ｖref1／４）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−Ｖref1／４）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（Ｖin−Ｖref1／４）が正であればＤ10＝１とされ、そうでなければＤ10＝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〜ＳＷ314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３０nに入力する電圧値Ｖin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Ｄ11〜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・Ｖref1以下であり、アンプ３０１から出力される電圧値Ｖ1は、Ｖref1／２4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Ｖref2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】
【数１４】
【００５９】
そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖ1−Ｖref2／２）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−Ｖref2／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ1−Ｖref2／２）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−Ｖref2／２）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−Ｖref1／３２）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・Ｖref2以下（Ｃ・Ｖref1／２4以下）であり、アンプ３０１から出力される電圧値Ｖ2は、Ｖref2／２4以下（Ｖref1／２8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Ｖref3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】
【数１６】
【００６２】
そして、アンプ３０１より電圧値（Ｖ2−Ｖref3／２）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−Ｖref3／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ2−Ｖref3／２）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−Ｖref3／２）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−Ｖref1／５１２）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・Ｖref3以下（Ｃ・Ｖref1／２8以下）であり、アンプ３０１から出力される電圧値Ｖ3は、Ｖref3／２4以下（Ｖref1／２12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ＳＷ311〜ＳＷ314、ＳＷ321〜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〜Ｄ0が容量制御部３０３より出力される。
【００６５】
このＡ／Ｄ変換回路３０n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３０n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３０n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３０n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２11Ｃであるのに対して、本実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路３０n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３０n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１００nのＡ／Ｄ変換回路３０nより、Ｍ個の光検出セル１０1,n〜１０M,nそれぞれに対応するＭ個のデジタル値Ｄ1,n〜ＤM,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１００1〜１００nそれぞれは並列動作する。したがって、各ユニット１００nのスイッチＳＷn03が順次に閉じると、第１行のデジタル値Ｄ1,1〜Ｄ1,N，第２行のデジタル値Ｄ2,1〜Ｄ2,N，……，第ｍ行のデジタル値Ｄm,1〜Ｄm,N，……，第Ｍ行のデジタル値ＤM,1〜ＤM,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Ｐmを求めるには、
【数１７】
【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Ｃd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Ｃd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Ａ2、積分容量部Ｃf21、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Ｃf22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ＳＷn01と接続され、非反転入力端子が基準電圧値Ｖinp1とされている。積分容量部Ｃf21、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Ｃf22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Ｃf21および積分容量部Ｃf22それぞれの容量値の和は、各光検出セル１０m,nそれぞれのセル容量部Ｃd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１００n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１０m,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１０m,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Ｃf21および積分容量部Ｃf22の双方である。また、積分容量部Ｃf21および積分容量部Ｃf22それぞれの容量値の和は、光検出セル１０m,nのセル容量部Ｃd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Ｃf21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、（(Ｃf21＋Ｃf22)／Ｃf21）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３０n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Ｎmは１以上であり、第ｍの可変容量部に含まれるＮm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Ｑmは１以上としてよい。第ｍの可変容量部に含まれるＮm個の容量素子それぞれの容量値をＣm,1〜Ｃm,Nmとし、第ｍの可変容量部に供給される参照電圧値をＶref,m,1〜Ｖref,m,Qmとすると、各ｍ値、各ｎ値（１≦ｎ≦Ｎm）および各ｑ値（１≦ｑ≦Ｑm）について、Ｃm,n・Ｖref,m,q の各値が互いに異なるように設定される。また、Ｃm,n・Ｖref,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】
【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Ｎm＝４、各Ｑm＝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Ｎm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Ｎm＝１、各Ｑm＝１ であってもよい。Ｍが２以上の整数であって、各Ｎmが異なっていてもよいし、各Ｑm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１０m,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２０n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３０n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１００n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３０nに入力する電圧値Ｖin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１００n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、１０1,1〜１０M,N…光検出セル、２０1〜２０M…積分回路、３０1〜３０M…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。
Claims (6)
- 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Ｃd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Ｃdの積分容量部とアンプとを入力端子と出力端子との間に互いに並列的に有し、前記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前記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、前記結像光学系により結像された光の像の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。 - 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。 - 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Ｃd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Ｃd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とアンプとを入力端子と出力端子との間に互いに並列的に有し、前記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前記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、前記結像光学系により結像された光の像の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。 - 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Ｃd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Ｃd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。 - 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。 - 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。
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