JP4119052B2

JP4119052B2 - 光検出装置

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Publication number: JP4119052B2
Application number: JP20350299A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎水野; 晴寛舩越
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: EP1229593A1; US20020060284A1; DE60014148T2; DE60014148D1; US6642501B2; EP1229593B1; JP2001036128A; AU5853700A; EP1229593A4; WO2001006573A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光素子に入射する光のうち背景光成分を除去して信号光成分のみ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】
光検出装置は、１以上の受光素子を有しており、各受光素子が出力した電流信号を積分回路により積分して、その積分結果である電圧信号を出力する。また、光検出装置によっては、アナログ信号である上記電圧信号をデジタル信号に変換（Ａ／Ｄ変換）して、このデジタル信号を出力するものもある。もし、このＡ／Ｄ変換の際に電圧信号が所定値を越える場合には、その電圧信号に基づいてＡ／Ｄ変換され出力されるデジタル信号は、その所定値に対応する値となって飽和し、その結果、正確な光検出ができないという問題点がある。そこで、従来では、上記電圧信号の予想される最大値またはそれ以上の値を上記所定値として設定することにより、上記のような飽和が起こらないようにしていた。また、対数圧縮等のテクニックを用いてダイナミックレンジを拡げる場合もあった。
【０００３】
また、光検出装置は、例えばカメラに組み込まれる測距装置に用いられている。この測距装置では、発光ダイオード等の投光手段から被写体に投光されたスポット光の反射を２つの光検出装置それぞれにより受光し、受光された２つの信号に基づいて測距が行われる。このとき、スポット光成分（信号光成分）を受光する際には背景光成分も重畳されて受光されることから、スポット光が投光されていないときに２つの光検出装置それぞれにより背景光成分のみを受光して、両者の差分をとることでスポット光成分のみの信号を得て、測距精度の向上を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光検出装置における積分回路では、積分回路の要素回路である増幅器が有する熱雑音等の各積分動作毎に異なる値の雑音成分に対して対策を施していないことから、ノイズ誤差が生じる可能性がある。したがって、この各積分動作毎に異なるノイズ成分により、受光素子が受光する光の光量すなわち上記電圧信号の値が小さい場合には、光検出のＳ／Ｎ比は悪い。
【０００５】
また、従来の光検出装置におけるＡ／Ｄ変換では、飽和が起こらないようにするために上記所定値として大きな値を設定することから、受光素子が受光する光の光量すなわち上記電圧信号の値が小さい場合には、出力されるデジタル信号の分解能は悪くなる。
【０００６】
さらに、光検出装置が測距装置に用いられる場合のように、スポット光成分および背景光成分の受光結果から背景光成分の受光結果を差し引くことによりスポット光成分のみの信号を得る場合には、以下のような問題点がある。すなわち、スポット光成分に比べて背景光成分が大きい場合には、その背景光成分が重畳されたスポット光成分を受光したときの上記電圧信号が非常に大きくなり、それ故、飽和が起こらないようにするために上記所定値として更に大きな値を設定する必要がある。したがって、差し引いた結果として得られるスポット光成分に基づいて出力されるデジタル信号は分解能が更に悪くなる。
【０００７】
以上のように、従来の光検出装置ではＳ／Ｎ比が悪く、また、Ａ／Ｄ変換する場合には出力されるデジタル信号の分解能が悪い。そこで、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、Ｓ／Ｎ比が優れた光検出装置を提供することを目的とする。また、Ａ／Ｄ変換する場合に、受光量が大きくても飽和することなく、受光量が小さくても分解能が優れた光検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光検出装置は、(1) 受光した光の光量に応じた電流信号を出力する受光素子と、(2) 受光素子から出力された電流信号に応じて電荷を蓄積して、その蓄積された電荷の量に応じた電圧信号を出力する積分回路と、(3) 積分回路から出力される電圧信号を入力する入力端と出力端との間に順に設けられた第１の結合容量素子および第１の増幅器と、第１の増幅器の入出力間に並列的に設けられた第１の積分容量素子と、第１の積分容量素子に電圧信号の変化量に応じた電荷量を蓄積させる第１のスイッチ手段と、を有する第１のＣＤＳ（相関二重サンプリング、Correlated Double Sampling）回路と、(4) 積分回路から出力される電圧信号を入力する入力端と出力端との間に順に設けられた第２の結合容量素子および第２の増幅器と、上記第１の積分容量素子の容量値と等しい容量値を有し第２の増幅器の入出力間に並列的に設けられた第２の積分容量素子と、第２の積分容量素子に電圧信号の変化量に応じた電荷量を蓄積させる第２のスイッチ手段と、を有する第２のＣＤＳ回路と、(5) 第１のＣＤＳ回路の第１の積分容量素子および第２のＣＤＳ回路の第２の積分容量素子それぞれに蓄積されている電荷量の差分を求め、その差分に応じた電圧信号を出力する差分演算回路と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この光検出装置によれば、受光した光の光量に応じた電流信号が受光素子から出力され、積分回路では、受光素子から出力された電流信号に応じて電荷が蓄積されて、その蓄積された電荷の量に応じた電圧信号が出力される。第１のＣＤＳ（相関二重サンプリング、Correlated Double Sampling）回路では、積分回路から出力される電圧信号が第１の結合容量素子に入力し、その入力した電圧信号の変化量に応じた電荷量が第１の積分容量素子に第１のスイッチ手段により蓄積される。同様にして、第２のＣＤＳ回路でも、積分回路から出力される電圧信号が第２の結合容量素子に入力し、その入力した電圧信号の変化量に応じた電荷量が第２の積分容量素子に第２のスイッチ手段により蓄積される。そして、差分演算回路では、第１のＣＤＳ回路の第１の積分容量素子および第２のＣＤＳ回路の第２の積分容量素子それぞれに蓄積されている電荷量の差分が求められ、その差分に応じた電圧信号が出力される。
【００１０】
また、本発明に係る光検出装置は、積分回路、第１のＣＤＳ回路、第２のＣＤＳ回路および差分演算回路それぞれの動作を制御するタイミング制御回路を更に備え、被写体に向けてスポット光を投光する投光手段とともに用いられる光検出装置であって、タイミング制御回路は、(1) 投光手段により被写体にスポット光が投光されている第１の期間に、受光素子が当該スポット光成分および背景光成分を受光したときに積分回路が出力した電圧信号の変化量に基づいて第１の電荷量を第１のＣＤＳ回路の第１の積分容量素子に蓄積させ、(2) 投光手段により被写体にスポット光が投光されていない第２の期間に、受光素子が背景光成分を受光したときに積分回路が出力した電圧信号の変化量に基づいて第２の電荷量を第２のＣＤＳ回路の第２の積分容量素子に蓄積させ、(3) 第１および第２の期間の後の第３の期間に、第１のＣＤＳ回路の第１の積分容量素子および第２のＣＤＳ回路の第２の積分容量素子それぞれに蓄積されている電荷量の差分を差分演算回路に演算させて、その差分に応じた電圧信号を差分演算回路から出力させる、ことを特徴とする。
【００１１】
この場合には、この光検出装置は、タイミング制御回路による制御の下に、以下のように作用する。すなわち、第１の期間に、受光素子がスポット光成分および背景光成分を受光したときに積分回路が出力した電圧信号の変化量に応じた第１の電荷量が第１のＣＤＳ回路の第１の積分容量素子に蓄積される。また、第２の期間に、受光素子が背景光成分を受光したときに積分回路が出力した電圧信号の変化量に応じた第２の電荷量が第２のＣＤＳ回路の第２の積分容量素子に蓄積される。そして、第３の期間に、第１のＣＤＳ回路の第１の積分容量素子および第２のＣＤＳ回路の第２の積分容量素子それぞれに蓄積されている電荷量の差分が差分演算回路により求められて、その差分に応じた電圧信号が差分演算回路から出力される。この差分演算回路から出力される電圧信号は、スポット光成分に応じたものとなる。なお、第１および第２の期間のうち何れが先であってもよい。
【００１２】
また、本発明に係る光検出装置は、(1) 受光素子、積分回路、第１のＣＤＳ回路、第２のＣＤＳ回路および差分演算回路をＮ組（Ｎ≧２）備え、(2) Ｎ個の差分演算回路それぞれに対応して設けられ、各差分演算回路から出力される電圧信号を保持して出力するＮ個のホールド回路を更に備え、また、(3) Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される電圧信号を順次に入力し、その電圧信号をデジタル信号に変換して、そのデジタル信号を出力するＡ／Ｄ変換回路を更に備える、ことを特徴とする。
【００１３】
この場合には、受光素子、積分回路、第１のＣＤＳ回路、第２のＣＤＳ回路、差分演算回路およびホールド回路がＮ組備えられている。各組の差分演算回路から出力される電圧信号は、ホールド回路により保持される。そして、Ａ／Ｄ変換回路では、Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される電圧信号が順次に入力され、その電圧信号がデジタル信号に変換されて、そのデジタル信号が出力される。すなわち、１次元像または２次元像が撮像されて、その撮像結果がデジタル信号として出力される、
また、本発明に係る光検出装置は、Ｎ個の差分演算回路またはホールド回路それぞれから出力される電圧信号の最大値を検出する最大値検出回路を更に備え、Ａ／Ｄ変換回路は、最大値検出回路により検出された最大値に基づいてＡ／Ｄ変換レンジを設定する、ことを特徴とする。この場合には、最大値検出回路により、Ｎ個の差分演算回路またはホールド回路それぞれから出力される電圧信号の最大値が検出される。そして、Ａ／Ｄ変換回路では、最大値検出回路により検出された最大値に基づいてＡ／Ｄ変換レンジが設定される。
【００１４】
【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。また、Ｎは２以上の整数であり、添え字ｎは特に明示しない限り１からＮまでの任意の整数を示すものとする。
【００１５】
先ず、本発明に係る光検出装置の実施形態について、図１〜図７を用いて説明する。図１は本実施形態に係る光検出装置の全体の概略構成図である。本実施形態に係る光検出装置は、Ｎ個のユニット１００₁〜１００_N、最大値検出回路２００、タイミング制御回路３００、Ａ／Ｄ変換回路４００およびシフトレジスタ５００を備えて構成されている。各ユニット１００_nは、フォトダイオードＰＤ、積分回路１０、第１のＣＤＳ回路２１、第２のＣＤＳ回路２２、差分演算回路３０、ホールド回路４０およびスイッチ素子ＳＷ₅を含む。各ユニット１００_nの積分回路１０は互いに同様の構成であり、各ユニット１００_nの第１のＣＤＳ回路２１は互いに同様の構成であり、各ユニット１００_nの第２のＣＤＳ回路２２は互いに同様の構成であり、各ユニット１００_nの差分演算回路３０は互いに同様の構成であり、また、各ユニット１００_nのホールド回路４０は互いに同様の構成である。したがって、Ｎ個のユニット１００₁〜１００_Nは互いに同様の構成である。
【００１６】
各ユニット１００_nのフォトダイオードＰＤは、アノード端子が接地され、カソード端子が積分回路１０の入力端子に接続されている。フォトダイオードＰＤは、受光した光の光量に応じた電流信号を、カソード端子から積分回路１０の入力端子へ出力する。各ユニット１００_nのフォトダイオードＰＤは、１次元状または２次元状に配置されており、１次元像または２次元像を受光する。
【００１７】
図２は本実施形態に係る光検出装置の積分回路１０の回路図である。各ユニット１００_nの積分回路１０は、入力端子と出力端子との間に互いに並列にアンプＡ₁、容量素子Ｃ₁およびスイッチ素子ＳＷ₁が接続されている。積分回路１０は、スイッチ素子ＳＷ₁が閉じているときには、容量素子Ｃ₁を放電して初期化する。一方、積分回路１０は、スイッチ素子ＳＷ₁が開いているときには、フォトダイオードＰＤから入力端子に入力した電荷を容量素子Ｃ₁に蓄積して、その蓄積された電荷に応じた電圧信号を出力端子から出力する。スイッチ素子ＳＷ₁は、タイミング制御回路３００から出力されるReset信号に基づいて開閉する。
【００１８】
図３は、本実施形態に係る光検出装置の第１のＣＤＳ回路２１、第２のＣＤＳ回路２２および差分演算回路３０それぞれの回路図である。
【００１９】
各ユニット１００_nの第１のＣＤＳ回路２１は、入力端子と出力端子との間に順にスイッチ素子ＳＷ₂₁₁、結合容量素子Ｃ₂₁₁およびアンプＡ₂₁を有している。また、アンプＡ₂₁の入出力間にスイッチ素子ＳＷ₂₁₂および積分容量素子Ｃ₂₁₂が互いに並列的に接続されている。スイッチ素子ＳＷ₂₁₁およびＳＷ₂₁₂は、積分容量素子Ｃ₂₁₂に電荷を蓄積させるためのスイッチ手段として作用する。第１のＣＤＳ回路２１は、スイッチ素子ＳＷ₂₁₂が閉じているときには、積分容量素子Ｃ₂ ₁₂を放電して初期化する。スイッチ素子ＳＷ₂₁₂が開きスイッチ素子ＳＷ₂₁₁が閉じているときには、入力端子から結合容量素子Ｃ₂₁₁を経て入力した第１の電荷を積分容量素子Ｃ₂₁₂に蓄積して、その蓄積された電荷に応じた電圧信号を出力端子から出力する。スイッチ素子ＳＷ₂₁₁は、タイミング制御回路３００から出力されるCSW211信号に基づいて開閉する。また、スイッチ素子ＳＷ₂₁₂は、タイミング制御回路３００から出力されるClamp1信号に基づいて開閉する。
【００２０】
各ユニット１００_nの第２のＣＤＳ回路２２は、入力端子と出力端子との間に順にスイッチ素子ＳＷ₂₂₁、結合容量素子Ｃ₂₂₁およびアンプＡ₂₂を有している。また、アンプＡ₂₂の入出力間にスイッチ素子ＳＷ₂₂₂および積分容量素子Ｃ₂₂₂が互いに並列的に接続されている。スイッチ素子ＳＷ₂₂₁およびＳＷ₂₂₂は、積分容量素子Ｃ₂₂₂に電荷を蓄積させるためのスイッチ手段として作用する。第２のＣＤＳ回路２２の積分容量素子Ｃ₂₂₂の容量値は、第１のＣＤＳ回路２１の積分容量素子Ｃ₂₁₂の容量値と等しい。第２のＣＤＳ回路２２は、スイッチ素子ＳＷ₂₂₂が閉じているときには、積分容量素子Ｃ₂₂₂を放電して初期化する。スイッチ素子ＳＷ₂₂₂が開きスイッチ素子ＳＷ₂₂₁が閉じているときには、入力端子から結合容量素子Ｃ₂₂₁を経て入力した第２の電荷を積分容量素子Ｃ₂₂₂に蓄積して、その蓄積された電荷に応じた電圧信号を出力端子から出力する。スイッチ素子ＳＷ₂₂₁は、タイミング制御回路３００から出力されるCSW221信号に基づいて開閉する。また、スイッチ素子ＳＷ₂₂₂は、タイミング制御回路３００から出力されるClamp2信号に基づいて開閉する。
【００２１】
各ユニット１００_nの差分演算回路３０は、２つの入力端子３０ａおよび３０ｂならびに１つの出力端子３０ｃを有しており、第１の入力端子３０ａが第１のＣＤＳ回路２１の出力端子に接続され、第２の入力端子３０ｂが第２のＣＤＳ回路２２の出力端子に接続されている。差分演算回路３０は、スイッチ素子ＳＷ₃₁〜ＳＷ₃₃、容量素子Ｃ₃およびアンプＡ₃を備える。第１の入力端子３０ａと出力端子３０ｃとの間に順に、スイッチ素子ＳＷ₃₁、容量素子Ｃ₃およびアンプＡ₃が配され、第２の入力端子３０ｂと出力端子３０ｃとの間に順に、スイッチ素子ＳＷ₃₂、容量素子Ｃ₃およびアンプＡ₃が配されている。また、容量素子Ｃ₃とアンプＡ₃との接続点がスイッチ素子ＳＷ₃₃を介して接地されている。
【００２２】
この差分演算回路３０は、スイッチ素子ＳＷ₃₃を閉じているときにスイッチ素子ＳＷ₃₂を開きスイッチ素子ＳＷ₃₁を一定期間だけ閉じることで、第１のＣＤＳ回路２１から出力された電圧信号を入力して、容量素子Ｃ₃に電荷Ｑ１だけ充電する。また、差分演算回路３０は、スイッチ素子ＳＷ₃₃を開いているときにスイッチ素子ＳＷ₃₁を開きスイッチ素子ＳＷ₃₂を一定期間だけ閉じることで、第２のＣＤＳ回路２２から出力された電圧信号を入力して、容量素子Ｃ₃から電荷Ｑ２を放電する。このようにして、差分演算回路３０は、電荷Ｑ１と電荷Ｑ２との差分すなわち電荷（Ｑ１−Ｑ２）を容量素子Ｃ₃に蓄積して、その蓄積された電荷（Ｑ１−Ｑ２）に応じた電圧信号をアンプＡ₃から出力する。スイッチ素子ＳＷ₃₁は、タイミング制御回路３００から出力されるSample1信号に基づいて開閉する。スイッチ素子ＳＷ₃₂は、タイミング制御回路３００から出力されるSample2信号に基づいて開閉する。また、スイッチ素子ＳＷ₃₃は、タイミング制御回路３００から出力されるClamp3信号に基づいて開閉する。
【００２３】
図４は本実施形態に係る光検出装置のホールド回路４０の回路図である。各ユニット１００_nのホールド回路４０は、入力端子と出力端子との間に順にスイッチ素子ＳＷ₄およびアンプＡ₄を有し、スイッチ素子ＳＷ₄とアンプＡ₄との接続点が容量素子Ｃ₄を介して接地されている。ホールド回路４０は、スイッチ素子ＳＷ₄が閉じているときに差分演算回路３０から出力された電圧信号を容量素子Ｃ₄に記憶し、スイッチ素子ＳＷ₄が開いた後も、容量素子Ｃ₄の電圧信号を保持して、その電圧信号をアンプＡ₄を介して出力する。スイッチ素子ＳＷ₄は、タイミング制御回路３００から出力されるHold信号に基づいて開閉する。各ユニット１００_nのスイッチ素子ＳＷ₅は、シフトレジスタ５００により制御されて順次に開き、ホールド回路４０から出力される電圧信号をＡ／Ｄ変換回路４００に順次に入力させる。
【００２４】
図５は本実施形態に係る光検出装置の最大値検出回路２００の回路図である。最大値検出回路２００は、ＮＭＯＳトランジスタＴ₁〜Ｔ_N、抵抗器Ｒ₂₀₁〜Ｒ₂₀₃および差動アンプＡ₂₀₁を備える。各トランジスタＴ_nのソース端子は接地され、各トランジスタＴ_nのドレイン端子は、抵抗器Ｒ₂₀₃を介して電源電圧Ｖddに接続されるとともに、抵抗器Ｒ₂₀₁を介して差動アンプＡ₂₀₁の反転入力端子に接続されている。各トランジスタＴ_nのゲート端子は、ユニット１００_nのホールド回路４０の出力端子と接続されており、ホールド回路４０から出力される電圧信号Ｖ_n3が入力する。また、差動アンプＡ₂₀₁の反転入力端子と出力端子との間には抵抗器Ｒ₂₀₂が設けられ、差動アンプＡ₂₀₁の非反転入力端子は接地されている。この最大値検出回路２００では、各ユニット１００_nのホールド回路４０から出力された電圧信号Ｖ_n3がトランジスタＴ_nのゲート端子に入力され、各電圧信号Ｖ_n3のうちの最大値に応じた電位がトランジスタＴ_nのドレイン端子に現れる。そして、そのドレイン端子の電位は、抵抗器Ｒ₂₀₁およびＲ₂₀₂それぞれの抵抗値の比に応じた増幅率で差動アンプＡ₂₀₁により増幅され、その増幅された電圧の値が最大電圧値Ｖ_maxとして出力端子からＡ／Ｄ変換回路４００へ出力される。
【００２５】
図６は本実施形態に係る光検出装置のＡ／Ｄ変換回路４００の回路図である。Ａ／Ｄ変換回路４００は、最大値検出回路２００から出力される最大電圧値Ｖ_maxを入力し、この最大電圧値Ｖ_maxをＡ／Ｄ変換レンジとする。そして、Ａ／Ｄ変換回路４００は、各ユニット１００_nのホールド回路４０から出力される電圧信号Ｖ_n3をスイッチ素子ＳＷ₅を介して順次に入力し、その電圧信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換して出力する。Ａ／Ｄ変換回路４００は、可変容量積分回路４１０、比較回路Ａ₄₀₂、容量制御部４２０および読み出し部４３０を備える。
【００２６】
可変容量積分回路４１０は、容量素子Ｃ₄₀₁、アンプＡ₄₀₁、可変容量部Ｃ₄₀₀およびスイッチ素子ＳＷ₄₀₁を備える。アンプＡ₄₀₁は、各ユニット１００_nのホールド回路４０から出力されスイッチ素子ＳＷ₅を介して順次に到達した電圧信号Ｖ_n3を、容量素子Ｃ₄₀₁を介して反転入力端子に入力する。アンプＡ₄₀₁の非反転入力端子は接地されている。可変容量部Ｃ₄₀₀は、容量が可変であって制御可能であり、アンプＡ₄₀₁の反転入力端子と出力端子との間に設けられ、入力した電圧信号に応じて電荷を蓄える。スイッチ素子ＳＷ₄₀₁は、アンプＡ₄₀₁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可変容量部Ｃ₄₀₀に電荷の蓄積を行わせ、閉じているときには可変容量部Ｃ₄₀₀における電荷蓄積をリセットする。そして、可変容量積分回路４１０は、各ユニット１００_nから順次に出力された電圧信号Ｖ_n3を入力し、可変容量部Ｃ₄₀₀の容量に応じて積分し、積分した結果である積分信号を出力する。
【００２７】
比較回路Ａ₄₀₂は、可変容量積分回路４１０から出力された積分信号を反転入力端子に入力し、最大値検出回路２００から出力された最大電圧値Ｖ_max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、その大小比較の結果である比較結果信号を出力する。
【００２８】
容量制御部４２０は、比較回路Ａ₄₀₂から出力された比較結果信号を入力し、この比較結果信号に基づいて可変容量部Ｃ₄₀₀の容量を制御する容量指示信号Ｃを出力するとともに、この比較結果信号に基づいて積分信号の値と最大電圧値Ｖ_maxとが所定の分解能で一致していると判断した場合に可変容量部Ｃ₄₀₀の容量値に応じた第１のデジタル信号を出力する。
【００２９】
読み出し部４３０は、容量制御部４２０から出力された第１のデジタル信号を入力し、この第１のデジタル信号に対応する第２のデジタル信号を出力する。第２のデジタル信号は、第１のデジタル信号の値から可変容量積分回路４１０のオフセット値を除去した値を示すものである。読み出し部４３０は、例えば記憶素子であり、第１のデジタル信号をアドレスとして入力し、記憶素子のそのアドレスに記憶されているデータを第２のデジタル信号として出力する。この第２のデジタル信号は、本実施形態に係る光検出装置から出力される光検出信号となる。
【００３０】
図７はＡ／Ｄ変換回路４００中の可変容量積分回路４１０の詳細な回路図である。この図では、１／２⁴＝１／１６の分解能を有するＡ／Ｄ変換機能を備える回路構成を示し、以下、この回路構成で説明する。
【００３１】
この図に示すように、可変容量部Ｃ₄₀₀は、容量素子Ｃ₄₁₁〜Ｃ₄₁₄、スイッチ素子ＳＷ₄₁₁〜ＳＷ₄₁₄およびスイッチ素子ＳＷ₄₂₁〜ＳＷ₄₂₄を備える。容量素子Ｃ₄₁₁およびスイッチ素子ＳＷ₄₁₁は、互いに縦続接続されて、アンプＡ₄₀₁の反転入力端子と出力端子との間に設けられており、スイッチ素子ＳＷ₄₂₁は、容量素子Ｃ₄₁₁およびスイッチ素子ＳＷ₄₁₁の接続点と接地電位との間に設けられている。容量素子Ｃ₄₁₂およびスイッチ素子ＳＷ₄₁₂は、互いに縦続接続されて、アンプＡ₄₀₁の反転入力端子と出力端子との間に設けられており、スイッチ素子ＳＷ₄₂₂は、容量素子Ｃ₄₁₂およびスイッチ素子ＳＷ₄₁₂の接続点と接地電位との間に設けられている。容量素子Ｃ₄₁₃およびスイッチ素子ＳＷ₄₁₃は、互いに縦続接続されて、アンプＡ₄₀₁の反転入力端子と出力端子との間に設けられており、スイッチ素子ＳＷ₄₂₃は、容量素子Ｃ₄₁₃およびスイッチ素子ＳＷ₄₁₃の接続点と接地電位との間に設けられている。また、容量素子Ｃ₄₁₄およびスイッチ素子ＳＷ₄₁₄は、互いに縦続接続されて、アンプＡ₄₀₁の反転入力端子と出力端子との間に設けられており、スイッチ素子ＳＷ₄₂₄は、容量素子Ｃ₄₁₄およびスイッチ素子ＳＷ₄₁₄の接続点と接地電位との間に設けられている。
【００３２】
スイッチ素子ＳＷ₄₁₁〜ＳＷ₄₁₄それぞれは、容量制御部４２０から出力された容量指示信号ＣのうちＣ１１〜Ｃ１４に基づいて開閉する。スイッチ素子ＳＷ₄₂₁〜ＳＷ₄₂₄それぞれは、容量制御部４２０から出力された容量指示信号ＣのうちＣ２１〜Ｃ２４に基づいて開閉する。また、容量素子Ｃ₄₁₁〜Ｃ₄₁₄の容量値をＣ₄₁₁〜Ｃ₄₁₄で表すとすれば、これらは、
Ｃ₄₁₁＝２Ｃ₄₁₂＝４Ｃ₄₁₃＝８Ｃ₄₁₄ …(1)
Ｃ₄₁₁＋Ｃ₄₁₂＋Ｃ₄₁₃＋Ｃ₄₁₄＝Ｃ₀ …(2)
なる関係を満たす。
【００３３】
次に、本実施形態に係る光検出装置の動作について、図８および図９を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る光検出装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。なお、以下では、本実施形態に係る光検出装置が発光ダイオード等の投光手段（図示せず）とともに測距装置を構成する場合について説明する。すなわち、以下に説明する動作は、背景光成分を除去して、発光ダイオードから被写体に投光されたスポット光成分（信号光成分）のみについての光検出信号を出力するものである。
【００３４】
時刻ｔ₁に、Reset信号が論理Ｈとなることにより、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁が閉じて、容量素子Ｃ₁が放電され初期化される。また、Clamp1信号も論理Ｈとなることにより、第１のＣＤＳ回路２１のスイッチ素子ＳＷ₂₁₂が閉じて、第１のＣＤＳ回路２１におけるＣＤＳ動作が停止される。
【００３５】
時刻ｔ₂に、Reset信号が論理Ｌとなることにより、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁が開く。そして、時刻ｔ₂以降、フォトダイオードＰＤから出力された電荷が容量素子Ｃ₁に蓄積されていき、積分回路１０の出力端子から出力される電圧信号は次第に大きくなっていく。この時刻ｔ₂では、Clamp1信号は論理Ｈのままであり、第１のＣＤＳ回路２１のスイッチ素子ＳＷ₂₁₂は閉じたままである。また、時刻ｔ₂では、CSW211信号は論理Ｌであり、第１のＣＤＳ回路２１のスイッチ素子ＳＷ₂₁₁は開いている。
【００３６】
時刻ｔ₃に、Clamp1信号が論理Ｌとなることにより、第１のＣＤＳ回路２１のスイッチ素子ＳＷ₂₁₂が開き、また、CSW211信号が論理Ｈとなることにより、第１のＣＤＳ回路２１のスイッチ素子ＳＷ₂₁₁が閉じる。そして、時刻ｔ₃から一定時間Ｔ経過後の時刻ｔ₄に、CSW211信号が論理Ｌとなることにより、第１のＣＤＳ回路２１のスイッチ素子ＳＷ₂₁₁が開く。
【００３７】
時刻ｔ₂〜ｔ₄の期間では、発光ダイオードから被写体にスポット光が投光されている。したがって、発光ダイオードから投光され被写体により反射されたスポット光成分および背景光成分の双方がフォトダイオードＰＤに入射して、それによって発生した電流信号がフォトダイオードＰＤから出力される。そして、その電流信号を入力した積分回路１０では、容量素子Ｃ₁に電荷が蓄積され、その蓄積された電荷の量に応じた電圧信号が積分回路１０から出力される。また、時刻ｔ₃〜ｔ₄の期間（第１の期間）では、積分回路１０の出力端子から出力される電圧信号が第１のＣＤＳ回路２１に入力して、時刻ｔ₃以降の入力電圧信号の変化分に相当する電荷が積分容量素子Ｃ₂₁₂に蓄積され、その蓄積された電荷の量に応じた電圧信号が第１のＣＤＳ回路２１から出力される。したがって、時刻ｔ₄以降に第１のＣＤＳ回路２１から出力される電圧信号は、時刻ｔ₃および時刻ｔ₄それぞれに積分回路１０から出力される電圧信号の差に相当する電圧値Ｖ_n1となり、積分回路１０にて生じるノイズ成分が除去されたものとなる。
【００３８】
時刻ｔ₄に、Reset信号が論理Ｈとなることにより、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁が閉じて、容量素子Ｃ₁が放電され初期化される。また、Clamp2信号も論理Ｈとなることにより、第２のＣＤＳ回路２２のスイッチ素子ＳＷ₂₂₂が閉じて、第２のＣＤＳ回路２２におけるＣＤＳ動作が停止される。
【００３９】
時刻ｔ₅に、Reset信号が論理Ｌとなることにより、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁が開く。そして、時刻ｔ₅以降、フォトダイオードＰＤから出力された電荷が容量素子Ｃ₁に蓄積されていき、積分回路１０の出力端子から出力される電圧信号は次第に大きくなっていく。この時刻ｔ₅では、Clamp2信号は論理Ｈのままであり、第２のＣＤＳ回路２２のスイッチ素子ＳＷ₂₂₂は閉じたままである。また、時刻ｔ₅では、CSW221信号は論理Ｌであり、第２のＣＤＳ回路２２のスイッチ素子ＳＷ₂₂₁は開いている。
【００４０】
時刻ｔ₆に、Clamp2信号が論理Ｌとなることにより、第２のＣＤＳ回路２２のスイッチ素子ＳＷ₂₂₂が開き、また、CSW221信号が論理Ｈとなることにより、第２のＣＤＳ回路２２のスイッチ素子ＳＷ₂₂₁が閉じる。そして、時刻ｔ₆から一定時間Ｔ経過後の時刻ｔ₇に、CSW221信号が論理Ｌとなることにより、第２のＣＤＳ回路２２のスイッチ素子ＳＷ₂₂₁が開く。
【００４１】
時刻ｔ₅〜ｔ₇の期間では、発光ダイオードから被写体にスポット光が投光されていない。したがって、背景光成分のみがフォトダイオードＰＤに入射して、それによって発生した電流信号がフォトダイオードＰＤから出力される。そして、その電流信号を入力した積分回路１０では、容量素子Ｃ₁に電荷が蓄積され、その蓄積された電荷の量に応じた電圧信号が積分回路１０から出力される。また、時刻ｔ₆〜ｔ₇の期間（第２の期間）では、積分回路１０の出力端子から出力される電圧信号が第２のＣＤＳ回路２２に入力して、時刻ｔ₆以降の入力電圧信号の変化分に相当する電荷が積分容量素子Ｃ₂₂₂に蓄積され、その蓄積された電荷の量に応じた電圧信号が第２のＣＤＳ回路２２から出力される。したがって、時刻ｔ₇以降に第２のＣＤＳ回路２２から出力される電圧信号は、時刻ｔ₆および時刻ｔ₇それぞれに積分回路１０から出力される電圧信号の差に相当する電圧値Ｖ_n2となり、積分回路１０にて生じるノイズ成分が除去されたものとなる。
【００４２】
時刻ｔ₇以降では、第１のＣＤＳ回路２１の積分容量素子Ｃ₂₁₂に蓄積されている電荷は、スポット光成分と背景光成分とを加算したものに相当するものであり、第２のＣＤＳ回路２２の積分容量素子Ｃ₂₂₂に蓄積されている電荷は、背景光成分のみに相当するものである。また、時刻ｔ₃〜ｔ₄までの期間（第１の期間）と時刻ｔ₆〜ｔ₇までの期間（第２の期間）とは互いに等しい時間Ｔであり、第１のＣＤＳ回路２１の積分容量素子Ｃ₂₁₂および第２のＣＤＳ回路２２の積分容量素子Ｃ₂₂₂それぞれの容量は互いに等しいので、電圧値Ｖ_n1は、スポット光成分と背景光成分とを加算したものに相当するものであり、電圧値Ｖ_n2は、背景光成分のみに相当するものであり、したがって、これら間の電圧差ΔＶ_n＝（Ｖ_n1−Ｖ_n2）は、スポット光成分のみに相当するものである。そこで、時刻ｔ₈以降では、この電圧差ΔＶ_nが差分演算回路３０により以下のようにして求められる。
【００４３】
時刻ｔ₇以降（第３の期間）、Reset信号は論理Ｈであり、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁が閉じて、容量素子Ｃ₁が放電され初期化状態が維持される。Clamp1信号は論理Ｌであり、第１のＣＤＳ回路２１のスイッチ素子ＳＷ₂₁₂が開いたままである。また、Clamp2信号は論理Ｌであり、第２のＣＤＳ回路２２のスイッチ素子ＳＷ₂₂₂が開いたままである。
【００４４】
時刻ｔ₇以降の第３の期間のうち時刻ｔ₈〜ｔ₉の期間に、Sample1信号は論理Ｈであり、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃₁は閉じる。このとき、Sample2信号は論理Ｌであり、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃₂は開いており、また、Clamp3信号は論理Ｈであり、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃₃は閉じている。この期間に、第１のＣＤＳ回路２１の出力端子から出力される電圧値Ｖ_n1が差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃₁を介して容量素子Ｃ₃に入力し、その電圧値Ｖ_n1が容量素子Ｃ₃に保持される。
【００４５】
時刻ｔ₇以降の第３の期間のうち時刻ｔ₁₀〜ｔ₁₁の期間に、Sample2信号は論理Ｈであり、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃₂は閉じる。このとき、Sample1信号は論理Ｌであり、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃₁は開いており、また、Clamp3信号は論理Ｌであり、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃₃は開いている。この期間に、第２のＣＤＳ回路２２の出力端子から出力される電圧値Ｖ_n2が差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃₂を介して容量素子Ｃ₃に入力する。このとき、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃₃は開いているので、差分演算回路３０の容量素子Ｃ₃には、電圧値Ｖ_n2と電圧値Ｖ_n1との差ΔＶ_nが保持される。この電圧値ΔＶ_nは、スポット光成分のみに相当するものである。
【００４６】
そして、時刻ｔ₁₀にHold信号が論理Ｈとなり、ホールド回路４０のスイッチ素子ＳＷ₄が閉じると、差分演算回路３０の容量素子Ｃ₃に保持されている電圧値ΔＶ_nは、差分演算回路３０のアンプＡ₃およびホールド回路４０のスイッチ素子ＳＷ₄を経て、ホールド回路４０の容量素子Ｃ₄に保持される。時刻ｔ₁₁にHold信号が論理Ｌとなってスイッチ素子ＳＷ₄が開いた後も、ホールド回路４０の容量素子Ｃ₄に保持された電圧値ΔＶ_nは、アンプＡ₄から電圧信号Ｖ_n3として出力される。
【００４７】
各ユニット１００_nのホールド回路４０から出力された電圧信号Ｖ_n3は、最大値検出回路２００に入力して最大電圧値Ｖ_maxが検出される。また、各ユニット１００_nのスイッチ素子ＳＷ₅がシフトレジスタ５００により順次に閉じられて、各ユニット１００_nのホールド回路４０から出力された電圧信号Ｖ_n3はＡ／Ｄ変換回路４００に順次に入力する。
【００４８】
続いて、図９を用いて、Ａ／Ｄ変換回路４００の動作を説明する。時刻ｔ₁₁においては、可変容量積分回路４１０のスイッチ素子ＳＷ₄₀₁は閉じられ、可変容量積分回路４１０はリセット状態とされている。また、可変容量積分回路４１０のスイッチ素子ＳＷ₄₁₁〜ＳＷ₄₁₄それぞれが閉じられ、スイッチ素子ＳＷ₄₂₁〜ＳＷ₄₂₄それぞれが閉じられて、可変容量部Ｃ₄₀₀の容量値がＣ₀に設定されている。
【００４９】
そして、時刻ｔ₁₁以降の或る時刻に、Ａ／Ｄ変換回路４００のスイッチ素子ＳＷ₄₀₁が開かれ、第１番目のユニット１００₁のスイッチ素子ＳＷ₅が閉じられる。ユニット１００₁のホールド回路４０から出力された電圧信号V₁₃は、スイッチ素子ＳＷ₅を介して、Ａ／Ｄ変換回路４００の可変容量積分回路４１０に入力する。可変容量積分回路４１０の容量素子Ｃ₄₀₁に電圧信号Ｖ₁₃が入力すると、その電圧信号Ｖ₁₃の値と可変容量部Ｃ₄₀₀の容量値Ｃ₀とに応じた電荷Ｑが可変容量部Ｃ₄₀₀に流入する（図９（ａ）参照）。このとき、可変容量積分回路４１０から出力される積分信号の値Ｖ_saは、
Ｖ_sa＝Ｖ₁₃＝Ｑ／Ｃ₀ …(3)
なる式で表される。
【００５０】
引き続き、容量制御部４２０は、可変容量部Ｃ₄₀₀のスイッチ素子ＳＷ₄₁₂〜ＳＷ₄₁₄を開いた後、スイッチ素子ＳＷ₄₂₂〜ＳＷ₄₂₄を閉じる（図９（ｂ）参照）。この結果、可変容量部Ｃ₄₀₀の容量値はＣ₄₁₁となり、可変容量積分回路４１０から出力される積分信号の値Ｖ_sbは、
Ｖ_sb＝Ｑ／Ｃ₄₁₁ …(4)
となる。この積分信号は、比較回路Ａ₄₀₂に入力し、その値が最大電圧値Ｖ_maxと大小比較される。
【００５１】
もし、Ｖ_sb＞Ｖ_maxであれば、この比較結果を受けて容量制御部４２０は、さらに、可変容量部Ｃ₄₀₀のスイッチ素子ＳＷ₄₂₂を開いた後に、スイッチ素子ＳＷ₄₁₂を閉じる（図９（ｃ）参照）。この結果、可変容量部Ｃ₄₀₀の容量値はＣ₄₁₁＋Ｃ₄₁₂となり、可変容量積分回路４１０から出力される積分信号の値Ｖ_scは、
Ｖ_sc＝Ｑ／（Ｃ₄₁₁＋Ｃ₄₁₂） …(5)
となる。この積分信号は、比較回路Ａ₄₀₂に入力し、その値が最大電圧値Ｖ_maxと大小比較される。
【００５２】
また、Ｖ_sb＜Ｖ_maxであれば、この比較結果を受けて容量制御部４２０は、さらに、可変容量部Ｃ₄₀₀のスイッチ素子ＳＷ₄₁₁およびＳＷ₄₂₂を開いた後に、スイッチ素子ＳＷ₄₁₂およびＳＷ₄₂₁を閉じる（図９（ｄ）参照）。この結果、可変容量部Ｃ₄₀₀の容量値はＣ₄₁₂となり、可変容量積分回路４１０から出力される積分信号の値Ｖ_sdは、
Ｖ_sd＝Ｑ／Ｃ₄₁₂ …(6)
となる。この積分信号は、比較回路Ａ₄₀₂に入力し、その値が最大電圧値Ｖ_maxと大小比較される。
【００５３】
以後、同様にして、可変容量積分回路４１０、比較回路Ａ₄₀₂および容量制御部４２０からなるフィードバックループにより、積分信号の値と基準電位Ｖ_maxとが所定の分解能で一致していると容量制御部４２０により判断されるまで、可変容量部Ｃ₄₀₀の容量値の設定、および、積分信号の値と最大電圧値Ｖ_maxとの大小比較を繰り返す。容量制御部４２０は、このようにして可変容量部Ｃ₄₀₀の容量素子Ｃ₄₁₁〜Ｃ₄₁₄の全てについて容量制御を終了すると、可変容量部Ｃ₄₀₀の最終的な容量値に応じたデジタル信号を読み出し部４３０へ向けて出力する。
【００５４】
読み出し部４３０では、容量制御部４２０から出力されたデジタル信号をアドレスとして入力し、記憶素子のそのアドレスに記憶されているデジタルデータを、本実施形態に係る光検出装置の光検出信号として出力する。以上のようにして、第１番目のユニット１００₁のフォトダイオードＰＤが受光したスポット光の光量に応じた電圧信号Ｖ₁₃は、Ａ／Ｄ変換回路４００によりデジタル信号に変換され、そのデジタル信号が光検出信号として出力される。以降同様にして、第２番目以降のユニット１００_nのフォトダイオードＰＤが受光したスポット光の光量に応じた電圧信号Ｖ_n3は、Ａ／Ｄ変換回路４００によりデジタル信号に変換され、そのデジタル信号が光検出信号として順次に出力される。
【００５５】
可変容量積分回路４１０に入力する各電圧信号Ｖ_n3の最大値が最大電圧値Ｖ_maxであり、可変容量部Ｃ₄₀₀の容量値の最大値がＣ₀であることから、上記(3)式より、可変容量部Ｃ₄₀₀に流入する電荷Ｑの最大値はＶ_max・Ｃ₀である。そして、或る第ｎ番目の電圧信号Ｖ_n3が最大電圧値Ｖ_maxであるときには、可変容量部Ｃ₄₀₀のスイッチ素子ＳＷ₄₁₁〜ＳＷ₄₁₄の全てが閉じられて可変容量部Ｃ₄₀₀の容量値はＣ₀となる。一方、他の或る第ｎ番目の電圧信号Ｖ_n3が最大電圧値Ｖ_maxより小さい値であるときには、可変容量部Ｃ₄₀₀に流入する電荷ＱはＶ_max・Ｃ₀より小さいので、可変容量部Ｃ₄₀₀のスイッチ素子ＳＷ₄₁₁〜ＳＷ₄₁₄のうち何れかが開くことにより、可変容量積分回路４１０から出力される積分信号は最大電圧値Ｖ_maxと等しくなる。
【００５６】
以上のように、最大値検出回路２００から出力され比較回路Ａ₄₀₂に入力される最大電圧値Ｖ_maxは、Ａ／Ｄ変換回路４００が飽和することなくＡ／Ｄ変換することができる電圧信号Ｖ_n3の最大値すなわちＡ／Ｄ変換レンジを規定している。しかも、Ａ／Ｄ変換回路４００に入力する各電圧信号Ｖ_n3のうち何れかの値は必ず最大電圧値Ｖ_maxであるから、上記Ａ／Ｄ変換レンジの全ての範囲を有効に活用することができる。すなわち、本実施形態に係る光検出装置は、受光量が大きくても飽和することなく、且つ、受光量が小さくてもＡ／Ｄ変換の分解能が優れたものとなる。
【００５７】
また、光検出装置が測距装置に用いられる場合のように、スポット光成分および背景光成分の受光結果から背景光成分の受光結果を差し引くことによりスポット光成分のみの信号を得る場合であって、フォトダイオードＰＤが受光する光のうちスポット光成分に比べて背景光成分が大きい場合であっても、その差し引いた結果として得られるスポット光成分に基づいてＡ／Ｄ変換回路４００から出力されるデジタル信号は、分解能が優れたものとなる。
【００５８】
さらに、本実施形態では、スポット光成分および背景光成分の双方がフォトダイオードＰＤにより受光されているときに、一定時間Ｔにおける積分回路１０から出力される電圧信号の変動分Ｖ_n1が第１のＣＤＳ回路２１の積分容量素子Ｃ₂₁₂に保持される。また、背景光成分のみがフォトダイオードＰＤにより受光されているときに、一定時間Ｔにおける積分回路１０から出力される電圧信号の変動分Ｖ_n2が第２のＣＤＳ回路２２の積分容量素子Ｃ₂₂₂に保持される。そして、その後に、電圧値Ｖ_n1と電圧値Ｖ_n2との差に相当する電圧信号Ｖ_n3が、差分演算回路３０により求められ、ホールド回路４０から出力される。したがって、第１のＣＤＳ回路２１から出力される電圧値Ｖ_n1、第２のＣＤＳ回路２２から出力される電圧値Ｖ_n2、および、ホールド回路４０から出力される電圧信号Ｖ_n3それぞれは、積分回路１０にて生じるノイズ成分が除去されたものとなる。
【００５９】
次に、本発明に係る光検出装置における差分演算回路の他の実施形態について説明する。図１０は、他の実施形態に係る光検出装置の差分演算回路３０Ａの回路図である。この差分演算回路３０Ａは、図１における差分演算回路３０に替えて用いられるものである。差分演算回路３０Ａは、２つの入力端子３０ａおよび３０ｂならびに１つの出力端子３０ｃを有しており、第１の入力端子３０ａが第１のＣＤＳ回路２１の出力端子に接続され、第２の入力端子３０ｂが第２のＣＤＳ回路２２の出力端子に接続されている。差分演算回路３０Ａは、スイッチ素子ＳＷ₃₁〜ＳＷ₃₃、容量素子Ｃ₃₁およびＣ₃₂、ならびにアンプＡ₃を備える。第１の入力端子３０ａと出力端子３０ｃとの間に順に、スイッチ素子ＳＷ₃₁、容量素子Ｃ₃₁およびアンプＡ₃が配され、第２の入力端子３０ｂと出力端子３０ｃとの間に順に、スイッチ素子ＳＷ₃₂、容量素子Ｃ₃₁およびアンプＡ₃が配されている。また、アンプＡ₃の入出力間にスイッチ素子ＳＷ₃₃および容量素子Ｃ₃₂が互いに並列的に接続されている。
【００６０】
この図１０に示す差分演算回路３０Ａは、図３に示した差分演算回路３０と略同様に動作する。すなわち、この差分演算回路３０Ａは、スイッチ素子ＳＷ₃₃を開いているときにスイッチ素子ＳＷ₃₂を開きスイッチ素子ＳＷ₃₁を一定期間だけ閉じることで、第１のＣＤＳ回路２１から出力された電圧信号を入力して、容量素子Ｃ₃₂に電荷Ｑ１だけ充電する。また、差分演算回路３０Ａは、スイッチ素子ＳＷ₃₃を開いているときにスイッチ素子ＳＷ₃₁を開きスイッチ素子ＳＷ₃₂を一定期間だけ閉じることで、第２のＣＤＳ回路２２から出力された電圧信号を入力して、容量素子Ｃ₃₂から電荷Ｑ２を放電する。このようにして、差分演算回路３０Ａは、電荷Ｑ１と電荷Ｑ２との差分すなわち電荷（Ｑ１−Ｑ２）を容量素子Ｃ₃₂に蓄積して、その蓄積された電荷（Ｑ１−Ｑ２）に応じた電圧信号をアンプＡ₃から出力する。スイッチ素子ＳＷ₃₁は、タイミング制御回路３００から出力されるSample1信号に基づいて開閉する。スイッチ素子ＳＷ₃₂は、タイミング制御回路３００から出力されるSample2信号に基づいて開閉する。また、スイッチ素子ＳＷ₃₃は、タイミング制御回路３００から出力されるClamp3信号に基づいて開閉する。
【００６１】
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、Ａ／Ｄ変換回路４００を設けることなく、各ユニット１００_nのホールド回路４０から電圧信号Ｖ_n3を光検出装置の出力信号として順次に出力してもよい。
【００６２】
また、上記実施形態では、２以上のフォトダイオードを有する光検出装置すなわち撮像装置について説明したが、１つのフォトダイオードを有する光検出装置にも本発明を適用することができる。この場合には、フォトダイオードＰＤ、積分回路１０、第１のＣＤＳ回路２１、第２のＣＤＳ回路２２および差分演算回路３０（または３０Ａ）を１組だけ備えれば充分であり、同様にしてＳ／Ｎ比が優れたものとなる。
【００６３】
また、上記実施形態では、各ユニット１００_nのホールド回路４０から出力される電圧信号Ｖ_n3のうちの最大値を最大値検出回路２００により検出したが、各ユニット１００_nの差分演算回路３０（または３０Ａ）から出力される電圧信号のうちの最大値を最大値検出回路２００により検出してもよい。
【００６４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、受光した光の光量に応じた電流信号が受光素子から出力され、積分回路では、受光素子から出力された電流信号に応じて電荷が蓄積されて、その蓄積された電荷の量に応じた電圧信号が出力される。第１のＣＤＳ回路では、積分回路から出力される電圧信号が第１の結合容量素子に入力し、その入力した電圧信号の変化量に応じた電荷量が第１の積分容量素子に第１のスイッチ手段により蓄積される。同様にして、第２のＣＤＳ回路でも、積分回路から出力される電圧信号が第２の結合容量素子に入力し、その入力した電圧信号の変化量に応じた電荷量が第２の積分容量素子に第２のスイッチ手段により蓄積される。そして、差分演算回路では、第１のＣＤＳ回路の第１の積分容量素子および第２のＣＤＳ回路の第２の積分容量素子それぞれに蓄積されている電荷量の差分が求められ、その差分に応じた電圧信号が出力される。
【００６５】
したがって、積分回路が各積分動作毎に異なるノイズばらつきを有していても、第１および第２のＣＤＳ回路それぞれによりノイズ誤差が解消される。また、第１の期間に、第１のＣＤＳ回路の第１の積分容量素子にスポット光成分（信号光成分）および背景光成分に応じた電荷が蓄積され、第２の期間に、第２のＣＤＳ回路の第２の積分容量素子に背景光成分に応じた電荷が蓄積され、そして、第３の期間に両者の差分が差分演算回路で求められるので、差分演算回路から出力される電圧信号は、スポット光成分（信号光成分）のみに応じたものである。このように、受光素子が受光する光の光量すなわち上記電圧信号の値が小さい場合であっても、光検出のＳ／Ｎ比は優れたものとなる。
【００６６】
さらに、発光ダイオード等の投光手段の発光タイミングの都合により、積分回路への電荷の蓄積の順序を変更しなければらない場合、すなわち、上記第１の期間および上記第２の期間を変更しなければらない場合、従来技術では、積分回路に続く回路系が固定されて片極性しか動作が許されないことから、このような変更は不可能であった。しかし、本発明によれば、第１および第２のＣＤＳ回路は互いに独立に制御可能であるので、これらに蓄積された情報も互いに独立に取り出すことができる。すなわち、本発明によれば、上記第１の期間および上記第２の期間を容易に変更することができる。
【００６７】
また、受光素子、積分回路、第１のＣＤＳ回路、第２のＣＤＳ回路、差分演算回路およびホールド回路がＮ組備えられ、各組の差分演算回路から出力される電圧信号がホールド回路により保持され、そして、Ａ／Ｄ変換回路では、Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される電圧信号が順次に入力され、その電圧信号がデジタル信号に変換されて、そのデジタル信号が出力される。この場合には、１次元像または２次元像が受光されて、その受光結果がデジタル信号として出力される。
【００６８】
また、最大値検出回路により、Ｎ個の差分演算回路またはホールド回路それぞれから出力される電圧信号の最大値が検出され、Ａ／Ｄ変換回路では、最大値検出回路により検出された最大値に基づいてＡ／Ｄ変換レンジが設定される場合には、受光量が大きくても飽和することなく、受光量が小さくても分解能が優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る光検出装置の全体の概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る光検出装置の積分回路の回路図である。
【図３】本実施形態に係る光検出装置の第１のＣＤＳ回路、第２のＣＤＳ回路および差分演算回路それぞれの回路図である。
【図４】本実施形態に係る光検出装置のホールド回路の回路図である。
【図５】本実施形態に係る光検出装置の最大値検出回路の回路図である。
【図６】本実施形態に係る光検出装置のＡ／Ｄ変換回路の回路図である。
【図７】Ａ／Ｄ変換回路中の可変容量積分回路の詳細な回路図である。
【図８】本実施形態に係る光検出装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】Ａ／Ｄ変換回路の動作を説明する図である。
【図１０】他の実施形態に係る光検出装置の差分演算回路の回路図である。
【符号の説明】
ＰＤ…フォトダイオード（受光素子）、１０…積分回路、２１…第１のＣＤＳ回路、２２…第２のＣＤＳ回路、３０…差分演算回路、４０…ホールド回路、２００…最大値検出回路、３００…タイミング制御回路、４００…Ａ／Ｄ変換回路、５００…シフトレジスタ。

Claims

受光した光の光量に応じた電流信号を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力された電流信号に応じて電荷を蓄積して、その蓄積された電荷の量に応じた電圧信号を出力する積分回路と、
前記積分回路から出力される電圧信号を入力する入力端と出力端との間に順に設けられた第１の結合容量素子および第１の増幅器と、前記第１の増幅器の入出力間に並列的に設けられた第１の積分容量素子と、前記第１の積分容量素子に前記電圧信号の変化量に応じた電荷量を蓄積させる第１のスイッチ手段と、を有する第１のＣＤＳ回路と、
前記積分回路から出力される電圧信号を入力する入力端と出力端との間に順に設けられた第２の結合容量素子および第２の増幅器と、前記第１の積分容量素子の容量値と等しい容量値を有し前記第２の増幅器の入出力間に並列的に設けられた第２の積分容量素子と、前記第２の積分容量素子に前記電圧信号の変化量に応じた電荷量を蓄積させる第２のスイッチ手段と、を有する第２のＣＤＳ回路と、
前記第１のＣＤＳ回路の前記第１の積分容量素子および前記第２のＣＤＳ回路の前記第２の積分容量素子それぞれに蓄積されている電荷量の差分を求め、その差分に応じた電圧信号を出力する差分演算回路と、
を備えることを特徴とする光検出装置。
前記積分回路、前記第１のＣＤＳ回路、前記第２のＣＤＳ回路および前記差分演算回路それぞれの動作を制御するタイミング制御回路を更に備え、被写体に向けてスポット光を投光する投光手段とともに用いられる光検出装置であって、
前記タイミング制御回路は、
前記投光手段により前記被写体に前記スポット光が投光されている第１の期間に、前記受光素子が当該スポット光成分および背景光成分を受光したときに前記積分回路が出力した電圧信号の変化量に基づいて第１の電荷量を前記第１のＣＤＳ回路の第１の積分容量素子に蓄積させ、
前記投光手段により前記被写体に前記スポット光が投光されていない第２の期間に、前記受光素子が前記背景光成分を受光したときに前記積分回路が出力した電圧信号の変化量に基づいて第２の電荷量を前記第２のＣＤＳ回路の第２の積分容量素子に蓄積させ、
前記第１および前記第２の期間の後の第３の期間に、前記第１のＣＤＳ回路の前記第１の積分容量素子および前記第２のＣＤＳ回路の前記第２の積分容量素子それぞれに蓄積されている電荷量の差分を前記差分演算回路に演算させて、その差分に応じた電圧信号を前記差分演算回路から出力させる、
ことを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
前記受光素子、前記積分回路、前記第１のＣＤＳ回路、第２のＣＤＳ回路および前記差分演算回路をＮ組（Ｎ≧２）備え、
Ｎ個の前記差分演算回路それぞれに対応して設けられ、各差分演算回路から出力される電圧信号を保持して出力するＮ個のホールド回路と、
Ｎ個の前記ホールド回路それぞれから出力される電圧信号を順次に入力し、その電圧信号をデジタル信号に変換して、そのデジタル信号を出力するＡ／Ｄ変換回路と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
Ｎ個の前記差分演算回路または前記ホールド回路それぞれから出力される電圧信号の最大値を検出する最大値検出回路を更に備え、
前記Ａ／Ｄ変換回路は前記最大値検出回路により検出された最大値に基づいてＡ／Ｄ変換レンジを設定する、
ことを特徴とする請求項３記載の光検出装置。