JP4429796B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセンサ素子を含むセンサ装置に関するものである。

複数のセンサ素子を含むセンサ装置では、各センサ素子によるセンシング量検出結果に応じた電圧値が信号処理回路から出力され、さらに、その電圧値に応じたデジタル値がＡ／Ｄ変換回路から出力される。そして、各センサ素子についてのセンシング量に応じたデジタル値に基づいて、センシング量（例えば、光強度、温度、変位、等）についての１次元または２次元の分布が得られる。このようなセンサ装置の一例として、１次元状または２次元状に配列された複数のフォトダイオードを含む撮像装置が挙げられる。
特開平９−５１４７６号公報

ところで、上記のようなセンサ装置により検出されるセンシング量には、本来検出されるべき信号成分が含まれるだけでなく、この信号成分に重畳されてノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）も含まれる場合がある。このノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）が大きく不定である場合には、Ａ／Ｄ変換回路は、例えば、信号成分のみを含む入力電圧値に対しては出力デジタル値が８ビットであれば充分であるにも拘らず、この場合と同程度の精度で信号成分をＡ／Ｄ変換するには、信号成分にノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）が重畳された入力電圧値に対しては出力デジタル値が１０ビットである必要がある。

Ａ／Ｄ変換回路の出力デジタル値のビット数が多いと、該Ａ／Ｄ変換回路は、変換時間が長く、消費電力が多く、また、回路規模が大きい。また、一般には、全てのセンサ素子それぞれによるセンシング量検出結果について一定時間のうちにＡ／Ｄ変換処理する必要があることから、複数のＡ／Ｄ変換回路により並列処理する必要がある場合があり、これにより、消費電力が更に多くなり、また、回路規模も更に大きくなる。

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、信号成分にノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）が重畳されたセンシング量であっても、出力デジタル値のビット数が少ないＡ／Ｄ変換回路を用いて、高精度で信号成分のデジタル値を得ることができるセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るセンサ装置は、(1) Ｎ個のセンサ素子を含み、第ｎのセンサ素子によるセンシング結果に応じた電圧値Ｖ_ｎを出力するセンサアレイ部と（ただし、Ｎは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）、(2) センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを入力して、電圧値Ｖ_ｎと電圧値Ｖ_ｎ−１との差（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）に応じた電圧値Ｕ_ｎ（ただし、ｎ≠１）を出力する差演算部と、(3) 電圧値Ｖ _ＦＳ１ をフルスケールとして、センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ _１ 〜Ｖ _Ｎ のうちの少なくとも何れか１つの電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するとともに、電圧値Ｖ _ＦＳ１ より小さい電圧値Ｖ _ＦＳ２ をフルスケールとして、差演算部から出力された各電圧値Ｕ_ｎをデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換部と、を備えることを特徴とする。

このセンサ装置では、Ｎ個のセンサ素子を含むセンサアレイ部から、第ｎのセンサ素子によるセンシング結果に応じた電圧値Ｖ_ｎが出力される。センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎは差演算部に入力して、電圧値Ｖ_ｎと電圧値Ｖ_ｎ−１との差（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）に応じた電圧値Ｕ_ｎ（ただし、ｎ≠１）が差演算部から出力される。そして、Ａ／Ｄ変換部により、電圧値Ｖ _ＦＳ１ がフルスケールとされて、Ｎ個の電圧値Ｖ _１ 〜Ｖ _Ｎ のうちの少なくとも何れか１つの電圧値がデジタル値に変換されて、このデジタル値が出力される。また、Ａ／Ｄ変換部により、電圧値Ｖ _ＦＳ１ より小さい電圧値Ｖ _ＦＳ２ がフルスケールとされて、差演算部から出力された各電圧値Ｕ_ｎがデジタル値に変換され、このデジタル値が出力される。

また、本発明に係るセンサ装置は、(1) Ｎ個のセンサ素子を含み、第ｎのセンサ素子によるセンシング結果に応じた電圧値Ｖ_ｎを出力するセンサアレイ部と（ただし、Ｎは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）、(2) センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを入力して、これらＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎのうちの特定の電圧値Ｖ_ｎ０と電圧値Ｖ_ｎとの差（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ０）に応じた電圧値Ｗ_ｎを出力する差演算部と、(3) 電圧値Ｖ _ＦＳ１ をフルスケールとして、特定の電圧値Ｖ _ｎ０ をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するとともに、電圧値Ｖ _ＦＳ１ より小さい電圧値Ｖ _ＦＳ２ をフルスケールとして、差演算部から出力された各電圧値Ｗ_ｎをデジタル値に変換し、このデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換部と、を備えることを特徴とする。

このセンサ装置では、Ｎ個のセンサ素子を含むセンサアレイ部から、第ｎのセンサ素子によるセンシング結果に応じた電圧値Ｖ_ｎが出力される。センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎは差演算部に入力して、特定の電圧値Ｖ_ｎ０と電圧値Ｖ_ｎとの差（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ０）に応じた電圧値Ｗ_ｎが差演算部から出力される。なお、このとき、「ｎ＝ｎ０」の場合については差演算が行われなくてもよい。そして、Ａ／Ｄ変換部により、電圧値Ｖ _ＦＳ１ がフルスケールとされて、特定の電圧値Ｖ _ｎ０ がデジタル値に変換されて、このデジタル値が出力される。また、Ａ／Ｄ変換部により、電圧値Ｖ _ＦＳ１ より小さい電圧値Ｖ _ＦＳ２ がフルスケールされして、差演算部から出力された各電圧値Ｗ_ｎがデジタル値に変換され、このデジタル値が出力される。

本発明に係るセンサ装置は、センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを入力し、これらＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを保持し出力する保持部を更に備え、差演算部が、保持部により保持されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎに基づいて各電圧値Ｕ_ｎまたは各電圧値Ｗ_ｎを出力するのが好適である。この場合には、センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎは、保持部により保持され出力される。そして、差演算部により、保持部により保持されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎに基づいて各電圧値Ｕ_ｎまたは各電圧値Ｗ_ｎが求められる。

本発明に係るセンサ装置は、Ｎ個のセンサ素子それぞれがフォトダイオードであるのが好適である。この場合には、入射光強度の１次元分布または２次元分布が検出される。また、入射光強度が信号成分およびノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）を含み、該ノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）が大きく不定である場合であっても、出力デジタル値のビット数が少ないＡ／Ｄ変換回路を用いて、高精度で信号成分のデジタル値を得ることができる。

本発明に係るセンサ装置は、信号成分にノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）が重畳されたセンシング量であっても、出力デジタル値のビット数が少ないＡ／Ｄ変換回路を用いて、高精度で信号成分のデジタル値を得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良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。

（第１実施形態）
先ず、本発明に係るセンサ装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るセンサ装置１の全体構成図である。この図に示されるセンサ装置１は、センサアレイ部１０、保持部２０、差演算部３０およびＡ／Ｄ変換部４０を備える。

センサアレイ部１０は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎ、Ｎ個の積分回路１１_１〜１１_ＮおよびＮ個のＣＤＳ回路１２_１〜１２_Ｎを含む。また、保持部２０は、Ｎ個の保持回路２１_１〜２１_Ｎ を含む。各フォトダイオードＰＤ_ｎは互いに共通の構成を有しており、各積分回路１１_ｎは互いに共通の構成を有しており、各ＣＤＳ回路１２_ｎは互いに共通の構成を有しており、また、各保持回路２１_ｎは互いに共通の構成を有している。Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎは１次元状に配列されている。第ｎの積分回路１１_ｎ，第ｎのＣＤＳ回路１２_ｎおよび第ｎの保持回路２１_ｎは、第ｎのフォトダイオードＰＤ_ｎに対応して設けられている。ただし、Ｎは２以上の整数である。また、ｎは、特に断らない限りは、１以上Ｎ以下の任意の整数である。

各フォトダイオードＰＤ_ｎは、入射光量に応じた量の電荷を発生し、その電荷を積分回路１１_ｎへ出力する。各積分回路１１_ｎは、フォトダイオードＰＤ_ｎから出力された電荷を容量素子に蓄積して、当該蓄積電荷量に応じた電圧値をＣＤＳ回路１２_ｎへ出力する。各ＣＤＳ回路１２_ｎは、積分回路１１_ｎから出力された電圧値を入力して、基準時刻における入力電圧値を基準として以降の入力電圧値の変動分に応じた電圧値を保持回路２１_ｎへ出力する。すなわち、センサアレイ部１０は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎをセンサ素子として含み、各フォトダイオードＰＤ_ｎによる光検出結果に応じた電圧値を出力する。各保持回路２１_ｎは、ＣＤＳ回路１２_ｎから出力された電圧値を入力し、この保持した電圧値Ｖ_ｎを出力する。

差演算部３０は、スイッチＳＷ_３１,１〜ＳＷ_３１,Ｎ、スイッチＳＷ_３２,０〜ＳＷ_{３２,Ｎ−１}および減算回路３３を含む。各保持回路２１_ｎの出力端は、スイッチＳＷ_３１,ｎを介して配線Ｌ１に接続され、また、スイッチＳＷ_３２,ｎを介して配線Ｌ２に接続されている。ただし、第Ｎの保持回路２１_Ｎの出力端は、スイッチＳＷ_３１,Ｎを介して配線Ｌ１に接続されているが、スイッチを介して配線Ｌ２に接続されていなくてもよい。また、配線Ｌ２は、スイッチＳＷ_３２,０を介して接地電位と接続される。スイッチＳＷ_３１,ｎおよびスイッチＳＷ_{３２,ｎ−１}は制御信号Ｓ_ｎのレベルに応じて開閉動作する。減算回路３３は、配線Ｌ１，Ｌ２それぞれを経て入力する電圧値の差に応じた電圧値を出力する。

Ａ／Ｄ変換部４０は、スイッチＳＷ_４１およびスイッチＳＷ_４２とともに用いられる。Ａ／Ｄ変換部４０は、スイッチＳＷ_４１を介して入力される電圧値Ｖ_ＦＳ１、および、スイッチＳＷ_４２を介して入力される電圧値Ｖ_ＦＳ２の何れかを、Ａ／Ｄ変換の際のフルスケールとして入力する。そして、Ａ／Ｄ変換部４０は、このフルスケール（電圧値Ｖ_ＦＳ１またはＶ_ＦＳ２）の２^Ｍ分の１を分解能として、減算回路３３から出力される電圧値をデジタル値に変換し、このデジタル値を出力する。なお、Ｍは、出力デジタル値のビット数である。電圧値Ｖ_ＦＳ１は電圧値Ｖ_ＦＳ２より大きく、両者の比は２の冪乗の数であるのが好ましい。スイッチＳＷ_４１は制御信号Ｓｅｌ１のレベルに応じて開閉動作し、スイッチＳＷ_４２は制御信号Ｓｅｌ２のレベルに応じて開閉動作する。

図２は、第１実施形態に係るセンサ装置１のフォトダイオードＰＤ_ｎ，積分回路１１_ｎ，ＣＤＳ回路１２_ｎおよび保持回路２１_ｎの回路図である。各フォトダイオードＰＤ_ｎは、アノード端子が接地され、カソード端子が積分回路１１_ｎの入力端に接続されていて、入射光量に応じた量の電荷を発生し、その電荷を積分回路１１_ｎへ出力する。

各積分回路１１_ｎは、アンプＡ_１１，容量素子Ｃ_１１およびスイッチＳＷ_１１を含む。アンプＡ_１１の入力端子は、フォトダイオードＰＤ_ｎのカソード端子に接続されている。容量素子Ｃ_１１およびスイッチＳＷ_１１は、互いに並列的に接続されて、アンプＡ_１１の入力端子と出力端子との間に設けられている。この積分回路１１_ｎは、スイッチＳＷ_１１が閉じることにより、容量素子Ｃ_１１が放電され、出力電圧値が初期化される。また、積分回路１１_ｎは、スイッチＳＷ_１１が開いていると、フォトダイオードＰＤ_ｎから出力された電荷を容量素子Ｃ_１１に蓄積して、当該蓄積電荷量に応じた電圧値をＣＤＳ回路１２_ｎへ出力する。

各ＣＤＳ回路１２_ｎは、アンプＡ_１２，容量素子Ｃ_１２およびスイッチＳＷ_１２を含む。アンプＡ_１２の入力端子は、容量素子Ｃ_１２を介して積分回路１１_ｎのアンプＡ_１１に接続されるとともに、スイッチＳＷ_１２を介して接地されている。このＣＤＳ回路１２_ｎは、積分回路１１_ｎから出力された電圧値を入力して、基準時刻（スイッチＳＷ_１２が開状態に転じた時刻）における入力電圧値を基準として以降の入力電圧値の変動分に応じた電圧値をアンプＡ_１２から保持回路２１_ｎへ出力する。

各保持回路２１_ｎは、アンプＡ_２１，容量素子Ｃ_２１およびスイッチＳＷ_２１を含む。アンプＡ_２１の入力端子は、スイッチＳＷ_２１を介してＣＤＳ回路１２_ｎのアンプＡ_１２に接続されるとともに、容量素子Ｃ_２１を介して接地されている。アンプＡ_２１の出力端子は、スイッチＳＷ_３１,ｎを介して配線Ｌ１に接続され、スイッチＳＷ_３２,ｎを介して配線Ｌ２に接続されている。この保持回路２１_ｎは、スイッチＳＷ_２１が開状態に転じた時刻においてＣＤＳ回路１２_ｎから出力されていた電圧値を以降も容量素子Ｃ_２１に保持し、この保持した電圧値に応じた電圧値Ｖ_ｎをアンプＡ_２１から出力する。

これらフォトダイオードＰＤ_ｎ，積分回路１１_ｎ，ＣＤＳ回路１２_ｎおよび保持回路２１_ｎの動作は以下のとおりである。積分回路１１_ｎのスイッチＳＷ_１１が開いていると、フォトダイオードＰＤ_ｎから出力された電荷が容量素子Ｃ_１１に蓄積されていき、当該蓄積電荷量に応じた電圧値が積分回路１１_ｎから出力される。容量素子Ｃ_１１における蓄積電荷量が次第に増えていくと、積分回路１１_ｎから出力される電圧値が変化していく。積分回路１１_ｎのスイッチＳＷ_１１が開いている期間において、第１時刻にＣＤＳ回路１２_ｎのスイッチＳＷ_１２が開状態に転じ、その後の第２時刻に保持回路２１_ｎのスイッチＳＷ_２１が開状態に転じる。第１時刻以降においてＣＤＳ回路１２_ｎから出力される電圧値は、第１時刻において積分回路１１_ｎから出力された電圧値を基準とした該電圧値の変動分に応じたものである。そして、第２時刻以降において保持回路２１_ｎにより保持される電圧値Ｖ_ｎは、第２時刻においてＣＤＳ回路１２_ｎから出力される電圧値に応じたものである。

すなわち、第２時刻以降において保持回路２１_ｎにより保持される電圧値Ｖ_ｎは、第１時刻および第２時刻それぞれにおいて積分回路１１_ｎから出力される電圧値の差に応じたものであり、第１時刻と第２時刻との間の時間差が一定であれば、フォトダイオードＰＤ_ｎへ入射する光の強度に応じたものである。なお、Ｎ個の積分回路１１_１〜１１_Ｎは互いに同一のタイミングで動作し、Ｎ個のＣＤＳ回路１２_１〜１２_Ｎは互いに同一のタイミングで動作し、また、Ｎ個の保持回路２１_１〜２１_Ｎは互いに同一のタイミングで動作する。したがって、共通の期間における各フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量に応じた電圧値Ｖ_ｎが保持部２０により保持される。

次に、第１実施形態に係るセンサ装置１の差演算部３０およびＡ／Ｄ変換部４０の動作について説明する。図３は、第１実施形態に係るセンサ装置１の差演算部３０およびＡ／Ｄ変換部４０の動作を説明するタイミングチャートである。この図は、上述のようにして保持部２０により保持された電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを差演算部３０およびＡ／Ｄ変換部４０が処理する際のタイミングチャートを示している。なお、上述したセンサアレイ部１０および保持部２０の動作だけでなく、以下に説明する差演算部３０およびＡ／Ｄ変換部４０の動作は、制御部（不図示）から出力される各種の制御信号に基づいて行われる。この図には、上から順に、差演算部３０に入力される各制御信号Ｓ_ｎのレベル、スイッチＳＷ_４１の開閉動作を指示する制御信号Ｓｅｌ１のレベル、および、スイッチＳＷ_４２の開閉動作を指示する制御信号Ｓｅｌ２のレベル、それぞれが示されている。

この図に示されるように、制御信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｎは順次にハイレベルとなる。時刻ｔ_ｎ,１から時刻ｔ_ｎ,２までの期間Ｔ_ｎにおいて、制御信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｎのうち制御信号Ｓ_ｎのみがハイレベルとなる。期間Ｔ_１において、制御信号Ｓｅｌ１がハイレベルとなって、制御信号Ｓｅｌ２がローレベルとなる。また、期間Ｔ_２から期間Ｔ_Ｎにおいて、制御信号Ｓｅｌ１がローレベルとなって、制御信号Ｓｅｌ２がハイレベルとなる。

時刻ｔ_１,１から時刻ｔ_１,２までの期間Ｔ_１において、制御信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｎのうち制御信号Ｓ_１のみがハイレベルとなり、差演算部３０内のスイッチＳＷ_３１,１およびスイッチＳＷ_３２,０が閉じる。また、制御信号Ｓｅｌ１がハイレベルとなり、スイッチＳＷ_４１が閉じる。スイッチＳＷ_３１,１が閉じることにより、保持回路２１_１により保持されている電圧値Ｖ_１は、スイッチＳＷ_３１,１および配線Ｌ１を経て減算回路３３に入力される。また、スイッチＳＷ_３２,０が閉じることにより、接地電位がスイッチＳＷ_３２,０および配線Ｌ２を経て減算回路３３に入力される。減算回路３３では、電圧値Ｖ_１から接地電位が減算されて、その減算結果である電圧値Ｖ_１が出力される。そして、Ａ／Ｄ変換部４０では、スイッチＳＷ_４１を経て入力した電圧値Ｖ_ＦＳ１をフルスケールとして、減算回路３３から出力された電圧値Ｖ_１がＭビットのデジタル値に変換されて出力される。

時刻ｔ_ｎ,１から時刻ｔ_ｎ,２までの期間Ｔ_ｎ（ただし、ｎ≠１）において、制御信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｎのうち制御信号Ｓ_ｎのみがハイレベルとなり、差演算部３０内のスイッチＳＷ_３１,ｎおよびスイッチＳＷ_{３２,ｎ−１}が閉じる。また、制御信号Ｓｅｌ２がハイレベルとなり、スイッチＳＷ_４２が閉じる。スイッチＳＷ_３１,ｎが閉じることにより、保持回路２１_ｎにより保持されている電圧値Ｖ_ｎは、スイッチＳＷ_３１,ｎおよび配線Ｌ１を経て減算回路３３に入力される。また、スイッチＳＷ_{３２,ｎ−１}が閉じることにより、保持回路２１_ｎ−１により保持されている電圧値Ｖ_ｎ−１は、スイッチＳＷ_{３２,ｎ−１}および配線Ｌ２を経て減算回路３３に入力される。減算回路３３では、電圧値Ｖ_ｎから電圧値Ｖ_ｎ−１が減算されて、その減算結果に応じた電圧値Ｕ_ｎが出力される。そして、Ａ／Ｄ変換部４０では、スイッチＳＷ_４２を経て入力した電圧値Ｖ_ＦＳ２をフルスケールとして、減算回路３３から出力された電圧値Ｕ_ｎがＭビットのデジタル値に変換されて出力される。

すなわち、期間Ｔ_１においては、Ａ／Ｄ変換部４０により、電圧値Ｖ_ＦＳ１をフルスケールとして、第１のフォトダイオードＰＤ_１への入射光量に応じた電圧値Ｖ_１がＭビットのデジタル値に変換されて出力される。また、各期間Ｔ_ｎ（ただし、ｎ≠１）においては、差演算部３０により、フォトダイオードＰＤ_ｎ，ＰＤ_ｎ−１それぞれへの入射光量に応じた電圧値Ｖ_ｎ，Ｖ_ｎ−１から、これらの差（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）に応じた電圧値Ｕ_ｎが求められ、Ａ／Ｄ変換部４０により、電圧値Ｖ_ＦＳ２をフルスケールとして、この電圧値Ｕ_ｎがＭビットのデジタル値に変換されて出力される。

したがって、図４に示されるように、センサ装置１により検出されるべき光強度分布において、本来検出されるべき信号成分に大きなノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）が重畳されているような場合であっても、このセンサ装置１は、Ａ／Ｄ変換部４０として出力デジタル値のビット数Ｍが少ないものを用いて、高精度で信号成分のデジタル値を得ることができる。

すなわち、保持回路２１_１〜２１_Ｎから出力される電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎのうちの隣同士の２つの電圧値Ｖ_ｎ，Ｖ_ｎ−１の差（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）がとり得る最大値は、これら電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎがとり得る最大値と比べて小さい。そこで、各期間Ｔ_ｎ（ただし、ｎ≠１）においてＡ／Ｄ変換部４０によりフルスケールとして用いられる電圧値Ｖ_ＦＳ２は、差（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）がとり得る最大値（または、この最大値より幾らか大きい値）に設定され、或いは、電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎに含まれる信号成分の最大値と最小値との差（または、この差より幾らか大きい値）に設定される。このように、Ａ／Ｄ変換部４０において、フルスケールとして用いられる電圧値Ｖ_ＦＳ２の値が適切に設定され、差（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）に応じた電圧値Ｕ_ｎがデジタル値に変換される。したがって、Ａ／Ｄ変換部４０から出力されるデジタル値は、ビット数Ｍが少なくても、高精度で信号成分を表すものとなる。

一方、保持回路２１_１〜２１_Ｎから出力される電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎがとり得る最大値は大きい。そこで、期間Ｔ_１においてＡ／Ｄ変換部４０によりフルスケールとして用いられる電圧値Ｖ_ＦＳ１は、上記の電圧値Ｖ_ＦＳ２より大きく設定され、電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎがとり得る最大値（または、この最大値より幾らか大きい値）に設定される。このように、Ａ／Ｄ変換部４０において、フルスケールとして用いられる電圧値Ｖ_ＦＳ１の値が適切に設定され、電圧値Ｖ_１がデジタル値に変換される。したがって、このときＡ／Ｄ変換部４０から出力されるデジタル値は、ビット数Ｍが少ないものの、信号成分とノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）との和を表すものとなる。

以上のように、第１実施形態に係るセンサ装置１は、Ａ／Ｄ変換部４０として出力デジタル値のビット数Ｍが少ないものを用いて、高精度で信号成分のデジタル値を得ることができる。したがって、Ａ／Ｄ変換部４０は、変換時間が短く、消費電力が少なく、また、回路規模が小さい。また、一定時間のうちにＡ／Ｄ変換処理する必要があってＡ／Ｄ変換処理を並列的に行う場合であっても、並列処理するためのＡ／Ｄ変換部の個数が少なくてよいので、この点でも、消費電力が少なく、また、回路規模が小さい。

（第２実施形態）
次に、本発明に係るセンサ装置の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係るセンサ装置２の全体構成図である。この図に示されるセンサ装置２は、センサアレイ部１０、保持部２０、差演算部３０ＡおよびＡ／Ｄ変換部４０を備える。前述の第１実施形態に係るセンサ装置１の構成（図１，図２）と比較すると、この第２実施形態に係るセンサ装置２は、差演算部３０に替えて差演算部３０Ａを備える点で相違する。

差演算部３０Ａは、スイッチＳＷ_３１,１〜ＳＷ_３１,Ｎ、スイッチＳＷ_３２,０，スイッチＳＷ_３２,１および減算回路３３を含む。各保持回路２１_ｎの出力端は、スイッチＳＷ_３１,ｎを介して配線Ｌ１に接続されている。第１番目の保持回路２１_１の出力端は、スイッチＳＷ_３２,１を介して配線Ｌ２に接続されている。また、配線Ｌ２は、スイッチＳＷ_３２,０を介して接地電位と接続される。スイッチＳＷ_３１,ｎは制御信号Ｓ_ｎのレベルに応じて開閉動作し、スイッチＳＷ_３２,０は制御信号Ｓｅｌ１のレベルに応じて開閉動作し、スイッチＳＷ_３２,１は制御信号Ｓｅｌ２のレベルに応じて開閉動作する。減算回路３３は、配線Ｌ１，Ｌ２それぞれを経て入力する電圧値の差に応じた電圧値を出力する。

次に、第２実施形態に係るセンサ装置２の差演算部３０ＡおよびＡ／Ｄ変換部４０の動作について説明する。第２実施形態に係るセンサ装置２の差演算部３０ＡおよびＡ／Ｄ変換部４０の動作を説明するタイミングチャートは、図３と同様である。

時刻ｔ_１,１から時刻ｔ_１,２までの期間Ｔ_１において、制御信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｎのうち制御信号Ｓ_１のみがハイレベルとなり、差演算部３０Ａ内のスイッチＳＷ_３１,１が閉じる。また、制御信号Ｓｅｌ１がハイレベルとなり、スイッチＳＷ_３２,０が閉じるとともに、スイッチＳＷ_４１が閉じる。スイッチＳＷ_３１,１が閉じることにより、保持回路２１_１により保持されている電圧値Ｖ_１は、スイッチＳＷ_３１,１および配線Ｌ１を経て減算回路３３に入力される。また、スイッチＳＷ_３２,０が閉じることにより、接地電位がスイッチＳＷ_３２,０および配線Ｌ２を経て減算回路３３に入力される。減算回路３３では、電圧値Ｖ_１から接地電位が減算されて、その減算結果である電圧値Ｖ_１が出力される。そして、Ａ／Ｄ変換部４０では、スイッチＳＷ_４１を経て入力した電圧値Ｖ_ＦＳ１をフルスケールとして、減算回路３３から出力された電圧値Ｖ_１がＭビットのデジタル値に変換されて出力される。

時刻ｔ_ｎ,１から時刻ｔ_ｎ,２までの期間Ｔ_ｎ（ただし、ｎ≠１）において、制御信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｎのうち制御信号Ｓ_ｎのみがハイレベルとなり、差演算部３０Ａ内のスイッチＳＷ_３１,ｎが閉じる。また、制御信号Ｓｅｌ２がハイレベルとなり、スイッチＳＷ_４２が閉じる。スイッチＳＷ_３１,ｎが閉じることにより、保持回路２１_ｎにより保持されている電圧値Ｖ_ｎは、スイッチＳＷ_３１,ｎおよび配線Ｌ１を経て減算回路３３に入力される。また、スイッチＳＷ_３２,１が閉じることにより、保持回路２１_１により保持されている電圧値Ｖ_１は、スイッチＳＷ_３２,１および配線Ｌ２を経て減算回路３３に入力される。減算回路３３では、電圧値Ｖ_ｎから電圧値Ｖ_１が減算されて、その減算結果に応じた電圧値Ｗ_ｎが出力される。そして、Ａ／Ｄ変換部４０では、スイッチＳＷ_４２を経て入力した電圧値Ｖ_ＦＳ２をフルスケールとして、減算回路３３から出力された電圧値Ｗ_ｎがＭビットのデジタル値に変換されて出力される。

すなわち、期間Ｔ_１においては、Ａ／Ｄ変換部４０により、電圧値Ｖ_ＦＳ１をフルスケールとして、第１のフォトダイオードＰＤ_１への入射光量に応じた電圧値Ｖ_１がＭビットのデジタル値に変換されて出力される。また、各期間Ｔ_ｎ（ただし、ｎ≠１）においては、差演算部３０Ａにより、フォトダイオードＰＤ_ｎ，ＰＤ_１それぞれへの入射光量に応じた電圧値Ｖ_ｎ，Ｖ_１から、これらの差（Ｖ_ｎ−Ｖ_１）に応じた電圧値Ｗ_ｎが求められ、Ａ／Ｄ変換部４０により、電圧値Ｖ_ＦＳ２をフルスケールとして、この電圧値Ｗ_ｎがＭビットのデジタル値に変換されて出力される。

したがって、図４に示されるように、センサ装置２により検出されるべき光強度分布において、本来検出されるべき信号成分に大きなノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）が重畳されているような場合であっても、このセンサ装置２は、Ａ／Ｄ変換部４０として出力デジタル値のビット数Ｍが少ないものを用いて、高精度で信号成分のデジタル値を得ることができる。

すなわち、保持回路２１_１〜２１_Ｎから出力される電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎから差演算で求められる電圧値Ｗ_ｎがとり得る最大値は、これら電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎがとり得る最大値と比べて小さい。そこで、各期間Ｔ_ｎ（ただし、ｎ≠１）においてＡ／Ｄ変換部４０によりフルスケールとして用いられる電圧値Ｖ_ＦＳ２は、電圧値Ｗ_ｎがとり得る最大値（または、この最大値より幾らか大きい値）に設定され、或いは、電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎに含まれる信号成分の最大値と最小値との差（または、この差より幾らか大きい値）に設定される。このように、Ａ／Ｄ変換部４０において、フルスケールとして用いられる電圧値Ｖ_ＦＳ２の値が適切に設定され、差（Ｖ_ｎ−Ｖ_１）に応じた電圧値Ｗ_ｎがデジタル値に変換される。したがって、Ａ／Ｄ変換部４０から出力されるデジタル値は、ビット数Ｍが少なくても、高精度で信号成分を表すものとなる。

一方、保持回路２１_１〜２１_Ｎから出力される電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎがとり得る最大値は大きい。そこで、期間Ｔ_１においてＡ／Ｄ変換部４０によりフルスケールとして用いられる電圧値Ｖ_ＦＳ１は、上記の電圧値Ｖ_ＦＳ２より大きく設定され、電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎがとり得る最大値（または、この最大値より幾らか大きい値）に設定される。このように、Ａ／Ｄ変換部４０において、フルスケールとして用いられる電圧値Ｖ_ＦＳ１の値が適切に設定され、電圧値Ｖ_１がデジタル値に変換される。したがって、このときＡ／Ｄ変換部４０から出力されるデジタル値は、ビット数Ｍが少ないものの、信号成分とノイズ成分（外乱光成分、背景光成分）との和を表すものとなる。

以上のように、第２実施形態に係るセンサ装置２は、Ａ／Ｄ変換部４０として出力デジタル値のビット数Ｍが少ないものを用いて、高精度で信号成分のデジタル値を得ることができる。したがって、Ａ／Ｄ変換部４０は、変換時間が短く、消費電力が少なく、また、回路規模が小さい。また、一定時間のうちにＡ／Ｄ変換処理する必要があってＡ／Ｄ変換処理を並列的に行う場合であっても、並列処理するためのＡ／Ｄ変換部の個数が少なくてよいので、この点でも、消費電力が少なく、また、回路規模が小さい。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態に係るセンサ装置は１次元状に配列された複数のフォトダイオードを含む撮像装置であったが、本発明に係るセンサ装置は２次元状に配列された複数のフォトダイオードを含む撮像装置であってもよい。さらに、本発明に係るセンサ装置は、複数のフォトダイオードに加えて、各々の画素に図６に示すＡＰＳ（アクティブピクセルセンサ）回路を含んで１次元状または２次元状に配列された撮像装置であってもよい。また、本発明に係るセンサ装置は、撮像装置に限らず、他のセンシング量（例えば、温度、変位、等）を検出する複数のセンサ素子を含むものであってもよい。

第１実施形態に係るセンサ装置１の全体構成図である。 第１実施形態に係るセンサ装置１のフォトダイオードＰＤ_ｎ，積分回路１１_ｎ，ＣＤＳ回路１２_ｎおよび保持回路２１_ｎの回路図である。 第１実施形態に係るセンサ装置１の差演算部３０およびＡ／Ｄ変換部４０の動作を説明するタイミングチャートである。 第１実施形態に係るセンサ装置１により検出されるべき光強度分布を示す図である。 第２実施形態に係るセンサ装置２の全体構成図である。 変形例に係る各画素のＡＰＳ回路の回路図である。

符号の説明

１，２…センサ装置、１０…センサアレイ部、１１…積分回路、１２…ＣＤＳ回路、２０…保持部、３０，３０Ａ…差演算部、３３…減算回路、４０…Ａ／Ｄ変換部。

Claims (5)

1. Ｎ個のセンサ素子を含み、第ｎのセンサ素子によるセンシング結果に応じた電圧値Ｖ_ｎを出力するセンサアレイ部と（ただし、Ｎは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）、
   前記センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを入力して、電圧値Ｖ_ｎと電圧値Ｖ_ｎ−１との差（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）に応じた電圧値Ｕ_ｎ（ただし、ｎ≠１）を出力する差演算部と、
   電圧値Ｖ _ＦＳ１ をフルスケールとして、前記センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ _１ 〜Ｖ _Ｎ のうちの少なくとも何れか１つの電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するとともに、前記電圧値Ｖ _ＦＳ１ より小さい電圧値Ｖ _ＦＳ２ をフルスケールとして、前記差演算部から出力された各電圧値Ｕ_ｎをデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換部と、
   を備えることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを入力し、これらＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを保持し出力する保持部を更に備え、
   前記差演算部が、前記保持部により保持されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎに基づいて各電圧値Ｕ_ｎを出力する、
   ことを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
3. Ｎ個のセンサ素子を含み、第ｎのセンサ素子によるセンシング結果に応じた電圧値Ｖ_ｎを出力するセンサアレイ部と（ただし、Ｎは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）、
   前記センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを入力して、これらＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎのうちの特定の電圧値Ｖ_ｎ０と電圧値Ｖ_ｎとの差（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ０）に応じた電圧値Ｗ_ｎを出力する差演算部と、
   電圧値Ｖ _ＦＳ１ をフルスケールとして、前記特定の電圧値Ｖ _ｎ０ をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するとともに、前記電圧値Ｖ _ＦＳ１ より小さい電圧値Ｖ _ＦＳ２ をフルスケールとして、前記差演算部から出力された各電圧値Ｗ_ｎをデジタル値に変換し、このデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換部と、
   を備えることを特徴とするセンサ装置。
4. 前記センサアレイ部から出力されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを入力し、これらＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎを保持し出力する保持部を更に備え、
   前記差演算部が、前記保持部により保持されたＮ個の電圧値Ｖ_１〜Ｖ_Ｎに基づいて各電圧値Ｗ_ｎを出力する、
   ことを特徴とする請求項３記載のセンサ装置。
5. 前記Ｎ個のセンサ素子それぞれがフォトダイオードであることを特徴とする請求項１または３に記載のセンサ装置。
   

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