JP4463428B2 - 受光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像した１次元像または２次元像をデジタル信号として出力する受光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置等の受光装置は、複数の受光素子がアレイ状に配列されてなり、各受光素子が受光した光の光量に応じた電圧信号を出力する。また、固体撮像装置によっては、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、正確な撮像が得られ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、固体撮像装置は、例えばカメラに組み込まれるパッシブ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ＬＥＤ_ｎ等から被写体に投光されたスポット光の反射を２つの固体撮像装置それぞれにより撮像し、撮像された２つの像に基づいて測距が行われる。このとき、スポット光成分を撮像する際には背景光成分も重畳されて撮像されることから、スポット光が投光されていないときに２つの固体撮像装置それぞれにより背景光成分のみを撮像して、両者の差分をとることでスポット光成分のみの像を得て、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、従来の受光装置における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が小さい場合、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。
【０００５】
さらに、受光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撮像結果から背景光成分の撮像結果を差し引くことによりスポット光成分のみの像を得る場合には、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。
【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、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Ａ／Ｄ変換の分解能が優れた受光撮像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】
本受光装置は、(1)一次元又は二次元状に配列され、受光した光の光量に応じた電流信号を各々出力するＮ（Ｎ≧２）個の受光素子と、(2) Ｎ個の受光素子それぞれに対応して設けられ、各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電圧信号を出力するＮ個の第１積分回路と、(3) Ｎ個の第１積分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第１最大値検出回路と、(4) 第１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変換レンジを設定して、Ｎ個の第１積分回路それぞれから出力される電圧信号をデジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換回路と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
この受光装置は、受光素子および第１積分回路をＮ（Ｎ≧２）組備えている。第１積分回路では、各受光素子において受光された光の光量に応じて出力された電流信号に応じて電荷が蓄積され電圧信号が出力される。Ｎ個の第１積分回路それぞれから出力された電圧信号のうちの最大値が第１最大値検出回路により検出される。そして、Ａ／Ｄ変換回路では、第１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て、Ｎ個の第１積分回路それぞれから出力された電圧信号はデジタル信号に変換されて出力される。なお、第１最大値検出回路において選択され検出される信号としては、最大値の代わりに、２番目に大きい数値を用いることもでき、また、必要であれば、適当な順番の数値を用いることもできる。すなわち、第１最大値検出回路は、Ｎ個の電圧信号の中から特定の信号を選択し、検出する第１検出回路とすることができる。
【０００９】
また、本受光装置は、(1) Ｎ個の受光素子それぞれに対応して設けられ、各受光素子から出力された電流信号に基づいて電荷を蓄積して電圧信号を出力するＮ個の第２積分回路と、(2) Ｎ組の第２積分回路および第１積分回路の間に順に設けられたスイッチ素子および容量素子と、(3) Ｎ個の第２積分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第２最大値検出回路と、(4) 第２最大値検出回路により検出された最大値に基づいて第１積分回路および第２積分回路それぞれの動作タイミングを制御するタイミング制御回路と、を更に備えることを特徴としてもよい。
【００１０】
この場合、受光装置は、受光素子、第２積分回路、スイッチ素子、容量素子および第１積分回路がこの順に接続されたものを１組として、これをＮ組備えている。また、各組の容量素子および第１積分回路は、いわゆるＣＤＳ（相関二重サンプリング、Correlated Double Sampling）回路を構成している。第２積分回路では、各受光素子において受光された光の光量に応じて出力された電流信号が入力し、この電流信号に基づいて電荷が蓄積され電圧信号が出力される。Ｎ個の第２積分回路それぞれから出力された電圧信号のうちの最大値が第２最大値検出回路により検出される。そして、タイミング制御回路により、第２最大値検出回路により検出された最大値に基づいて第１積分回路および第２積分回路それぞれの動作タイミングが制御される。その結果、第２積分回路から出力される電圧信号は、種々のノイズ成分が除去されたものとなる。なお、第２最大値検出回路において選択され検出される信号としては、最大値の代わりに、２番目に大きい数値を用いることもでき、また、必要であれば、適当な順番の数値を用いることもできる。すなわち、第２最大値検出回路は、Ｎ個の電圧信号の中から特定の信号を選択し、検出する第２検出回路とすることができる。
【００１１】
また、本受光装置は、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受光装置（固体撮像装置）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、Ｎ個の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て出力した電流信号に基づいて第１の電荷量をＮ個の第２積分回路に蓄積させ、(2) 次いで、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、Ｎ個の受光素子が背景光成分を受光して出力した電流信号に基づいて第２の電荷量をＮ個の第２積分回路に蓄積させるとともに、第１の電荷量と第２の電荷量との差の電荷量をＮ個の第１積分回路に蓄積させる、ことを特徴とするのも好適である。この場合、受光素子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、スポット光成分および背景光成分の撮像結果から背景光成分の撮像結果を差し引くことにより、スポット光成分のみの像が第１積分回路により得られる。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。
【００１２】
【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。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る受光装置としての固体撮像装置の回路図である。本実施形態に係る固体撮像装置は、Ｎ個のフォトダイオード（受光素子）ＰＤ₁ 〜ＰＤ_N を備え、各フォトダイオードＰＤ_n に対して積分回路（第２積分回路）１０_n 、スイッチ素子ＳＷ_n2、容量素子Ｃ_n2、積分回路（第１積分回路）２０_n およびホールド回路３０_n を備える。なお、Ｎは２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数であって、以降においても同様である。また、この固体撮像装置は、最大値検出回路（第２最大値検出回路、第２検出回路）１００、最大値検出回路（第１最大値検出回路、第１検出回路）２００、タイミング制御回路３００、Ａ／Ｄ変換回路４００ならびにシフトレジスタ５００を備える。容量素子Ｃ_n2および積分回路２０_n は、いわゆる相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路を構成している。
【００１４】
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１０_n の入力端子に接続されている。フォトダイオードＰＤ_n は、受光した光の光量に応じた電流信号を、アノード端子から積分回路１０_n の入力端子へ出力する。
【００１５】
積分回路１０_n は、入力端子と出力端子との間に互いに並列にアンプＡ_n1、容量素子Ｃ_n1およびスイッチ素子ＳＷ_n1が接続されてなる。積分回路１０_n は、スイッチ素子ＳＷ_n1が閉じているときには、容量素子Ｃ_n1を放電して初期化し、スイッチ素子ＳＷ_n1が開いているときには、フォトダイオードＰＤ_n から入力端子に入力した電荷を容量素子Ｃ_n1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ＳＷ_n1は、タイミング制御回路３００から出力されるリセット信号ＲＳ１に基づいて開閉する。
【００１６】
スイッチ素子ＳＷ_n2および容量素子Ｃ_n2は、積分回路１０_n の出力端子と積分回路２０_n の入力端子との間に、この順番で直列に接続されている。スイッチ素子ＳＷ_n2は、タイミング制御回路３００から出力される制御信号ＳＷＣＮＴに基づいて開閉する。
【００１７】
積分回路２０_n は、入力端子と出力端子との間に互いに並列にアンプＡ_n2、容量素子Ｃ_n3およびスイッチ素子ＳＷ_n3が接続されてなる。積分回路２０_n は、スイッチ素子ＳＷ_n3が閉じているときには、容量素子Ｃ_n3を放電して初期化し、スイッチ素子ＳＷ_n3が開いているときには、容量素子Ｃ_n2から入力端子に入力した電荷を容量素子Ｃ_n3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ＳＷ_n3は、タイミング制御回路３００から出力されるリセット信号ＲＳ２に基づいて開閉する。
【００１８】
ホールド回路３０_n は、入力端子と出力端子との間に順にスイッチ素子ＳＷ_n4およびアンプＡ_n3を備え、スイッチ素子ＳＷ_n4とアンプＡ_n3との接続点が容量素子Ｃ_n4を介して接地されている。ホールド回路３０_nは、スイッチ素子ＳＷ_n4が閉じているときに積分回路２０_n から出力された電圧信号を容量素子Ｃ_n4に記憶し、スイッチ素子ＳＷ_n4が開いた後も、容量素子Ｃ_n4の電圧信号を保持し、その電圧信号をアンプＡ_n3を介して出力する。
【００１９】
スイッチ素子ＳＷ_n5は、ホールド回路３０_n の出力端子とＡ／Ｄ変換回路４００の入力端子との間に設けられている。各スイッチ素子ＳＷ_n5は、シフトレジスタ５００から出力される制御信号に基づいて順次に閉じて、各ホールド回路３０_n から出力される電圧信号をＡ／Ｄ変換回路４００へ順次に出力する。
【００２０】
最大値検出回路１００は、各積分回路１０_n から出力される電圧信号Ｖ_n1を入力し、これらのうちの最大値である最大電圧値Ｖ_max1を検出してタイミング制御回路３００へ出力する。最大値検出回路２００は、各ホールド回路３０_n から出力される電圧信号Ｖ_n2を入力し、これらのうちの最大値である最大電圧値Ｖ_max2を検出してＡ／Ｄ変換回路４００へ出力する。
【００２１】
タイミング制御回路３００は、最大値検出回路１００から出力される最大電圧値Ｖ_max1を入力し、スイッチ素子ＳＷ_n1の開閉を制御するリセット信号ＲＳ１、スイッチ素子ＳＷ_n2の開閉を制御する制御信号ＳＷＣＮＴ、および、スイッチ素子ＳＷ_n3の開閉を制御するリセット信号ＲＳ２を出力する。
【００２２】
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_max2を入力し、この最大電圧値Ｖ_max2をＡ／Ｄ変換レンジとする。そして、Ａ／Ｄ変換回路４００は、各ホールド回路３０_n から出力される電圧信号Ｖ_n2をスイッチ素子ＳＷ_n5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。
【００２３】
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置の最大値検出回路１００の回路図である。なお、最大値検出回路２００の回路構成も同様である。最大値検出回路１００は、ＮＭＯＳトランジスタＴ₁〜Ｔ_N 、抵抗器Ｒ１〜Ｒ３および差動アンプＡ１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Ｒ３を介して電源電圧Ｖddに接続されるとともに、抵抗器Ｒ１を介して差動アンプＡ１の反転入力端子に接続されている。トランジスタＴ_n のゲート端子は、積分回路１０_n の出力端子と接続されており、電圧信号Ｖ_n1が入力する。また、差動アンプＡ１の反転入力端子と出力端子との間には帰還抵抗器Ｒ３が設けられ、差動アンプＡ１の非反転入力端子は接地されている。
【００２４】
この最大値検出回路１００では、各積分回路１０_n から出力された電圧信号Ｖ_n1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_n1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Ｒ１およびＲ２それぞれの抵抗値の比に応じた増幅率で差動アンプＡ１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_max1として出力端子から出力される。
【００２５】
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置のタイミング制御回路３００の回路図である。タイミング制御回路３００は、比較回路Ａ２、ＮＯＲ回路Ｎ１およびＮ２、ＮＡＮＤ回路ＡＮ１、ＡＮＤ回路ＡＮ２およびＡＮ３、インバータ回路ＩＮ１〜ＩＮ３、抵抗器Ｒ４、容量素子Ｃ１、Ｄ型フリップフロップＤＦ、カウンタ回路３１０ならびにレジスタ回路３２０を備える。
【００２６】
比較回路Ａ２は、最大値検出回路１００から出力される最大電圧値Ｖ_max1と基準電圧Ｖ_ref とを電圧比較して、最大電圧値Ｖ_max1が基準電圧Ｖ_ref を超えているときに論理“Ｈ”の比較信号ＣＭを出力する。なお、基準電圧Ｖ_ref は、予め最大電圧値Ｖ_max1が取り得る最大値より低い電圧に設定されている。
【００２７】
比較回路Ａ２の出力端子は、ＮＯＲ回路Ｎ１の一方の入力端子に接続されている。ＮＯＲ回路Ｎ１と他方のＮＯＲ回路Ｎ２とはＲＳフリップフロップ回路を構成しており、ＮＯＲ回路Ｎ２の残余の２入力端子にはリセット信号ＲＳとスタート信号ＳＴが入力される。ＮＯＲ回路Ｎ１の出力端子からは切換え信号ＣＳＷが出力される。また、インバータ回路ＩＮ２は、切換え信号ＣＳＷを反転処理することによりリセット信号ＲＳ１を発生する。
【００２８】
Ｄ型フリップフロップＤＦは、データ入力端子Ｄにカウンタ回路３１０からのアンダーフロー信号ＵＮＦが入力され、クロック入力端子ＣＬＫに比較的高周波数の同期クロック信号ＣＫが入力され、リセット入力端子ＣＬＲにリセット信号ＲＳが入力される。そして、ＮＡＮＤ回路ＡＮ１は、Ｄ型フリップフロップＤＦの反転出力Ｑ１Ｂとスタート信号ＳＴとの論理積をとって論理反転処理することによりリセット信号ＲＳ２を発生する。
【００２９】
ＡＮＤ回路ＡＮ２は、インバータ回路ＩＮ１によるスタート信号ＳＴの反転信号と切換え信号ＣＳＷとの論理積処理を行い、その出力信号をカウンタ回路３１０のアップカウント制御入力端子ＵＰに供給する。さらに、カウンタ回路３１０は、ダウンカウント制御入力端子ＤＯＷＮにスタート信号ＳＴが入力され、クロック入力端子ＣＬＫに同期クロック信号ＣＫが入力される。そして、カウンタ回路３１０は、アップカウント制御入力端子ＵＰが論理“Ｈ”且つダウンカウント制御入力端子ＤＯＷＮが論理“Ｌ”であるときは、同期クロック信号ＣＫに同期してアップカウント動作を行うと共に、その計数値データＣＤをレジスタ回路３２０に保持させつつ出力させ、さらにオーバーフロー状態になるとオーバーフローデータＯＶＦを出力する。一方、アップカウント制御入力端子ＵＰが論理“Ｌ”且つダウンカウント制御入力端子ＤＯＷＮが論理“Ｈ”であるときは、同期クロック信号ＣＫに同期してダウンカウント動作を行うと共に、その計数値データＣＤをレジスタ回路３２０を介して出力し、さらにアンダーフロー状態になるとアンダーフローデータＵＮＦを出力する。
【００３０】
インバータ回路ＩＮ３は、インバータ回路ＩＮ２から出力されるリセット信号ＲＳ１を論理反転して、その反転された論理信号を抵抗器Ｒ４を介してＡＮＤ回路ＡＮ３の一方の入力端子に入力させる。ＡＮＤ回路ＡＮ３の当該一方の入力端子は、容量素子Ｃ１を介して接地されており、他方の入力端子は、リセット信号ＲＳ１が入力される。そして、ＡＮＤ回路ＡＮ３は、２つの入力端子それぞれに入力される論理信号の論理積を求め、この論理積を制御信号ＳＷＣＮＴとして出力する。インバータ回路ＩＮ３、抵抗器Ｒ４、容量素子Ｃ１およびＡＮＤ回路ＡＮ３は、リセット信号ＲＳ１の立ち上がりエッジを検知する回路を構成している。すなわち、リセット信号ＲＳ１が論理“Ｌ”から論理“Ｈ”へ立ち上がる時刻から、抵抗器Ｒ４の抵抗値および容量素子Ｃ１の容量値により定まる時間だけ、ＡＮＤ回路ＡＮ３から出力される制御信号ＳＷＣＮＴは論理“Ｈ”となる。
【００３１】
図４は、本実施形態に係る固体撮像装置のＡ／Ｄ変換回路４００の回路図である。Ａ／Ｄ変換回路４００は、可変容量積分回路４１０、比較回路Ａ４、容量制御部４２０および読み出し部４３０を備える。
【００３２】
可変容量積分回路４１０は、容量素子Ｃ２、アンプA３、可変容量部Ｃ４００およびスイッチ素子ＳＷ１を備える。アンプＡ３は、各ホールド回路３０_n から出力されスイッチ素子ＳＷ_n5を介して順次に到達した電圧信号Ｖ_n2を、容量素子Ｃ２を介して反転入力端子に入力する。アンプＡ３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Ａ３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ＳＷ１は、アンプＡ３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、各スイッチ素子ＳＷ_n5の出力端子から順次に出力された電圧信号を入力し、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。
【００３３】
比較回路Ａ４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_max2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。
【００３４】
容量制御部４２０は、比較回路Ａ４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_max2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。
【００３５】
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、本実施形態に係る固体撮像装置から出力される光検出信号となる。
【００３６】
図５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。
【００３７】
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Ａ３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Ａ３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Ａ３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Ａ３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。
【００３８】
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Ｃ₁ 〜Ｃ₄ は、
【００３９】
Ｃ₁＝２Ｃ₂＝４Ｃ₃＝８Ｃ₄ …(1)
【００４０】
Ｃ₁＋Ｃ₂＋Ｃ₃＋Ｃ₄＝Ｃ₀ …(2)
なる関係を満たす。
【００４１】
すなわち、スイッチ素子ＳＷ４２１〜ＳＷ４２４は、導通によって容量素子Ｃ４１１〜Ｃ４１４に蓄積された電荷の放電、積分動作におけるリセットを行うものであり、容量素子Ｃ４１１〜Ｃ４１４は出力信号レベルを決定するものであって、スイッチ素子の導通によって電荷蓄積が可能な容量素子Ｃ４１１〜Ｃ４１４の数が多いほど、これらの合成容量は増加するので、出力信号レベルは小さくなる。合成容量を増加させておけば、出力信号レベルは小さくなるので、飽和は抑制される。しかしながら、出力信号レベルは小さいので、Ａ／Ｄ変換を精密に行うことができない。本例では、後述のように、最大値Ｖ_ｍａｘ２を越えない範囲で最大となるように出力信号レベルを自動調整する。
【００４２】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の動作について説明する。なお、以下では、本実施形態に係る固体撮像装置が複数或いは単数の発光ダイオードＬＥＤ_ｎ（投光手段：図１参照）とともにパッシブ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、第１の周期Ｔ１および第２の周期Ｔ２の２回の処理を行うことによって、背景光成分を除去して、発光ダイオードＬＥＤ_ｎから被写体に投光されたスポット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。
【００４３】
まず、発光ダイオードＬＥＤ_ｎを点灯させ、後段側積分回路２０ｎの充電を停止させると共に、前段側積分回路１０ｎの充電（積分）を開始し、カウンタ回路３１０によって、この充電期間を計測する。充電によって最大電圧値Ｖ_max1は徐々に上昇していくが、これが基準電圧Ｖ_ref を越えた場合には、各積分回路１０_n の積分動作及びカウンタ回路３１０による充電期間の計測は停止する。すなわち、発光ダイオードＬＥＤ_ｎの点灯から、その光量の積分値が所定値となるまでの期間が、最大の積分値を与えるフォトダイオードの出力に関して計測される。計測された期間は、フォトダイオードへの全入射光の強度に比例する。
【００４４】
なお、上記積分値はコンデンサＣ_１ｎに蓄積される。発光ダイオードＬＥＤ_ｎを消灯させると、上記計測期間と同一の期間だけ、積分回路１０_n及び積分回路２０_n は積分動作を開始する。この期間における積分は背景光強度に比例する。双方の積分回路を動作させた場合には、蓄積電荷の減算が行われる。したがって、発光ダイオードＬＥＤ_ｎの点灯及び消灯によって、前者における全入射光強度から後者における背景光強度を除去した出力が後段側積分回路２０_ｎから出力される。以下、詳説する。
【００４５】
図６は、本実施形態に係る固体撮像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。
【００４６】
まず、周期Ｔ１の期間では、スタート信号ＳＴは論理“Ｌ”のままに維持されると共に、発光ダイオードＬＥＤ_ｎはスタート信号ＳＴの反転信号により駆動され発光する。この状態が設定されると、リセット信号ＲＳ２は論理“Ｈ”となるので、積分回路２０_n のスイッチ素子ＳＷ_n3は閉じて、容量素子Ｃ_n3への充電が停止される。
【００４７】
次に、開始時刻ｔ１において、リセット信号ＲＳが瞬間的に論理“Ｈ”となることにより、これに同期して、切換え信号ＣＳＷが論理“Ｈ”に反転し、リセット信号ＲＳ１が論理“Ｌ”に反転する。これにより、積分回路１０_n のスイッチ素子ＳＷ_n1は開く。さらに、アップカウント制御入力接点ＵＰが論理“Ｈ”となり、且つ、ダウンカウント制御入力接点ＤＯＷＮが論理“Ｌ”となるので、カウンタ回路３１０はアップカウント動作を開始する。
【００４８】
この結果、周期Ｔ１の期間では、各フォトダイオードＰＤ_n は、発光ダイオードＬＥＤ_ｎ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を入射し、それによって発生した電流信号を出力する。そして、各積分回路１０_n は、その電流信号を入力して容量素子Ｃ_n1に電荷を蓄積していくので、各積分回路１０_n の出力端子から出力される電圧信号Ｖ_n1は次第に上昇していき、また、最大値検出回路１００から出力される最大電圧値Ｖ_max1も次第に上昇していき、カウンタ回路３１０はその充電期間を計数する。
【００４９】
そして、ある時刻ｔ２において、各積分回路１０_n から出力される電圧信号Ｖ_n1のうちの最大値である最大電圧値Ｖ_max1が基準電圧Ｖ_ref を越えると、比較回路Ａ２から出力される比較出力ＣＭは論理“Ｈ”となる。これに同期して、ＲＳフリップフロップを構成する一方のＮＯＲ回路Ｎ１から出力される切換え信号ＣＳＷは論理“Ｌ”となり、リセット信号ＲＳ１は論理“Ｈ”に反転する。これにより、積分回路１０_n のスイッチ素子ＳＷ_n1が閉じて、各積分回路１０_n の積分動作は停止される。さらに、アップカウント制御入力接点ＵＰが論理“Ｌ”に反転するので、カウンタ回路３１０はアップカウント動作を停止する。
【００５０】
このように、最大値検出回路１００から出力された最大電圧値Ｖ_max1が基準電圧Ｖ_ref を越えた時刻ｔ２までの期間がＴ１となる。そして、この時刻ｔ２における積分回路１０_n の出力端子から出力される電圧信号の値をＶ_n11 とする。また、フォトダイオードＰＤ_n から積分回路１０_n の入力端子に入力される電流信号のうち、スポット光成分に対応する値をＩ_nsとし、背景光成分に対応する値をＩ_ndとすれば、以下の式が成立する。
【００５１】
Ｖ_n11＝（Ｉ_ns＋Ｉ_nd）・Ｔ１／Ｃ_n1 …(3)
【００５２】
さらに、リセット信号ＲＳ１の立ち上がりの際に、制御信号ＳＷＣＮＴが一定期間だけ論理“Ｈ”となり、スイッチ素子ＳＷ_n2が一定期間だけ閉じて、これにより、電圧信号の値Ｖ_n11 は容量素子Ｃ_n2に保持される。
【００５３】
さらに、カウンタ回路３１０は時間Ｔ１に相当する計数値ＣＤを内部にそのまま保持すると共に、レジスタ回路３２０にも保持させる。ここで注目すべきことは、フォトダイオードＰＤ_n に入射する光の強度が弱い場合には、最大電圧値Ｖ_max1が基準電圧Ｖ_ref を越えるまでの時間が長くなるので、カウンタ回路３１０には長い時間Ｔ１を示す計数値ＣＤを保持することとなり、逆に、光の強度が強い場合には、最大電圧値Ｖ_max1が基準電圧Ｖ_ref を越えるまでの時間が短くなるので、カウンタ回路３１０には短い時間Ｔ１を示す計数値ＣＤを保持することとなる。
【００５４】
なお、各フォトダイオードＰＤ_n に入射する光の強度が極めて弱く、その結果、最大電圧値Ｖ_max1が基準電圧Ｖ_ref を越える以前に、カウンタ回路３１０が計数可能容量を越えるとオーバーフロー信号ＯＶＦが発生するので、測定不能状態であることを外部に知らせることができる。
【００５５】
次に、ある時刻ｔ３において、スタート信号ＳＴを論理“Ｈ”に反転させると同時に、リセット信号ＲＳを論理“Ｈ”にする。さらに、発光ダイオードＬＥＤ_ｎの発光を停止させる。したがって、ＲＳフリップフロップ回路を構成するＮＯＲ回路Ｎ１から出力される切換え信号ＣＳＷは論理“Ｈ”に反転するのに同期して、リセット信号ＲＳ１は論理“Ｌ”に反転し、さらに、リセット信号ＲＳ２も論理“Ｌ”となる。すなわち、積分回路１０_n のスイッチ素子ＳＷ_n1は開き、積分回路２０_n のスイッチ素子ＳＷ_n3も開く。さらに、アップカウント制御入力接点ＵＰが論理“Ｌ”且つダウンカウント制御入力接点ＤＯＷＮが論理“Ｈ”となるので、カウンタ回路３１０は保持している値ＣＤからダウンカウント動作を開始する。
【００５６】
そして、このような切換え動作の結果、積分回路１０_n は、フォトダイオードＰＤ_n から出力された背景光成分のみに相当する電流信号を入力して、容量素子Ｃ_n1に電荷を蓄積していく。積分回路２０_n は、容量素子Ｃ_n1の充電電荷と容量素子Ｃ_n2の電荷との差の電荷を電荷保存の法則にしたがって、容量素子Ｃ_n3に充電していく。
【００５７】
そして、カウンタ回路３１０の計数値が零になると、その時刻ｔ４においてアンダーフロー信号ＵＮＦが論理“Ｈ”に反転し、さらに、Ｄ型フリップフロップＤＦの反転出力Ｑ１Ｂが論理“Ｌ”に反転し、リセット信号ＲＳ２が論理“Ｈ”に反転するので、スイッチ素子ＳＷ_n3が閉じて、期間Ｔ２が決まる。すなわち、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間がＴ２となる。周期Ｔ２はカウンタ回路３１０の計数動作の結果決まるので、周期Ｔ１とＴ２とは等しくなる。
【００５８】
そして、この時刻ｔ４における積分回路１０_n の出力端子から出力される電圧信号の値をＶ_n12 とする。また、フォトダイオードＰＤ_n から積分回路１０_n の入力端子に入力される電流信号は、背景光成分のみに対応するものであり、その値をＩ_ndとすれば、以下の関係を満たす。
【００５９】
Ｖ_n12＝Ｉ_nd・Ｔ１／Ｃ_n1 …(4)
【００６０】
また、積分回路２０_n は、期間Ｔ１では積分動作を停止し、期間Ｔ２では積分動作を行うので、電荷保存の法則により、以下の式に従った電荷が容量素子Ｃ_n2，Ｃ_n3に保持される。
【００６１】
（Ｖ_n11−Ｖ_n12）・Ｃ_n2＝Ｖ_n2・Ｃ_n3 …(5)
【００６２】
そして、上記 (5)式に (3)式および (4)式を代入し、Ｔ＝Ｔ１＝Ｔ２とすると、積分回路２０_n の出力端子から出力される電圧信号Ｖ_n2は、以下の式で示される値となる。
【００６３】
Ｖ_n2＝Ｉ_ns・Ｔ・Ｃ_n2／（Ｃ_n1・Ｃ_n3） …(6)
また、容量素子Ｃ_n2の容量値と容量素子Ｃ_n3の容量値とが互いに等しければ、上式は、以下の式となる。
【００６４】
Ｖ_n2＝Ｉ_ns・Ｔ／Ｃ_n1 …(7)
【００６５】
その後、各ホールド回路３０_n のスイッチ素子ＳＷ_n4が一定期間だけ閉じて各積分回路２０_n の出力端子から出力された電圧信号Ｖ_n2は、容量素子Ｃ_n4に保持される。容量素子Ｃ_n4に保持された電圧信号Ｖ_n2は、アンプＡ_n3を経て、ホールド回路３０_n の出力となる。ホールド回路３０_n から出力された電圧信号は、最大値検出回路２００に入力して最大電圧値Ｖ_max2が検出されるとともに、シフトレジスタ５００により各スイッチ素子ＳＷ_n5が順次に閉じられてＡ／Ｄ変換回路４００に順次に入力する。
【００６６】
続いて、図７Ａ〜図７Ｄを用いて、Ａ／Ｄ変換回路４００の動作を説明する。上述した期間Ｔ２が終了した時刻ｔ４においては、可変容量積分回路４１０のスイッチ素子ＳＷ１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それぞれが開じられて、可変容量部Ｃ４００の容量値がＣ₀ に設定されている。
【００６７】
そして、時刻ｔ４以降の或る時刻にスイッチ素子ＳＷ１は開かれ、スイッチ素子ＳＷ₁₅も開かれる。ホールド回路３０₁ から出力された電圧信号V₁₂は、スイッチ素子ＳＷ₁₅を介して可変容量積分回路４１０に入力する。可変容量積分回路４１０の容量素子Ｃ２に電圧信号Ｖ₁₂が入力すると、その電圧信号Ｖ₁₂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７Ａ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、以下の式で表される。
【００６８】
Ｖ_sa＝Ｖ₁₂＝Ｑ／Ｃ₀ …(8)
【００６９】
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７Ｂ参照）。この結果、可変容量部Ｃ４００の容量値はＣ₁ 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、以下の式で表される。
【００７０】
Ｖ_sb＝Ｑ／Ｃ₁ …(9)
この積分信号は、比較回路Ａ４に入力し、その値が最大電圧値Ｖ_max2と大小比較される。
【００７１】
もし、Ｖ_sb＞Ｖ_max2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７Ｃ参照）。この結果、可変容量部Ｃ４００の容量値はＣ₁ ＋Ｃ₂ 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、以下の式で表される。
【００７２】
Ｖ_sc＝Ｑ／（Ｃ₁＋Ｃ₂） …(10)
【００７３】
この積分信号は、比較回路Ａ４に入力し、その値が最大電圧値Ｖ_max2と大小比較される。
【００７４】
また、Ｖ_sb＜Ｖ_max2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７Ｄ参照）。この結果、可変容量部Ｃ４００の容量値はＣ₂ 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、以下の式で表される。
【００７５】
Ｖ_sd＝Ｑ／Ｃ₂ …(11)
【００７６】
この積分信号は、比較回路Ａ４に入力し、その値が最大電圧値Ｖ_max2と大小比較される。
【００７７】
以後、同様にして、可変容量積分回路４１０、比較回路Ａ４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_max2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_max2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。
【００７８】
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、本実施形態に係る固体撮像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番目のフォトダイオードＰＤ₁ が受光したスポット光の光量に応じた電圧信号Ｖ₁₂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番目以降のフォトダイオードＰＤ_n が受光したスポット光の光量に応じた電圧信号Ｖ_n2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。
【００７９】
可変容量積分回路４１０に入力する各電圧信号Ｖ_n2の最大値が最大電圧値Ｖ_max2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 (8)式より、可変容量部Ｃ４００に流入する電荷Ｑの最大値はＶ_max2・Ｃ₀ である。そして、或る第ｎ番目の電圧信号Ｖ_n2が最大電圧値Ｖ_max2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_n2が最大電圧値Ｖ_max2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_max2・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_max2と等しくなる。
【００８０】
以上のように、最大値検出回路２００から出力され比較回路Ａ４に入力される最大電圧値Ｖ_max2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_n2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_n2のうち何れかの値は必ず最大電圧値Ｖ_max2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、本実施形態に係る固体撮像装置は、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。
【００８１】
また、固体撮像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撮像結果から背景光成分の撮像結果を差し引くことによりスポット光成分のみの像を得る場合であって、各フォトダイオードＰＤ_n 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。
【００８２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、上記受光装置によれば、第１積分回路では、各受光素子において受光された光の光量に応じて出力された電流信号に応じて電荷が蓄積され電圧信号が出力される。Ｎ個の第１積分回路それぞれから出力された電圧信号のうちの最大値が第１最大値検出回路により検出される。そして、Ａ／Ｄ変換回路では、第１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て、Ｎ個の第１積分回路それぞれから出力された電圧信号はデジタル信号に変換されて出力される。したがって、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。
【００８３】
また、第２積分回路、スイッチ素子、容量素子および第２最大値検出回路を更に備える場合には、第２積分回路では、各受光素子において受光された光の光量に応じて出力された電流信号が入力し、この電流信号に基づいて電荷が蓄積され電圧信号が出力される。Ｎ個の第２積分回路それぞれから出力された電圧信号のうちの最大値が第２最大値検出回路により検出される。そして、タイミング制御回路により、第２最大値検出回路により検出された最大値に基づいて第１積分回路および第２積分回路それぞれの動作タイミングが制御されて、第２積分回路から出力される電圧信号は種々のノイズ成分が除去されたものとなる。
【００８４】
また、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場合であって、受光素子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、スポット光成分および背景光成分の撮像結果から背景光成分の撮像結果を差し引くことにより、スポット光成分のみの像が第１積分回路により得られる。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。
【００８５】
なお、上記最大値Ｖ_ｍａｘ１又はＶ_ｍａｘ２の代わりに、２番目に大きい数値を用いることもでき、また、必要であれば、適当な順番の数値を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本実施形態に係る固体撮像装置の回路図である。
【図２】 図２は本実施形態に係る固体撮像装置の最大値検出回路の回路図である。
【図３】 図３は本実施形態に係る固体撮像装置のタイミング制御回路の回路図である。
【図４】 図４は本実施形態に係る固体撮像装置のＡ／Ｄ変換回路の回路図である。
【図５】 図５は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６】 図６は本実施形態に係る固体撮像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７】 図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７ＤはＡ／Ｄ変換回路の動作を説明するための回路図である。
【符号の説明】
ＰＤ ₁ 〜ＰＤ _N …フォトダイオード、１０ _n …積分回路、ＳＷ _n2 …スイッチ素子、Ｃ _n2 …容量素子、３０ _n …ホールド回路、１００…最大値検出回路、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 (4)

1. 一次元又は二次元状に配列したＮ個（Ｎ≧２）の受光素子それぞれに対応して設けられたＮ個の第１積分回路と、前記Ｎ個の第１積分回路それぞれから出力されるＮ個の電圧信号の中から特定の信号を選択して検出する第１検出回路と、前記第１検出回路によって検出された前記信号に基づいてＡ／Ｄ変換レンジを設定して、前記Ｎ個の第１積分回路それぞれから出力される電圧信号をデジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換回路とを備えることを特徴とする受光装置。
2. 前記Ｎ個の受光素子それぞれに対応して設けられたＮ個の第２積分回路と、Ｎ組の前記第２積分回路および前記第１積分回路の間に順に設けられたスイッチ素子および容量素子と、前記Ｎ個の第２積分回路それぞれから出力される電圧信号の中から特定の信号を選択して検出する第２検出回路と、前記第２検出回路により検出された前記信号に基づいて前記第１積分回路および前記第２積分回路それぞれの動作タイミングを制御するタイミング制御回路とを更に備え、
   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固体撮像装置である前記受光装置であって、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Ｎ個の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て出力した電流信号に基づいて第１の電荷量を前記Ｎ個の第２積分回路に蓄積させ、次いで、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Ｎ個の受光素子が前記背景光成分を受光して出力した電流信号に基づいて第２の電荷量を前記Ｎ個の第２積分回路に蓄積させるとともに、前記第１の電荷量と前記第２の電荷量との差の電荷量を前記Ｎ個の第１積分回路に蓄積させることを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
3. 前記第１検出回路で検出される前記特定の信号は、最大値の信号であることを特徴とする請求項１又は２に記載の受光装置。
4. 前記第２検出回路で検出される前記特定の信号は、最大値の信号であることを特徴とする請求項２に記載の受光装置。

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