JP4463457B2 - 固体撮像装置及び測距装置 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出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固体撮像装置に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】
固体撮像装置は、１次元状または２次元状に配列された複数の光検出素子を有しており、各光検出素子が出力した信号電流を積分回路により積分して、その積分結果である信号電圧を出力する。また、固体撮像装置によっては、アナログ信号である上記信号電圧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変換の際に信号電圧が所定値を越える場合には、その信号電圧に基づいて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、上記信号電圧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（信号光成分）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。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の固体撮像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、光検出素子に入射する光の強度すなわち上記信号電圧の値が小さい場合には、光検出のＳ／Ｎ比は悪い。
【０００５】
また、従来の固体撮像装置における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、光検出素子に入射する光の強度すなわち上記信号電圧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、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が入射したときの上記信号電圧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、従来の固体撮像装置では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、Ａ／Ｄ変換する場合に、入射光強度が大きくても飽和することなく、入射光強度が小さくても分解能が優れた固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光量に応じた信号電流を出力するＮ（Ｎ≧２）個の光検出素子と、(2) Ｎ個の光検出素子それぞれに対応して設けられ、各光検出素子から出力された信号電流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信号電圧を出力するＮ個の積分回路と、(3) Ｎ個の積分回路それぞれに対応して設けられ、各積分回路から出力された信号電圧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の容量素子および増幅器と、増幅器の入出力間に並列的に設けられ容量値が互いに等しい第２の容量素子および第３の容量素子と、第２および第３の容量素子のうち何れか一方を選択して信号電圧の変化量に応じた電荷量を蓄積させるスイッチ手段と、を有するＮ個のＣＤＳ回路と、(4) Ｎ個のＣＤＳ回路それぞれに対応して設けられ、各ＣＤＳ回路の第２および第３の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、その差分に応じた差信号電圧を出力するＮ個の差分演算回路と、(5) Ｎ個の差分演算回路それぞれに対応して設けられ、各差分演算回路により得られた差信号電圧を保持して出力するＮ個のホールド回路と、(6) 時間に応じて単調に値が増加する基準信号電圧を出力する基準信号電圧発生回路と、(7) Ｎ個の差分演算回路それぞれに対応して設けられ、各差分演算回路により得られた差信号電圧の値と、基準信号電圧発生回路から出力される基準信号電圧の値とを比較し、両者が一致するタイミングを示す一致信号を出力するＮ個の比較回路と、(8) Ｎ個の比較回路それぞれから出力される一致信号を入力し、これらの一致信号が示すタイミングのうち最も遅いタイミングを示す最終一致信号を出力する最終一致判定回路と、(9) 最終一致判定回路から出力される最終一致信号と、基準信号電圧発生回路から出力される基準信号電圧とを入力し、最終一致信号が示すタイミングにおける基準信号電圧の値を保持し出力する基準電圧保持回路と、(10)基準電圧保持回路から出力される基準信号電圧の値に基づいてＡ／Ｄ変換レンジを設定し、Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される差信号電圧を順次に入力し、その差信号電圧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、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この固体撮像装置は、光検出素子、積分回路、ＣＤＳ回路、差分演算回路、ホールド回路および比較回路をＮユニット備えている。各ユニットにおいては、入射光量に応じた信号電流が光検出素子から出力され、積分回路では、光検出素子から出力された信号電流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信号電圧が出力される。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信号電圧が第１の容量素子に入力し、スイッチ手段により選択された第２および第３の容量素子のうち何れか一方に、その入力した信号電圧の変化量に応じた電荷量が蓄積される。そして、差分演算回路では、ＣＤＳ回路の第２および第３の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、その差分に応じた差信号電圧が出力される。この差信号電圧がホールド回路により保持される。また、比較回路では、差分演算回路により得られた差信号電圧の値と、基準信号電圧発生回路から出力される単調に値が増加する基準信号電圧の値とが比較され、両者が一致するタイミングを示す一致信号が出力される。
【００１０】
最終一致判定回路では、Ｎ個の比較回路それぞれから出力される一致信号が示すタイミングのうち、最も遅いタイミングを示す最終一致信号が出力される。基準電圧保持回路では、最終一致信号が示すタイミングにおける基準信号電圧の値が保持され出力される。この保持された基準信号電圧の値は、Ｎ個のホールド回路それぞれにより保持されている差信号電圧のうちの最大値である。そして、Ａ／Ｄ変換回路では、基準電圧保持回路から出力される基準信号電圧の値に基づいてＡ／Ｄ変換レンジが設定され、Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される差信号電圧が順次に入力され、その差信号電圧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。
【００１１】
また、本発明に係る固体撮像装置は、Ｎ個の積分回路、Ｎ個のＣＤＳ回路、Ｎ個の差分演算回路、Ｎ個のホールド回路、基準信号電圧発生回路、Ｎ個の比較回路、最終一致判定回路、基準電圧保持回路およびＡ／Ｄ変換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、光検出素子に当該スポット光成分および背景光成分が入射したときに積分回路が出力した信号電圧の変化量に応じた電荷量をＣＤＳ回路の第２の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、光検出素子に背景光成分が入射したときに積分回路が出力した信号電圧の変化量に応じた電荷量をＣＤＳ回路の第３の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、ＣＤＳ回路の第２および第３の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、その差分に応じた差信号電圧を差分演算回路から出力させるとともに、その差信号電圧をホールド回路に保持させ、(4) 第３の期間の後の第４の期間に、時間に応じて単調に値が増加する基準信号電圧を基準信号電圧発生回路から出力させるとともに、差信号電圧および基準信号電圧それぞれの値の比較に基づいて両者が一致するタイミングを示す一致信号を比較回路から出力させ、この一致信号が示すタイミングのうち最も遅いタイミングを示す最終一致信号を最終一致判定回路から出力させ、この最終一致信号が示すタイミングにおける基準信号電圧の値を基準電圧保持回路に保持させ、この保持された基準信号電圧の値に基づいてＡ／Ｄ変換回路のＡ／Ｄ変換レンジを設定させ、(5) 第４の期間の後の第５の期間に、Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される差信号電圧を順次にＡ／Ｄ変換回路に入力させて、その差信号電圧をデジタル信号に変換させて該デジタル信号をＡ／Ｄ変換回路から出力させる、ことを特徴とする。
【００１２】
この場合には、タイミング制御回路による制御の下に、第１の期間に、光検出素子にスポット光成分および背景光成分が入射したときに積分回路が出力した信号電圧の変化量に応じた第１の電荷量がＣＤＳ回路の第２の容量素子に蓄積される。また、第２の期間に、光検出素子に背景光成分が入射したときに積分回路が出力した信号電圧の変化量に応じた第２の電荷量がＣＤＳ回路の第３の容量素子に蓄積される。第１および第２の期間のうち何れが先であってもよい。そして、第１および第２の期間の後の第３の期間に、ＣＤＳ回路の第２および第３の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、その差分に応じた差信号電圧が差分演算回路から出力されホールド回路に保持される。このホールド回路に保持された差信号電圧は、スポット光成分に応じたものとなる。
【００１３】
続いて第４の期間に、単調に値が増加する基準信号電圧が基準信号電圧発生回路から出力される。比較回路からは、差信号電圧および基準信号電圧それぞれの値の比較に基づいて両者が一致するタイミングを示す一致信号が出力される。最終一致判定回路からは、この一致信号が示すタイミングのうち最も遅いタイミングを示す最終一致信号が出力されて、基準電圧保持回路により、この最終一致信号が示すタイミングにおける基準信号電圧の値が保持される。この保持された基準信号電圧の値に基づいて、Ａ／Ｄ変換回路のＡ／Ｄ変換レンジが設定される。そして、第４の期間の後の第５の期間に、Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される差信号電圧が順次にＡ／Ｄ変換回路に入力して、その差信号電圧がデジタル信号に変換されて該デジタル信号がＡ／Ｄ変換回路から出力される。
【００１４】
上記装置を換言すれば、上記固体撮像装置は、複数の回路列の出力信号が順次入力されるＡ／Ｄ変換回路を備える固体撮像装置において、前記回路列のそれぞれは、光検出素子と、光検出素子の出力に応じた信号（差分演算回路の出力信号）と時間に応じて単調増加する電圧（基準信号電圧発生回路の出力）とが入力され、両者の電圧値が一致するタイミングを示す一致信号を出力する比較回路とを備え、この固体撮像装置は、それぞれの比較回路から出力される複数の一致信号が入力され、これらの一致信号が示すタイミングのうち最も遅いタイミングを示す最終一致信号を出力する最終一致判定回路を備え、Ａ／Ｄ変換回路のＡ／Ｄレンジは、最終一致信号が出力された時の単調増加する電圧（基準信号電圧発生回路５００の出力）の値に応じて設定されることを特徴とする。
【００１５】
この最終一致信号は、上記光検出素子ＰＤの出力に応じた信号のうちで、最も入射光強度（光強度）が大きいものに対応する。したがって、これに基づいてＡ／Ｄ変換レンジを設定すれば、入射光強度が大きくても飽和することなく、入射光強度が小さくても分解能が優れたものとなる。
【発明の実施の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
（第１の実施形態）
【００１８】
先ず、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成について、図１〜図９を用いて説明する。図１は本実施形態に係る固体撮像装置の全体の概略構成図である。本実施形態に係る固体撮像装置は、Ｎ個のユニット１００₁〜１００_N、最終一致判定回路２００、基準電圧保持回路３００、Ａ／Ｄ変換回路４００、基準信号電圧発生回路５００、タイミング制御回路６００および、シフトレジスタ７００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、ＣＤＳ回路２０、差分演算回路３０、ホールド回路４０、比較回路５０およびスイッチ素子ＳＷ₆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ＣＤＳ回路２０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、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り、また、各ユニット１００_nの比較回路５０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。
【００１９】
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、入射光量に応じた信号電流を、アノ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次元像を撮像する。なお、フォトダイオードＰＤの数はＮ個であり、Ｎ個の光検出素子はアレイを構成している。
【００２０】
図２は本実施形態に係る固体撮像装置の積分回路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信号電圧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６００から出力される制御信号に基づいて開閉する。
【００２１】
図３は本実施形態に係る固体撮像装置のＣＤＳ回路２０の回路図である。各ユニット１００_nのＣＤＳ回路２０は、入力端子と出力端子との間に順に第１の容量素子Ｃ₂₁およびアンプＡ₂を有している。また、スイッチ素子ＳＷ₂₁、互いに縦続接続された第２の容量素子Ｃ₂₂およびスイッチ素子ＳＷ₂₂、ならびに、互いに縦続接続された第３の容量素子Ｃ₂₃およびスイッチ素子ＳＷ₂₃が、アンプＡ₂の入出力間に互いに並列的に接続されている。容量素子Ｃ₂₂およびＣ₂₃それぞれの容量は互いに等しい。
【００２２】
ＣＤＳ回路２０は、スイッチ素子ＳＷ₂₁〜ＳＷ₂₃が閉じているときには、容量素子Ｃ₂₂およびＣ₂₃それぞれを放電して初期化する。スイッチ素子ＳＷ₂₁およびＳＷ₂₃が開きスイッチ素子ＳＷ₂₂が閉じているときには、積分回路１０から容量素子Ｃ₂₁を経て入力した第１の電荷を容量素子Ｃ₂₂に蓄積して、その蓄積された電荷に応じた信号電圧を出力端子から出力する。スイッチ素子ＳＷ₂₁およびＳＷ₂₂が開きスイッチ素子ＳＷ₂₃が閉じているときには、積分回路１０から容量素子Ｃ₂₁を経て入力した第２の電荷を容量素子Ｃ₂₃に蓄積して、その蓄積された電荷に応じた信号電圧を出力端子から出力する。スイッチ素子ＳＷ₂₁，ＳＷ₂₂およびＳＷ₂₃それぞれは、タイミング制御回路６００から出力される制御信号に基づいて開閉する。
【００２３】
図４は第１の実施形態に係る固体撮像装置の差分演算回路３０および比較回路５０の回路図である。各ユニット１００_nの差分演算回路３０は、入力端子と出力端子との間に順に容量素子Ｃ₃およびアンプＡ₃を有し、容量素子Ｃ₃とアンプＡ₃との接続点がスイッチ素子ＳＷ₃を介して基準信号電圧発生回路５００と接続されている。差分演算回路３０は、基準信号電圧発生回路５００からスイッチ素子ＳＷ₃へ入力する基準信号電圧が一定電位（例えば接地電位）であるときには、スイッチ素子ＳＷ₃を閉じているときに容量素子Ｃ₃に電荷Ｑ１だけ充電し、スイッチ素子ＳＷ₃を開いているときに容量素子Ｃ₃から電荷Ｑ２を放電し、このようにして、ＣＤＳ回路２０から入力する電荷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）に応じた差信号電圧Ｖ_n3をアンプＡ₃から出力する。また、差分演算回路３０は、スイッチ素子ＳＷ₃を閉じているときに、基準信号電圧発生回路５００からスイッチ素子ＳＷ₃へ入力する単調に値が増加する基準信号電圧をアンプＡ₃に入力する。スイッチ素子ＳＷ₃は、タイミング制御回路６００から出力される制御信号に基づいて開閉する。
【００２４】
各ユニット１００_nの比較回路５０は、入力端子と出力端子との間に順に容量素子Ｃ₅およびインバータＩＮＶを有し、このインバータＩＮＶの入出力間にスイッチ素子ＳＷ₅が接続されている。スイッチ素子ＳＷ₅は、タイミング制御回路６００から出力される制御信号に基づいて開閉する。比較回路５０は、スイッチ素子ＳＷ₅が閉じているときには、インバータＩＮＶから中間電位（電源電位および接地電位の中間値）Ｖ_midを出力し、その電圧Ｖ_n1が容量素子Ｃ₅の片側に保持される。その時、容量素子Ｃ₅の反対側の端子には、差分演算回路３０から出力された信号電圧の値Ｖ_n2が保持される。その結果、この電圧値Ｖ_n1とＶ_n2の差分の電位に容量素子Ｃ₅の容量値を掛け合わせた電荷量が、容量素子Ｃ₅に保持されることになる。
【００２５】
その後、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃が閉じると、この時点で、容量素子Ｃ₅の片側の電位Ｖ_n2が基準電位レベルまで急降下する。それと同時に、比較回路５０のスイッチ素子ＳＷ₅も開くと、電圧値Ｖ_n1の電位はハイインピーダンス状態であることから、電圧値Ｖ_n2の変動分だけ、電圧値Ｖ_n1も同じだけ変動して急降下する。そして、基準信号電圧発生回路５００の基準信号電圧は単調に増加して行くと、上記電圧値Ｖ_n1およびＶ_n2もこれに比例して、ゆっくりと上昇して行く。こうして、電圧値Ｖ_n1が中間電位Ｖ_midに達した瞬間、上記インバータＩＮＶの出力は急反転する。この作用により、差分演算回路３０の出力電圧値の大きさが基準電圧と比較されることになる。なお、基準信号電圧発生回路５００は時間に対して電圧が三角状に変化する三角波を発生していることとなる。
【００２６】
以上のように、比較回路５０は、基準信号電圧発生回路５００から出力され差分演算回路３０のアンプＡ₃を経て入力した基準信号電圧の値と、容量素子Ｃ₅に保持された電圧値とを比較して、その比較結果を示す論理信号を出力する。比較回路５０から出力される論理信号（一致信号）は、基準信号電圧の値と容量素子Ｃ₅に保持された電圧値とが一致したタイミングで論理が反転する。
【００２７】
図５は本実施形態に係る固体撮像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ＳＷ₄₁および容量素子Ｃ₄を有し、スイッチ素子ＳＷ₄₁と容量素子Ｃ₄との接続点がスイッチ素子ＳＷ₄₂を介して接地され、容量素子Ｃ₄と出力端子との間の点がスイッチ素子ＳＷ₄₃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ＳＷ₄₁およびＳＷ₄₃が閉じているときに、差分演算回路３０から出力された差信号電圧Ｖ_n3を容量素子Ｃ₄に記憶し、スイッチ素子ＳＷ₄₁が開いた後も、容量素子Ｃ₄の信号電圧Ｖ_n3を保持する。スイッチ素子ＳＷ₄₁〜ＳＷ₄₃は、タイミング制御回路６００から出力される制御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ＳＷ₆はシフトレジスタ７００により制御されて順次に閉じ、スイッチ素子ＳＷ₄₂も閉じて、スイッチドキャパシタと同様の原理で、ホールド回路４０から出力される差信号電圧Ｖ_n3情報を電荷の形でＡ／Ｄ変換回路４００に順次に入力させる。
【００２８】
図６は本実施形態に係る固体撮像装置の最終一致判定回路２００の回路図である。最終一致判定回路２００は、ＮＭＯＳトランジスタＴ₁〜Ｔ_Nおよび抵抗器Ｒ₂₀₀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Ｒ₂₀₀を介して電源電圧Ｖddに共通に接続されている。各トランジスタＴ_nのゲート端子は、ユニット１００_nの比較回路５０の出力端子と接続されており、比較回路５０から出力される論理信号が入力する。この最終一致判定回路２００では、各ユニット１００_nの比較回路５０から出力された論理信号（一致信号）がトランジスタＴ_nのゲート端子に入力され、全ての論理信号が論理Ｌとなったときに、論理Ｈの論理信号が出力端子から基準電圧保持回路３００へ出力される。この最終一致判定回路２００から出力される論理信号（最終一致信号）は、各ユニット１００_nの比較回路５０から出力される論理信号（一致信号）が論理反転するタイミングのうち最も遅いタイミングで論理が反転する。このように構成される最終一致判定回路２００は、回路サイズが小さい点で好適である。なお、最終一致判定回路２００は、Ｎ入力のＮＯＲ論理回路であってもよく、この場合には、正確な論理レベル値を出力することが可能であり、誤動作し難く、消費電力が小さい点で好適である。
【００２９】
図７は本実施形態に係る固体撮像装置の基準電圧保持回路３００の回路図である。基準電圧保持回路３００は、入力端子と出力端子との間に順にスイッチ素子ＳＷ₃₀₀およびアンプＡ₃₀₀を有し、スイッチ素子ＳＷ₃₀₀とアンプＡ₃₀₀との接続点が容量素子Ｃ₃₀₀を介して接地されている。基準電圧保持回路３００は、最終一致判定回路２００から出力される論理信号（最終一致信号）が論理ＨとなったときにスイッチＳＷ₃₀₀を開き、そのときの基準信号電圧発生回路５００から出力されている基準信号電圧の値を容量素子Ｃ₃₀₀に保持しアンプＡ₃₀₀より出力する。
【００３０】
図８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、基準電圧保持回路３００から出力される基準電圧値情報を電荷の形で入力し、この基準電圧値を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から出力される差信号電圧Ｖ_n3をスイッチ素子ＳＷ₆を介して順次に入力し、その信号電圧（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。
【００３１】
可変容量積分回路４１０は、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ＳＷ₆を介して順次に到達した差信号電圧Ｖ_n3に比例する電荷量を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、入力した信号電圧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信号電圧を入力し、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。
【００３２】
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、基準電圧保持回路３００から出力された基準電圧値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。
【００３３】
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基準電圧値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。
【００３４】
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。
【００３５】
図９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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
基準信号電圧発生回路５００は、基準信号電圧を発生して、この基準信号電圧を各ユニット１００_nの比較回路５０に与え、また、この基準信号電圧を基準電圧保持回路３００に与える。なお、本実施形態では、基準信号電圧は、差分演算回路３０のアンプＡ₃を介して間接的に比較回路５０に与えられる。この基準信号電圧は、差分演算回路３０が差分演算を行いホールド回路４０がその結果を保持するまでは一定電位（例えば接地電位）であり、その後は電圧値が単調に増加する。シフトレジスタ７００は、この基準信号電圧の単調増加が終了した後に各ユニット１００_nのスイッチ素子ＳＷ₆を順次に閉じる。タイミング制御回路６００は、その他のスイッチ素子の開閉を制御し、基準信号電圧発生回路５００からの基準信号電圧の出力を制御する。
【００３９】
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。 図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄ、図１０Ｅ、図１０Ｆ、図１０Ｇ、図１０Ｈ、図１０Ｉ、図１０Ｊ、図１０Ｋ、図１０Ｌ、図１０Ｍ、図１０Ｎ、図１０Ｏ、図１０Ｐ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。なお、以下では、本実施形態に係る固体撮像装置が発光ダイオード等の投光手段ＬＥＤ（図１４参照）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。
【００４０】
時刻ｔ₁に、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、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₁が閉じて、ＣＤＳ回路２０におけるＣＤＳ動作が停止される。時刻ｔ₂に、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信号電圧は次第に大きくなっていく。この時刻ｔ₂では、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₁は閉じたままであり、同時にスイッチ素子ＳＷ₂₂が閉じて容量素子Ｃ₂₂の残留電荷を放電する。スイッチ素子ＳＷ₂₃は開いている。時刻ｔ₃に、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₁が開き、スイッチ素子ＳＷ₂₂は閉じたままである。そして、時刻ｔ₃から一定時間Ｔ経過後の時刻ｔ₄に、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₁が閉じ、スイッチ素子ＳＷ₂₂が開く。
【００４１】
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信号電流がフォトダイオードＰＤから出力される。そして、その信号電流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信号電圧が積分回路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信号電圧がＣＤＳ回路２０に入力して、時刻ｔ₃以降の入力信号電圧の変化分に相当する電荷が容量素子Ｃ₂₂に蓄積され、その蓄積された電荷の量に応じた信号電圧がＣＤＳ回路２０から出力される。したがって、時刻ｔ₄にＣＤＳ回路２０から出力される信号電圧は、時刻ｔ₃および時刻ｔ₄それぞれに積分回路１０から出力される信号電圧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。
【００４２】
時刻ｔ₄に、スイッチ素子ＳＷ₂₂が開いて、その時点でのＣＤＳ結果が電荷量として、これ以降、容量素子Ｃ₂₂に保持され続ける。さらに、その直後に積分回路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、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₁が閉じて、ＣＤＳ回路２０におけるＣＤＳ動作が停止される。同時に、スイッチ素子ＳＷ₂₃が閉じて、容量素子Ｃ₂₃の残留電荷を放電する。時刻ｔ₅に、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信号電圧は次第に大きくなっていく。この時刻ｔ₅では、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₁は閉じたままであり、スイッチ素子ＳＷ₂₂は開いている。時刻ｔ₆に、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₁が開き、スイッチ素子ＳＷ₂₃は閉じたままである。そして、時刻ｔ₆から一定時間経過後の時刻ｔ₇にスイッチ素子ＳＷ₂₃が開いて、その時点でのＣＤＳ結果が、これ以降、スイッチ素子ＳＷ₂₃に電荷の形で保持される。その後、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₁が閉じて、次の動作に備える。
【００４３】
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信号電流がフォトダイオードＰＤから出力される。そして、その信号電流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信号電圧が積分回路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信号電圧がＣＤＳ回路２０に入力して、時刻ｔ₆以降の入力信号電圧の変化分に相当する電荷が容量素子Ｃ₂₃に蓄積され、その蓄積された電荷の量に応じた信号電圧がＣＤＳ回路２０から出力される。したがって、時刻ｔ₇にＣＤＳ回路２０から出力される信号電圧は、時刻ｔ₆および時刻ｔ₇それぞれに積分回路１０から出力される信号電圧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。
【００４４】
時刻ｔ₇以降では、ＣＤＳ回路２０の容量素子Ｃ₂₂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、ＣＤＳ回路２０の容量素子Ｃ₂₃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、容量素子Ｃ₂₂およびＣ₂₃それぞれの容量値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Ｖ_n3＝（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Ｖ_n3が差分演算回路３０により以下のようにして求められる。
【００４５】
時刻ｔ₇〜ｔ₁₁の期間（第３の期間）では、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。また、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₁が開いたままである。この第３の期間に、差分演算回路３０は、ＣＤＳ回路２０の容量素子Ｃ₂₂およびＣ₂₃それぞれに蓄積されている電荷量の差分を求めて、その差分に応じた差信号電圧を出力し、ホールド回路４０は、この差分演算回路３０から出力された差信号電圧を保持する。
【００４６】
時刻ｔ₈〜ｔ₉の期間に、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₂が閉じる。このとき、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃は閉じている。この期間にＣＤＳ回路２０の出力端子から出力される信号電圧は、容量素子Ｃ₂₂に蓄積された電荷の量に応じた電圧値Ｖ_n1であり、この電圧値Ｖ_n1が差分演算回路３０の容量素子Ｃ₃に保持される。
【００４７】
時刻ｔ₁₀〜時刻ｔ₁₁の期間に、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂₃が閉じる。このとき、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃は開いている。この期間にＣＤＳ回路２０の出力端子から出力される信号電圧は、容量素子Ｃ₂₃に蓄積された電荷の量に応じた電圧値Ｖ_n2である。このとき、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃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Ｖ_n3が保持され、この電圧値Ｖ_n3がアンプＡ₃を介して出力される。この電圧値Ｖ_n3は、スポット光成分のみに相当するものである。
【００４８】
そして、ホールド回路４０のスイッチ素子ＳＷ₄₁およびＳＷ₄₃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Ｖ_n3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ＳＷ₄₁を経て、ホールド回路４０の容量素子Ｃ₄に保持される。スイッチ素子ＳＷ₄₁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Ｖ_n3の情報は、容量素子Ｃ₄に蓄積された電荷量の形で保持され続ける。
【００４９】
時刻ｔ₁₁までは、比較回路５０のスイッチ素子ＳＷ₅は閉じており、比較回路５０のインバータＩＮＶの入力電圧レベルおよび出力電圧レベルはともに中間電位である。また、比較回路５０の容量素子Ｃ₅には、差分演算回路３０により求められた差信号電圧Ｖ_n3の値が保持される。時刻ｔ₁₁の後に、差分演算回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃が閉じて、比較回路５０のスイッチ素子ＳＷ₅が開くと、差分演算回路３０からの出力電圧レベルは電圧値Ｖ_n3から−Ｖ_n3だけ低下するとともに、比較回路５０のインバータＩＮＶの入力電圧レベルは中間電位から−Ｖ_n3だけ低下し、比較回路５０から出力される信号は論理Ｈの論理信号となる。
【００５０】
時刻ｔ₁₂以降（第４の期間）では、基準信号電圧発生回路５００から出力される基準信号電圧は単調に値が増加していく。各ユニット１００_nの比較回路５０では、差分演算回路３０により求められて容量素子Ｃ₅に保持されている電圧値Ｖ_n3と、基準信号電圧発生回路５００から出力され差分演算回路３０のアンプＡ₃を経て入力する基準信号電圧の値との比較が行われ、両者が一致すると論値Ｌの論理信号（一致信号）が出力される。比較回路５０から出力される論理信号の論理Ｌへの変化は、両者が一致するタイミングを示す。
【００５１】
最終一致判定回路２００では、各ユニット１００_nの比較回路５０から出力される論理信号の全てが論理Ｌとなると、論理Ｈの論理信号（最終一致信号）が出力される。最終一致判定回路２００から出力される論理信号の論理Ｈへの変化は、各ユニット１００_nの比較回路５０から出力される論理信号が論理Ｌとなるタイミングのうち最も遅いタイミングを示す。なお、最終一致判定回路２００から出力される論理信号が論理Ｈへ変化した時点で、基準信号電圧発生回路５００から出力される基準信号電圧の値の増加を終了してよい。
【００５２】
基準電圧保持回路３００では、最終一致判定回路２００から出力される論理信号が論理Ｈとなったタイミングでスイッチ素子ＳＷ₃₀₀が開いて、そのタイミングにおける基準信号電圧発生回路５００からの基準信号電圧の値（基準電圧値Ｖ_ref）が容量素子Ｃ₃₀₀に保持され、その後もアンプＡ₃₀₀を介して基準電圧値Ｖ_refが出力される。この基準電圧値Ｖ_refは、各ユニット１００_nの差分演算回路３０により求められホールド回路４０に保持された差信号電圧Ｖ_n3の最大値を表している。そして、この基準電圧保持回路３００により保持された基準電圧値Ｖ_refに基づいてＡ／Ｄ変換回路４００のＡ／Ｄ変換レンジが設定される。
【００５３】
Ａ／Ｄ変換回路４００のＡ／Ｄ変換レンジが設定された後の期間（第５の期間）では、各ユニット１００_nのスイッチ素子ＳＷ₆がシフトレジスタ７００により順次に閉じられる。各ユニット１００_nのホールド回路４０から出力された差信号電圧Ｖ_n3に比例する電荷量は、スイッチ素子ＳＷ₄₀₁が一旦閉じて可変容量部Ｃ₄₀₀の電荷を全て放電してリセット状態とした後に、更にスイッチ素子ＳＷ₄₀₁を開いてからスイッチ素子ＳＷ₆およびスイッチ素子ＳＷ₄₂を同時に開くと、可変容量部Ｃ₄₀₀に転送される。このようにして、差信号電圧Ｖ_n3に相当する電圧が、Ａ／Ｄ変換回路４００の可変容量部Ｃ４００に順次に電荷の形で入力された後、デジタル信号に変換されて、該デジタル信号がＡ／Ｄ変換回路４００から出力される。
【００５４】
続いて、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、図１１Ｄを用いて、Ａ／Ｄ変換回路４００の動作を説明する。時刻ｔ₁₃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それぞれが開かれて、可変容量部Ｃ₄₀₀の容量値がＣ₀に設定されている。
【００５５】
そして、時刻ｔ₁₃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ＳＷ₆が閉じられる。ユニット１００₁のホールド回路４０の容量素子Ｃ₄に蓄積されている電荷量Ｑは、スイッチ素子ＳＷ₄₁およびＳＷ₄₃が開きスイッチ素子ＳＷ₄₂が閉じると、スイッチ素子ＳＷ₆を介して、Ａ／Ｄ変換回路４００の可変容量部４１０に入力する。可変容量積分回路４１０に電荷量Ｑが入力すると、信号電圧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１１Ａ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。
【００５６】
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１１Ｂ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、その値が基準電圧値Ｖ_refと大小比較される。
【００５７】
もし、Ｖ_sb＞Ｖ_ref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１１Ｃ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、その値が基準電圧値Ｖ_refと大小比較される。
【００５８】
また、Ｖ_sb＜Ｖ_ref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１１Ｄ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、その値が基準電圧値Ｖ_refと大小比較される。
【００５９】
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_ref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、積分信号の値と基準電圧値Ｖ_ref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。
【００６０】
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番目のユニット１００₁のフォトダイオードＰＤに入射したスポット光の光量に応じた信号電圧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に入射したスポット光の光量に応じた差信号電圧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。
【００６１】
可変容量積分回路４１０に入力する各信号電圧Ｖ_n3の最大値が基準電圧値Ｖ_ref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_ref・Ｃ₀である。そして、或る第ｎ番目の信号電圧Ｖ_n3が基準電圧値Ｖ_ref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番目の信号電圧Ｖ_n3が基準電圧値Ｖ_ref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_ref・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基準電圧値Ｖ_refと等しくなる。
【００６２】
以上のように、基準電圧保持回路３００から出力され比較回路Ａ₄₀₂に入力される基準電圧値Ｖ_ref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差信号電圧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に入力する各信号電圧Ｖ_n3のうち何れかの値は必ず基準電圧値Ｖ_ref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、入射光強度が大きくても飽和することなく、且つ、入射光強度が小さくてもＡ／Ｄ変換の分解能が優れたものとなる。
【００６３】
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、フォトダイオードＰＤに入射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。
【００６４】
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から出力される信号電圧の変動分Ｖ_n1がＣＤＳ回路２０の容量素子Ｃ₂₂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から出力される信号電圧の変動分Ｖ_n2がＣＤＳ回路２０の容量素子Ｃ₂₃に保持される。そして、その後に、電圧値Ｖ_n1と電圧値Ｖ_n2との差に相当する差信号電圧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、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ_n1および電圧値Ｖ_n2や、ホールド回路４０から出力される差信号電圧Ｖ_n3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。
【００６５】
（第２の実施形態）
【００６６】
次に、第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成について説明する。第２の実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態の場合と比較すると、差分演算回路３０および比較回路５０それぞれの回路構成が異なる。図１２は第２の実施形態に係る固体撮像装置の差分演算回路３０および比較回路５０の回路図である。
【００６７】
各ユニット１００_nの差分演算回路３０は、入力端子と出力端子との間に順に容量素子Ｃ₃およびアンプＡ₃を有し、容量素子Ｃ₃とアンプＡ₃との接続点がスイッチ素子ＳＷ₃を介して接地されている。差分演算回路３０は、スイッチ素子ＳＷ₃を閉じているときに容量素子Ｃ₃に電荷Ｑ１だけ充電し、スイッチ素子ＳＷ₃を開いているときに容量素子Ｃ₃から電荷Ｑ２を放電し、このようにして、ＣＤＳ回路２０から入力する電荷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）に応じた信号電圧をアンプＡ₃から出力する。スイッチ素子ＳＷ₃は、タイミング制御回路６００から出力される制御信号に基づいて開閉する。
【００６８】
各ユニット１００_nの比較回路５０は、２つの入力端子および１つの出力端子を有している。第１（第２）の入力端子と出力端子との間に順にスイッチ素子ＳＷ₅₂（ＳＷ₅₃）、容量素子Ｃ₅およびインバータＩＮＶを有し、このインバータＩＮＶの入出力間にスイッチ素子ＳＷ₅₁が接続されている。スイッチ素子ＳＷ₅₁〜ＳＷ₅₃は、タイミング制御回路６００から出力される制御信号に基づいて開閉する。
【００６９】
ＣＤＳ回路２０の容量素子Ｃ₂₂およびＣ₂₃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３０で求めて該差分をホールド回路４０で保持する第３の期間では、比較回路５０は、スイッチ素子ＳＷ₅₁を閉じてインバータＩＮＶから中間電位を出力し、また、スイッチ素子ＳＷ₅₂を閉じスイッチ素子ＳＷ₅₃を開いて、差分演算回路３０から出力された電圧値Ｖ_n3を容量素子Ｃ₃に保持する。この第３の期間に続く第４の期間では、比較回路５０は、スイッチ素子ＳＷ₅₁およびＳＷ₅₂を開きスイッチ素子ＳＷ₅₃を閉じて、基準信号電圧発生回路５００から出力される基準信号電圧の値と、容量素子Ｃ₅に保持された電圧値Ｖ_n3とを比較して、その比較結果を示す論理信号を出力する。比較回路５０から出力される論理信号は、基準信号電圧の値と容量素子Ｃ₅に保持された電圧値Ｖ_n3とが一致したタイミングで論理が反転する。
【００７０】
本実施形態に係る固体撮像装置の動作および効果は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００７１】
（第３の実施形態）
【００７２】
次に、第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成について説明する。第３の実施形態に係る固体撮像装置は、第２の実施形態の場合と比較すると、比較回路５０の回路構成が異なる。図１３は第３の実施形態に係る固体撮像装置の差分演算回路３０および比較回路５０の回路図である。
【００７３】
各ユニット１００_nの比較回路５０は、２つの入力端子および１つの出力端子を有し、スイッチ素子ＳＷ₅、容量素子Ｃ₅および差動型コンパレータＣＯＭＰを有している。差動型コンパレータＣＯＭＰの非反転入力端子は、容量素子Ｃ₅を介して接地され、また、差分演算回路３０から出力される信号電圧を入力する第１の入力端子とスイッチ素子ＳＷ₅を介して接続されている。差動型コンパレータＣＯＭＰの反転入力端子は、基準信号電圧発生回路５００から出力される基準信号電圧を入力する第２の入力端子と接続されている。スイッチ素子ＳＷ₅は、タイミング制御回路６００から出力される制御信号に基づいて開閉する。
【００７４】
ＣＤＳ回路２０の容量素子Ｃ₂₂およびＣ₂₃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３０で求めて該差分をホールド回路４０で保持する第３の期間では、比較回路５０は、スイッチ素子ＳＷ₅を閉じて、差分演算回路３０から出力された電圧値Ｖ_n3を容量素子Ｃ₃に保持する。この第３の期間に続く第４の期間では、比較回路５０は、スイッチ素子ＳＷ₅を開いて、基準信号電圧発生回路５００から出力される基準信号電圧の値と、容量素子Ｃ₅に保持された電圧値Ｖ_n3とを差動型コンパレータＣＯＭＰで比較して、その比較結果を示す論理信号を出力する。比較回路５０から出力される論理信号は、基準信号電圧の値と容量素子Ｃ₅に保持された電圧値Ｖ_n3とが一致したタイミングで論理が反転する。
【００７５】
本実施形態に係る固体撮像装置の動作および効果は、第１の実施形態の場合と同様である。特に、本実施形態では、キャパシタ入力に頼ることなく差動型コンパレータＣＯＭＰで比較しているので、寄生容量の影響が小さく、比較の精度が優れる。
【００７６】
図１４は上述の固体撮像装置が実装された撮像装置を搭載した測距装置の斜視図である。図１に示した固体撮像装置は半導体チップＳＣからなり、本撮像装置においては、半導体チップＳＣをセラミック製のパッケージＰＫＧ内に収納している。Ａ／Ｄ変換回路４００は半導体チップＳＣ内に形成してもよいが、半導体チップＳＣの外側に接続してもよい。半導体チップＳＣがＡ／Ｄ変換回路４００を含む場合には、パッケージＰＫＧの側面には、Ａ／Ｄ変換回路４００の出力端子ＴＭが設けられ、含まない場合にはＡ／Ｄ変換回路４００へ入力される信号を出力するための出力端子ＴＭが設けられる。
【００７７】
パッケージＰＫＧは凹部を有しており、半導体チップＳＣは当該凹部内に配置されている。この凹部の内壁には段部ＳＴＰが形成されており、この段部ＳＴＰ上にフィルタＦが配置され、フィルタＦによってパッケージＰＫＧの凹部は閉塞されている。なお、フィルタＦとパッケージＰＫＧとの隙間には接着剤ＡＨＶが介在している。フィルタＦは赤外線を選択的に透過する赤外線フィルタであり、Ｓｉからなる。なお、半導体チップＳＣの構成材料もＳｉである。
【００７８】
フィルタＦを透過した赤外線は半導体チップＳＣの表面に設けられたホトダイオードＰＤのアレイに入射し、この入射画像に対応した画像信号は出力端子ＴＭから出力される。
【００７８】
本撮像装置は回路基板ＣＢ上に搭載されている。すなわち、回路基板ＣＢ上にはソケットＳＫＴが固定されており、ソケットＳＫＴの内面に端子ＴＭが接触するように、撮像装置がソケットＳＫＴに嵌め込まれる。回路基板ＣＢ上には光源ＬＥＤも配置される。すなわち、本装置は、固体撮像装置ＳＣへ入射する光を提供する光源ＬＥＤを備え、固体撮像装置ＳＣ及び光源ＬＥＤは同一の回路基板ＣＢ上に固定されている。
【００７９】
入射画像が、固定位置に配置された赤外線光源ＬＥＤからの光スポットである場合には、上記画像信号に基づいて光スポットの入射位置を検出することができる。すなわち、光源ＬＥＤから対象物に赤外線を出射し、対象物による反射光をレンズＬＳによって集光することにより半導体チップＳＣ上に光スポットを形成し、基準位置からの光スポットの距離（入射位置）を画像信号に基づいて求め、この入射位置に基づいて対象物までの距離を演算する。なお、レンズＬＳは回路基板ＣＢに対して固定される。
【００８０】
この演算には三角測量法の原理を用いることができる。すなわち、光スポットの入射位置は、光源ＬＥＤと半導体チップＳＣとの間の距離に応じて変化するので、本装置は測距装置に用いることができることとなる。なお、この演算は、回路基板ＣＢ上に搭載されたデジタルプロセッサによって行われる。
【００８１】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、Ｎ個のユニットそれぞれにおいては、入射光量に応じた信号電流が光検出素子から出力され、積分回路では、光検出素子から出力された信号電流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信号電圧が出力される。ＣＤＳ回路では、積分回路から出力される信号電圧が第１の容量素子に入力し、スイッチ手段により選択された第２および第３の容量素子のうち何れか一方に、その入力した信号電圧の変化量に応じた電荷量が蓄積される。そして、差分演算回路では、ＣＤＳ回路の第２および第３の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、その差分に応じた差信号電圧が出力される。この差信号電圧がホールド回路により保持される。また、比較回路では、差分演算回路により得られた差信号電圧の値と、基準信号電圧発生回路から出力される単調に値が増加する基準信号電圧の値とが比較され、両者が一致するタイミングを示す一致信号が出力される。
【００８２】
さらに本発明によれば、最終一致判定回路では、Ｎ個の比較回路それぞれから出力される一致信号が示すタイミングのうち、最も遅いタイミングを示す最終一致信号が出力される。基準電圧保持回路では、最終一致信号が示すタイミングにおける基準信号電圧の値が保持され出力される。この保持された基準信号電圧の値は、Ｎ個のホールド回路それぞれにより保持されている差信号電圧のうちの最大値である。そして、Ａ／Ｄ変換回路では、基準電圧保持回路から出力される基準信号電圧の値に基づいてＡ／Ｄ変換レンジが設定され、Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される差信号電圧が順次に入力され、その差信号電圧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。
【００８３】
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、ＣＤＳ回路によりノイズ誤差が解消される。また、入射光強度が大きくても飽和することなく、入射光強度が小さくても分解能が優れたものとなる。
【００８４】
また、第１の期間に、ＣＤＳ回路の第２および第３の容量素子のうち一方にスポット光成分（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、他方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（信号光成分）が差分演算回路で求められホールド回路に保持される。続いて第４の期間に、単調に値が増加する基準信号電圧が基準信号電圧発生回路から出力される。比較回路からは、差信号電圧および基準信号電圧それぞれの値の比較に基づいて両者が一致するタイミングを示す一致信号が出力される。最終一致判定回路からは、この一致信号が示すタイミングのうち最も遅いタイミングを示す最終一致信号が出力されて、基準電圧保持回路により、この最終一致信号が示すタイミングにおける基準信号電圧の値が保持される。この保持された基準信号電圧の値に基づいて、Ａ／Ｄ変換回路のＡ／Ｄ変換レンジが設定される。そして、第５の期間に、Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される差信号電圧が順次にＡ／Ｄ変換回路に入力して、その差信号電圧がデジタル信号に変換されて該デジタル信号がＡ／Ｄ変換回路から出力される。このようにすることで、背景光成分が除去されて信号光成分についての光検出のＳ／Ｎ比は優れたものとなる。
【００８５】
また、上記固体撮像装置は、複数の回路列（ＰＤ、１０、２０、３０、５０、４０、ＳＷ_６）の出力信号が順次入力されるＡ／Ｄ変換回路４００を備える固体撮像装置において、前記回路列のそれぞれは、光検出素子ＰＤと、光検出素子ＰＤの出力に応じた信号（差分演算回路３０の出力信号）と単調増加する電圧（基準信号電圧発生回路５００の出力）とが入力され、両者が一致するタイミングを示す一致信号を出力する比較回路５０とを備え、この固体撮像装置は、それぞれの比較回路５０から出力される複数の一致信号が入力され、これらの一致信号が示すタイミングのうち最も遅いタイミングを示す最終一致信号を出力する最終一致判定回路２００を備え、Ａ／Ｄ変換回路４００のＡ／Ｄ変換レンジは、最終一致信号が出力された時の単調増加する電圧（基準信号電圧発生回路５００の出力）の値に応じて設定されることを特徴とする。
【００８６】
最終一致信号は、上記光検出素子ＰＤの出力に応じた信号のうちで、最も入射光強度（光強度）が大きいものに対応する。したがって、これに基づいてＡ／Ｄ変換レンジを設定すれば、入射光強度が大きくても飽和することなく、入射光強度が小さくても分解能が優れたものとなる。
産業上の利用可能性
【００８７】
本発明は、固体撮像装置及び測距装置に利用することができる。
【発明の効果】
【００８８】
本発明によれば、Ｓ／Ｎ比が優れ、Ａ／Ｄ変換する場合に、入射光強度が大きくても飽和することなく、入射光強度が小さくても分解能が優れた固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】 本実施形態に係る固体撮像装置の全体の概略構成図である。
【図２】 本実施形態に係る固体撮像装置の積分回路の回路図である。
【図３】 本実施形態に係る固体撮像装置のＣＤＳ回路の回路図である。
【図４】 第１の実施形態に係る固体撮像装置の差分演算回路および比較回路の回路図である。
【図５】 本実施形態に係る固体撮像装置のホールド回路の回路図である。
【図６】 本実施形態に係る固体撮像装置の最終一致判定回路の回路図である。
【図７】 本実施形態に係る固体撮像装置の基準電圧保持回路の回路図である。
【図８】 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９】 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１０Ａ】 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１０Ｂ】 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１０Ｃ】 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１０Ｄ】 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１０Ｅ】 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１０Ｆ】 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１０Ｇ】 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１０Ｈ】 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１０Ｉ】 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１０Ｊ】 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１０Ｋ】 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１０Ｌ】 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１０Ｍ】 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１０Ｎ】 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１０Ｏ】 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１０Ｐ】 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１１Ａ】 Ａ／Ｄ変換回路の動作を説明する図である。
【図１１Ｂ】 Ａ／Ｄ変換回路の動作を説明する図である。
【図１１Ｃ】 Ａ／Ｄ変換回路の動作を説明する図である。
【図１１Ｄ】 Ａ／Ｄ変換回路の動作を説明する図である。
【図１２】 第２の実施形態に係る固体撮像装置の差分演算回路および比較回路の回路図である。
【図１３】 第３の実施形態に係る固体撮像装置の差分演算回路および比較回路の回路図である。
【図１４】 固体撮像装置が実装された撮像装置の斜視図である。
【符号の説明】
【００９０】
ＰＤ・・・フォトダイオード、１０・・積分回路、２０・・・ＣＤＳ回路、３０・・・差分演算回路、４０・・・ホールド回路、１００ _n ・・・ユニット、５０・・・比較回路、２００・・・最終一致判定回路、３００・・・基準電圧保持回路、４００・・・Ａ／Ｄ変換回路。

Claims (4)

1. 複数の回路列の出力信号が順次入力されるＡ／Ｄ変換回路を備える固体撮像装置において、
   前記回路列のそれぞれは、光検出素子と、前記光検出素子の出力に応じた信号と時間に応じて単調増加する電圧とが入力され、両者の電圧値が一致するタイミングを示す一致信号を出力する比較回路とを備え、
   前記固体撮像装置は、それぞれの前記比較回路から出力される複数の一致信号が入力され、これらの一致信号が示すタイミングのうち最も遅いタイミングを示す最終一致信号を出力する最終一致判定回路を備え、
   前記Ａ／Ｄ変換回路のＡ／Ｄ変換レンジは、前記最終一致信号が出力された時の前記単調増加する電圧の値に応じて設定されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 入射光量に応じた信号電流を出力するＮ（Ｎ≧２）個の光検出素子と、
   前記Ｎ個の光検出素子それぞれに対応して設けられ、各光検出素子から出力された信号電流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信号電圧を出力するＮ個の積分回路と、
   前記Ｎ個の積分回路それぞれに対応して設けられ、各積分回路から出力された信号電圧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の容量素子および増幅器と、前記増幅器の入出力間に並列的に設けられ容量値が互いに等しい第２の容量素子および第３の容量素子と、前記第２および前記第３の容量素子のうち何れか一方を選択して前記信号電圧の変化量に応じた電荷量を蓄積させるスイッチ手段と、を有するＮ個のＣＤＳ回路と、
   前記Ｎ個のＣＤＳ回路それぞれに対応して設けられ、各ＣＤＳ回路の前記第２および前記第３の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、その差分に応じた差信号電圧を出力するＮ個の差分演算回路と、
   前記Ｎ個の差分演算回路それぞれに対応して設けられ、各差分演算回路により得られた差信号電圧を保持して出力するＮ個のホールド回路と、
   時間に応じて単調に値が増加する基準信号電圧を出力する基準信号電圧発生回路と、
   前記Ｎ個の差分演算回路それぞれに対応して設けられ、各差分演算回路により得られた差信号電圧の値と、前記基準信号電圧発生回路から出力される基準信号電圧の値とを比較し、両者が一致するタイミングを示す一致信号を出力するＮ個の比較回路と、
   前記Ｎ個の比較回路それぞれから出力される一致信号を入力し、これらの一致信号が示すタイミングのうち最も遅いタイミングを示す最終一致信号を出力する最終一致判定回路と、
   前記最終一致判定回路から出力される最終一致信号と、前記基準信号電圧発生回路から出力される基準信号電圧とを入力し、前記最終一致信号が示すタイミングにおける前記基準信号電圧の値を保持し出力する基準電圧保持回路と、
   前記基準電圧保持回路から出力される前記基準信号電圧の値に基づいてＡ／Ｄ変換レンジを設定し、前記Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される差信号電圧を順次に入力し、その差信号電圧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、
   を備えることを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記Ｎ個の積分回路、前記Ｎ個のＣＤＳ回路、前記Ｎ個の差分演算回路、前記Ｎ個のホールド回路、前記基準信号電圧発生回路、前記Ｎ個の比較回路、前記最終一致判定回路、前記基準電圧保持回路および前記Ａ／Ｄ変換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固体撮像装置であって、
   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、前記光検出素子に当該スポット光成分および背景光成分が入射したときに前記積分回路が出力した信号電圧の変化量に応じた電荷量を前記ＣＤＳ回路の前記第２の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、前記光検出素子に前記背景光成分が入射したときに前記積分回路が出力した信号電圧の変化量に応じた電荷量を前記ＣＤＳ回路の前記第３の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ＣＤＳ回路の前記第２および前記第３の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、その差分に応じた差信号電圧を前記差分演算回路から出力させるとともに、その差信号電圧を前記ホールド回路に保持させ、
   前記第３の期間の後の第４の期間に、時間に応じて単調に値が増加する基準信号電圧を前記基準信号電圧発生回路から出力させるとともに、前記差信号電圧および前記基準信号電圧それぞれの値の比較に基づいて両者が一致するタイミングを示す一致信号を前記比較回路から出力させ、この一致信号が示すタイミングのうち最も遅いタイミングを示す最終一致信号を前記最終一致判定回路から出力させ、この最終一致信号が示すタイミングにおける前記基準信号電圧の値を前記基準電圧保持回路に保持させ、この保持された前記基準信号電圧の値に基づいて前記Ａ／Ｄ変換回路のＡ／Ｄ変換レンジを設定させ、
   前記第４の期間の後の第５の期間に、前記Ｎ個のホールド回路それぞれから出力される差信号電圧を順次に前記Ａ／Ｄ変換回路に入力させて、その差信号電圧をデジタル信号に変換させて該デジタル信号を前記Ａ／Ｄ変換回路から出力させることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 請求項２に記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置へ入射する光を提供する光源とを備え、前記固体撮像装置及び前記光源は同一の回路基板上に固定されていることを特徴とする測距装置。

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