JPH06276443A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 受光したときに背景光成分を除去して特定対
象からの光成分を抽出することができる固体撮像装置を
提供する。 【構成】 背景のみを受光したときの背景光成分を所定
レベルに達するまでの時間として計数すると共に、容量
素子に電荷として保持しておき、次に、その計数時間と
等しい時間において、該背景中の特定対象からの光を新
たに受光し、容量素子に保持されている電荷と新たに得
られる電荷とを電荷結合させることにより、背景光成分
を除去して、特定対象からの光成分のみを抽出する構成
とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体撮像装置に関し、特
に撮像によって得られた映像信号から雑音成分やオフセ
ット成分あるいは不要な背景映像成分を除去して、必要
な映像成分のみを得る固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、画像処理技術等の普及に伴い、光
電変換機能を有する主要なデバイスとして各種の固体撮
像装置が開発され、ＣＣＤやＢＢＤ等に代表される電荷
転送デバイスや、ＭＯＳ型固体撮像デバイス、半導体位
置検出素子などを一例として掲げることができる。

【０００３】ところで、これらの固体撮像装置によりあ
る特定の対象のみを撮像しようとする場合、光電変換機
能を有する感光部には、その特定対象からの光だけで無
く、その周囲の背景からの光も入射するため、この周囲
からの背景光が雑音成分となって特定対象の映像信号に
加わってしまい、真に得ようとする特定対象の映像信号
が得られないという問題を生じる。

【０００４】そこで従来の固体撮像装置では、不要な背
景光成分と、感光部自信から発生する雑音成分及びオフ
セット成分をも含めてこれらの雑音成分を除去するため
の技術が講じられていた。

【０００５】かかる従来例として、カメラの測距装置に
適用されている半導体位置検出素子（以下、ＰＳＤとい
う）について説明する。

【０００６】まず、測距用のＰＳＤは、図３に示すよう
に、Ｐ層とＩ層及びＮ層から成る３層構造のシリコン半
導体から成る感光部１と、感光部１に発生した光電変換
信号から雑音等の不要成分を除去して必要な信号成分の
みを抽出する信号抽出回路２と、抽出された信号に基づ
いて被写体までの距離を演算する測距演算回路３を備え
ている。

【０００７】ここで、感光部１のＰ層の両端には一対の
出力電極４，５が形成され、Ｎ層には出力電極４，５か
ら等距離の部分に所定バイアス電圧Ｖ_B が印加され、Ｐ
層の表面が光入射面となっている。そして、Ｐ層に光が
入射すると光電変換効果によって光電流が発生し、光の
入射位置から出力電極４までの距離Ｌ１と出力電極５ま
での距離Ｌ２との比に応じて分割された光電流Ｉ１，Ｉ
２が各出力電極４，５を介して信号抽出回路２に入力さ
れる。

【０００８】更に、測距装置本体の一端には、被写体Ｇ
に対してスポット光を放射する発光ダイオードＬＥＤが
感光部１から所定の距離だけ放して設けられており、被
写体Ｇで反射されたスポット光（以下、反射スポット光
という）を感光部１のＰ層が受光することで、三角測距
の原理が適用される構成となっている。即ち、発光ダイ
オードＬＥＤから被写体Ｇまでの距離とＰ層に入射する
反射スポット光の位置（即ち、Ｌ１とＬ２）とが所定の
比例関係にあるので、測距演算回路３が光電流Ｉ１，Ｉ
２の電流比について所定の測距演算を行うことにより、
被写体Ｇまでの距離を逆算する。

【０００９】しかし、Ｐ層は反射スポット光の入射面よ
り広い面積を有するので、光電流Ｉ１，Ｉ２は反射スポ
ット光だけでなく背景光及びその他の雑音成分を含んで
しまい、単に測距演算を行ったのでは、これらの背景光
及び雑音成分のために測距精度が低下することになる。
そこで、図４に示すような雑音除去回路が信号抽出回路
２に内蔵されていた。尚、この雑音除去回路は、出力電
極４，５に夫々設けられている。

【００１０】出力電極４に接続される雑音除去回路を代
表して説明すると、バイアス電源Ｖ_R1で直流バイアスさ
れたオペアンプＡ１とＰＭＯＳＦＥＴ Ｑ１からなるバ
ッファ回路を備え、このバッファ回路は出力電極４をバ
イアス電源Ｖ_R1の電圧に直流バイアスすると共に、光電
流Ｉ１を増幅して接点ｘへ出力する。

【００１１】接点ｘは、図示するように、ｎｐｎトラン
ジスタＱ２のコレクタとｎｐｎトランジスタＱ３のベー
ス及びオペアンプＡ２の非反転入力接点に接続され、ｎ
ｐｎトランジスタＱ３のコレクタには、ｐｎｐトランジ
スタＱ４，Ｑ５で構成されるカレントミラー回路が接続
され、更に、ｐｎｐトランジスタＱ５のコレクタにダイ
オードＤ１，Ｄ２が接続され、ダイオードＤ１，Ｄ２の
両端電圧Ｖ_o1が測距演算回路３への信号となる。

【００１２】オペアンプＡ２の反転入力接点には参照電
圧Ｖ_R2が印加され、その出力接点はスイッチ素子ＳＷを
介してｎｐｎトランジスタＱ２のベースに接続されると
共に、ｎｐｎトランジスタＱ２のベースとアース間に容
量素子Ｃが接続されている。

【００１３】このような構成において、測距処理は次の
手順で行われる。まず所定時間τの間、発光ダイオード
ＬＥＤがスポット光を放射しない状態に設定されると同
時に、スイッチ素子ＳＷをオンにして、測距すべき対象
を含む背景光を受光する。この状態では、接点ｘが背景
光の光強度に相当する電圧Ｖ_x となり、オペアンプＡ２
がその電圧と参照電圧Ｖ_R2の差を演算処理するので、容
量素子Ｃは背景光の光強度に相当する電圧Ｖ_h に充電さ
れる。尚、参照電圧Ｖ_R2は、感光部１自信が発生する雑
音成分等を接点ｘの電圧Ｖ_x から除くために設定されて
いる。

【００１４】次に、所定時間τ後にスイッチＳＷをオフ
に切換え、発光ダイオードＬＥＤにスポット光を放射さ
せ、再び所定時間τと同じ時間だけ受光処理をする。し
たがって、感光部１は被写体Ｇで反射された反射スポッ
ト光と背景光を入射することとなるので、光電流Ｉ１は
背景光と反射スポット光の和に相当する値となる。ここ
で、容量素子Ｃには背景光に相当する電圧Ｖ_h が保持さ
れていることから、出力電流Ｉ１中の背景光に対応する
分の電流がｎｐｎトランジスタＱ２を介してアースへ流
れ、接点ｘの電圧Ｖ_x は反射スポット光に相当する分の
電圧だけ上昇する。この結果、カレントミラー回路の出
力側のｐｎｐトランジスタＱ５を流れる電流もその電圧
の上昇に応じて増加し、ダイオードＤ１，Ｄ２の両端電
圧Ｖ_o1がスポット光の光強度に相当する電圧となる。

【００１５】このように、背景光のみに相当する電圧Ｖ
_h を容量素子Ｃに予め保持しておき、反射されてきたス
ポット光を受光したときにこの電圧Ｖ_h によって背景光
の分を除去することにより、真の反射スポット光の成分
のみの電圧Ｖ_o1を得るようにしている。尚、出力電極５
にも同じ雑音除去回路が接続されているので、出力電極
５から出力される光電流Ｉ２からも背景光成分が除去さ
れ、真の反射スポット光の成分のみの電圧Ｖ_o2が得られ
る。そして、電圧Ｖ_o1とＶ_o2は、反射スポット光の入射
位置（即ち、Ｌ１とＬ２）と比例関係にあるので、測距
演算回路３がこれらの電圧Ｖ_o1とＶ_o2に基づいて所定の
測距演算を行うことで、被写体Ｇまでの距離を求める。

【００１６】因みに、反射スポット光に対応する電圧Ｖ
_o1は、電子電荷をｑ、ボルツマン定数をｋ、絶対温度を
Ｔ、背景光のみを受光する状態でのｎｐｎトランジスタ
Ｑ２のコレクタ電流をＩ_L1、反射スポット光を入射した
ときにｎｐｎトランジスタＱ３のベースに流れる電流を
ΔＩ_L1、ｎｐｎトランジスタＱ３の電流増幅率をｈ_fe、
ダイオードＤ２，Ｄ３の飽和電流をＩ_s とすると、

【００１７】

【数１】

【００１８】となり、更に、出力電極５に接続される雑
音除去回路から生じる電圧Ｖ_o2は、

【００１９】

【数２】

【００２０】となるので、これらの電圧差Ｖ_d （＝Ｖ_o1
−Ｖ_o2）は、次式（３）に示すように、反射スポット光
の入射位置に対応する光電流の対数比となる。

【００２１】

【数３】

【００２２】よって、測距演算回路３がこの電圧差Ｖ_d
を逆対数演算することによって、被写体Ｇまでの距離を
示す値を求める。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来技術にあっては、上記式（１）〜（３）に示す原理
に基づいてスポット光を精度良く検出しようとするもの
であるが、現実には次に述べるような問題に起因して、
実効が上がらなかった。

【００２４】〔容量素子による保持電圧精度の問題〕図
４に示す容量素子Ｃに背景光やオフセット成分その他の
雑音成分を予め保持するためには、スイッチ素子ＳＷが
オフ状態において完全に遮断状態となる必要があるが、
実際には完全な遮断状態にはならないので、放電現象に
より容量素子Ｃの充電電圧Ｖ_h が降下してしまい背景光
やオフセット成分を正確に反映しなくなる。

【００２５】かかる問題点を解決するために、図５に示
すように、ｎｐｎトランジスタＱ５，Ｑ６及びｐｎｐト
ランジスタＱ７，Ｑ８から成るカレントミラー回路を設
けることによって容量素子Ｃの電荷放電を補償しようと
する雑音除去回路（特開昭５９−１４２４１２号）も提
案されているが、この雑音除去回路にあっても、ｎｐｎ
トランジスタＱ２とＱ５の電流増幅率ｈ_feが均一である
場合には有効であるが、実際にはこれらのトランジスタ
Ｑ２とＱ５の電流増幅率ｈ_feを均一にすることは極めて
困難であることから、十分な実効が得られなかった。

【００２６】〔素子の不均一性に起因する問題〕雑音除
去回路を構成するトランジスタの電流増幅率等を均一化
することは極めて困難であり、この結果、理想的なカレ
ントミラー回路が実現できない等の理由から精度の良い
雑音除去回路を実現することができなかった。又、素子
のバラツキによりオペアンプＡ２は必ずオフセット電圧
を発生するので、トランジスタＱ２，Ｑ３のベース電位
を等しく保つことができない。従って、トランジスタＱ
４，Ｑ５を流れる電流がカレントミラーの状態からずれ
てしまい、精度低下の原因となっていた。

【００２７】尚、かかる素子間バラツキの問題を解決す
る技術として、特公平４−３４０８７号に開示されたも
のがある。これは、複数個の感光部と夫々の感光部に対
応する複数個の検出回路を備えておき、数回のスポット
光の放射と受光処理を繰り返す毎に、感光部と検出器を
切換え接続することによって、素子間バラツキを平均化
した検出結果を得るようにしたものである。しかし、こ
の技術は、回路規模が大きく且つ制御タイミングが複雑
となる問題がある。

【００２８】〔逆対数演算の問題〕上記式（３）に示す
ように、反射スポット光の位置は対数式で求められる
が、反射スポット光の位置を対数値で無い実数値で求め
る必要があるので、更に逆対数演算を行わなければなら
ない。ところが、この逆対数演算を論理回路で行うよう
にすると回路が極めて複雑且つ大規模になってしまい、
一方、測距演算回路３に内蔵されているマイクロプロセ
ッサ等によるプログラム演算で処理すると、掛け算や割
り算の繰り返しを必要とするので、演算時間が長くなっ
てしまう問題があった。

【００２９】〔集積化における問題〕電圧Ｖ_h を直流的
に安定化させるためには、容量素子Ｃに数μＦ程度の大
容量のものを使用する必要があるため、装置全体を集積
回路装置で実現することができず、カメラ等に適用する
場合に、カメラの小型化や高密度化の妨げとなる問題が
あった。

【００３０】本発明はこのような種々の課題に鑑みてな
されたものであり、素子間バラツキに起因する測定精度
の低下を改善すると共に簡素な固体撮像装置を提供する
ことを目的とする。

【００３１】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、光電変換機能を有する感光部と、該
感光部に発生した信号を第１のリセット信号の制御によ
り入出力接点間に接続された第１の容量素子に積分又は
非積分する第１の積分回路と、第２のリセット信号の制
御により入出力接点間に接続された第３の容量素子に積
分又は非積分する第２の積分回路と、第１の積分器の出
力接点と第２の積分器の入力接点の間に直列に接続され
たスイッチ素子と第２の容量素子と、アップカウントと
ダウンカウントの機能を有するカウンタ回路を備え、更
に、背景光のみを受光するときには、上記第１のリセッ
ト信号の制御により第１の積分回路に積分動作を行わ
せ、且つ上記第２のリセット信号により第２の積分器を
非積分状態にし、更に、上記スイッチ素子をオン状態に
設定して感光部に背景光を入射させて、第１の積分器の
出力電圧が所定電圧に達するときまでの電荷を第１，第
２の容量素子に蓄積させると共に、カウンタ回路に経過
時間をアップカウント動作させ、次に、背景中の特定部
分からの光と背景光を受光するときには、上記第１のリ
セット信号の制御により第１の積分回路に積分動作を行
わせ、且つ上記第２のリセット信号により第２の積分器
を積分状態にし、更に、上記スイッチ素子をオン状態に
設定して感光部に背景光を入射させて、上記カウンタ回
路に上記経過時間の計数値からダウント動作させて計数
値が零となる時点で、上記スイッチ素子をオフ、第２の
積分器を非積分状態にして、第２の積分器の出力信号を
特定部分からの光の成分として出力させるタイミング制
御回路とを具備する構成とした。

【００３２】

【作用】このような構成を有する本発明の固体撮像装置
にあっては、背景光のみを受光するときは、その背景光
の光強度に相当する計数値がカウンタ回路に保持される
と共に、第２の容量素子に背景光の光強度に相当する電
荷が保持されることとなる。そして、次に、特定部分の
光と背景光を受光するときは、カウンタ回路に保持され
ている計数値から零までのダウンカウント動作が行わ
れ、その期間中に新たに第１の積分器に蓄積される電荷
と上記第２の容量素子に蓄積されていた電荷とが電荷結
合するので、背景光成分がこの電荷結合によって除去さ
れ、その期間の完了時に第２の積分器の出力が特定部分
の光の光強度に対応する電圧となって現れる。よって、
不要な背景光が除去され、真に求めようとする特定部分
の光に対応する信号を上記電圧値として求めることがで
きる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明による固体撮像装置の一実施例
を図面と共に説明する。尚、この実施例は、測距用ＰＳ
Ｄに関するものであり、全体の概略構成は図３と同様で
ある。よって、本発明の本質部分に関わる雑音除去回路
のみを説明すると共に、図３と同一の部分は、同一符号
を用いて説明する。又、この回路は図３中の感光部１の
夫々の出力電極４，５毎に設けられて信号抽出回路２に
内蔵されるものである。

【００３４】まず、図１に基づいて、出力電極４側に接
続される雑音除去回路を代表して説明すると、出力電極
４には積分器６が接続され、積分器６は出力電極４を介
して感光部１から入力される光電流Ｉ１を増幅するアン
プＡ３と、アンプＡ３の入出力接点間に並列接続された
第１の容量素子Ｃ１と第１のスイッチ素子ＳＷ１で構成
されている。よって、論理“Ｌ”の第１のリセット信号
ＲＳ１によって第１のスイッチ素子ＳＷ１がオフ状態と
なるときは、光電流Ｉ１が第１の容量素子Ｃ１に充電さ
れ、論理“Ｈ”の第１のリセット信号ＲＳ１によって第
１のスイッチ素子ＳＷ１がオン状態となるときは、第１
の容量素子Ｃ１の電荷が放電される。ここで、積分器６
の積分動作時間を数μｓｅｃに設定するために、第１の
容量素子Ｃ１は数ｐＦに設定されている。

【００３５】積分回路６の出力接点（即ち、アンプＡ３
の出力接点）は、第２のスイッチ素子ＳＷ２及び第２の
容量素子Ｃ２を介して積分回路７に接続され、積分回路
７はアンプＡ４とその入出力接点間に並列接続された第
３の容量素子Ｃ３及び第３のスイッチ素子ＳＷ３で構成
されている。そして、アンプＡ４の出力接点が出力端子
８に接続されている。尚、第２及び第３の容量素子Ｃ２
とＣ３は、回路全体の動作速度マージンとノイズマージ
ンとの兼ね合いから、共に１ｐＦ程度の等しい容量値の
ものが適用されている。更に、第２のスイッチ素子ＳＷ
２は、論理“Ｈ”の切換え信号ＣＳＷによってオン状
態、論理“Ｌ”の切換え信号ＣＳＷによってオフ状態に
切換わる。又、積分器７は、論理“Ｌ”の第２のリセッ
ト信号ＲＳ２によって第３のスイッチ素子ＳＷ３がオフ
状態となるときは積分動作し、逆に、論理“Ｈ”の第２
のリセット信号ＲＳ２によって第３のスイッチ素子ＳＷ
３がオン状態となるときは積分動作を停止する。

【００３６】更に、これらのスイッチ素子のオンオフを
制御するためのタイミング制御回路が設けられている。
即ち、積分器６の出力接点には比較器９が接続され、比
較器９は、積分器６が出力する積分信号Ｖ１と基準電圧
Ｖ_ref とを電圧比較して、積分信号Ｖ１が基準電圧Ｖ
_ref を超えると論理“Ｈ”の比較信号ＣＭを出力する。
尚、基準電圧Ｖ_ref は、予め積分信号Ｖ１の取り得る最
大電圧より低い電圧に設定されている。

【００３７】比較器９の出力接点は、ＮＯＲゲートＮ１
の一方の入力接点に接続されている。ＮＯＲゲートＮ１
と他方のＮＯＲゲートＮ２がＲＳフリップフロップ回路
を構成しており、ＮＯＲゲートＮ２の残余の２入力接点
にはリセット信号ＲＳとスタート信号ＳＴが入力され、
ＮＯＲゲートＮ１が上記の切換え信号ＣＳＷを発生する
ようになっている。又、インバータ回路ＩＮ１が切換え
信号ＣＳＷを反転処理することにより第１のリセット信
号ＲＳ１を発生する。

【００３８】Ｄ型フリップフロップＤＦは、データ入力
接点Ｄに後述するカウンタ回路１０からのアンダーフロ
ー信号ＵＮＦが入力され、クロック入力接点ＣＬＫに比
較的高周波数の同期クロック信号ＣＫが入力され、更に
リセット入力接点ＣＬＲにリセット信号ＲＳが入力され
る。そして、ＮＡＮＤゲートＡＮ１が、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
理積処理を行うことにより第２のリセット信号ＲＳ２を
発生する。

【００３９】ＡＮＤゲートＡＮ２は、インバータ回路Ｉ
Ｎ２を介して入力されるスタート信号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１０のアップカウント制御入力接点ＵＰ
に供給する。更に、カウンタ回路１０は、ダウンカウン
ト制御入力接点ＤＯＷＮにスタート信号ＳＴが入力さ
れ、クロック入力接点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１０は、アップカウ
ント制御入力接点ＵＰが論理“Ｈ”且つダウンカウント
制御入力接点ＤＯＷＮが論理“Ｌ”となるときは、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１１に保
持させつつ出力させ、更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１１
を介して出力し、更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。

【００４０】そして、かかる構成の雑音除去回路が感光
部１の出力電極５にも設けられているので、図１に示す
出力端子８からは出力電極４に発生する光電流Ｉ１に対
応する出力信号Ｖ_o1が出力されるのと同時に、出力電極
５に発生する光電流Ｉ２に対応する出力信号Ｖ_o2も出力
され、これらの出力信号Ｖ_o1，Ｖ_o2は図３に示す測距演
算回路３に入力される。

【００４１】次に、かかる構成の雑音除去回路の動作を
図２のタイミングチャートに基づいて説明する。尚、こ
の雑音除去回路は、図２中の第１の周期Ｔ１と第２の周
期Ｔ２の２回の処理を行うことによって、背景光やオフ
セット等の雑音成分を除去した出力信号Ｖ_o1，Ｖ_o2を発
生するものである。又、図１に示す出力電極４に接続さ
れる雑音除去回路の動作を代表して説明するものとす
る。

【００４２】まず、周期Ｔ１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、図３に示した発
光ダイオードＬＥＤは発光しない。この状態が設定され
ると、第２のリセット信号ＲＳ２は常に論理“Ｈ”とな
るので、第３のスイッチ素子ＳＷ３は常にオン状態とな
り、第３の容量素子Ｃ３への充電は停止される。

【００４３】次に、開始時点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、切換え
信号ＣＳＷが論理“Ｈ”に反転し、これに同期して、切
換え信号ＣＳＷが論理“Ｈ”に、第１のリセット信号Ｒ
Ｓ１が論理“Ｌ”に夫々反転する。よって、第１のスイ
ッチ素子ＳＷ１がオフ、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオ
ン状態になる。更に、アップカウント制御入力接点ＵＰ
が論理“Ｈ”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１０はアップカ
ウント動作を開始する。

【００４４】この結果、周期Ｔ１では、感光部１が背景
光のみを入射し、それによって発生した光電流Ｉ１を積
分器６が第１の容量素子Ｃ１に充電されるので、積分信
号Ｖ１が次第に上昇していき、カウンタ回路１０は充電
期間を計数する。

【００４５】そして、ある時点ｔ２において、積分信号
Ｖ１が基準電圧Ｖ_ref を越える電圧になると、比較出力
ＣＭが論理“Ｈ”となり、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ゲートＮ１の切換え信
号ＣＳＷが論理“Ｌ”となり、更に第１のリセット信号
ＲＳ１が論理“Ｌ”に反転するので、第１のスイッチ素
子ＳＷ１がオン、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオフに切
換わり、積分器６の積分動作が停止される。更に、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１０はアップカウント動作を停止する。

【００４６】このように、積分信号Ｖ１が基準電圧Ｖ
_ref を越えた時点ｔ２までの期間がＴ１となる。そし
て、この時点ｔ２における積分器６の積分信号の電圧を
Ｖ１１、背景光の成分によって出力電極４から入力され
る電流をＩ_d とすれば、Ｉ１＝Ｉ_d から、

【００４７】

【数４】

【００４８】となり、更にその電圧Ｖ１１が第２の容量
素子Ｃ２に保持される。

【００４９】更に、カウンタ回路１０は時間Ｔ１に相当
する計数値ＣＤ１を内部にそのまま保持すると共に、レ
ジスタ回路１１にも保持させる。ここで注目すべきこと
は、感光部１が入射する背景光の光強度が弱い場合に
は、積分信号Ｖ１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１０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、背景光の
光強度が強い場合には、積分信号Ｖ１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１０
には短い時間Ｔ１を示す計数値ＣＤを保持することとな
る。したがって、カウンタ回路１０に保持される計数値
ＣＤは、背景光の光強度に比例した値となる。

【００５０】尚、感光部１が入射する背景光の光強度が
極めて弱く、その結果、積分信号Ｖ１が基準電圧Ｖ_ref
を越える以前に、カウンタ回路１０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。

【００５１】次に、ある時点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。更に、図３の発光ダイオー
ドＬＥＤにスポット光を放射させる。したがって、ＲＳ
フリップフロップ回路を構成するＮＯＲゲートＮ１の切
換え信号ＣＳＷが論理“Ｈ”に反転するのに同期して、
第１のリセット信号ＲＳ１が論理“Ｌ”に反転し、更
に、第２のリセット信号ＲＳ２が論理“Ｌ”となる。更
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１０は保持している値（時間Ｔ１
の値ＣＤ）からダウンカウント動作を開始する。

【００５２】そして、このような切換え動作の結果、積
分器６は感光部１から入力される背景光と反射スポット
光の和に相当する光電流Ｉ１を第１の容量素子Ｃ１に充
電していき、積分器７は、第１の容量素子Ｃ１の充電電
荷と第２の容量素子Ｃ２の電荷との差の電荷を電荷保存
の法則にしたがって、第３の容量素子Ｃ３に充電してい
く。

【００５３】そして、カウンタ回路１０の計数値ＣＤが
零になると、その時点ｔ４においてアンダーフロー信号
ＵＮＦが論理“Ｈ”に反転し、更に、Ｄ型フリップフロ
ップＤＦの反転出力Ｑ１Ｂが論理“Ｌ”に反転するの
で、第３のスイッチ素子ＳＷ３がオンに切換わり、期間
Ｔ２が決まる。即ち、時点ｔ３ないしｔ４の期間がＴ２
となり、周期Ｔ２はカウンタ回路１０の計数動作の結果
決まるので、周期Ｔ１とＴ２が等しくなる。

【００５４】ここで、時点ｔ２での積分器６の積分信号
の電圧をＶ１２、反射スポット光成分による電流を
Ｉ_sh、背景光の光強度は周期Ｔ１のときと変わらないの
で背景光成分の電流をＩ_d とすると、Ｉ１＝Ｉ_d ＋Ｉ_sh
から、

【００５５】

【数５】

【００５６】の関係となる。

【００５７】又、積分器７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、次式（６）に従った電荷が、第２，第３の
容量素子Ｃ２，Ｃ３に保持される。

【００５８】

【数６】

【００５９】そして、上記式（６）に式（４）と（５）
を代入し、Ｔ＝Ｔ１＝Ｔ２とすると出力端子８に発生す
る出力信号Ｖ_o1の電圧は、次式（７）で示される値とな
る。

【００６０】

【数７】

【００６１】又、この実施例では、第２の容量素子Ｃ２
と第３の容量素子Ｃ３の値を等しくしたので、

【００６２】

【数８】

【００６３】となる。

【００６４】更に、同期クロック信号ＣＫの１周期の時
間をＴ_ck、周期Ｔ１の計数値をＮとすれば、次式（９）
の関係から、反射スポット光の光電流Ｉ_shが求まる。

【００６５】

【数９】

【００６６】そして、測距演算回路３が、出力電極４に
接続される雑音除去回路から出力される電圧Ｖ_o1により
上記式（９）の関係から光電流Ｉ_sh1 を算出し、出力電
極５に接続される雑音除去回路から出力される電圧Ｖ_o2
により上記式（９）の関係から光電流Ｉ_sh2 を算出す
る。ここで、光電流Ｉ_sh1 とＩ_sh2 は、感光部１におけ
る反射スポット光の入射位置に比例する関係にあるの
で、この光電流Ｉ_sh1 とＩ_sh2 に基づいて測距演算を行
うことにより、被写体Ｇまでの距離を求めることができ
る。

【００６７】このように、この実施例によれば、上記式
（１）〜（９）に示すように、感光部１への反射スポッ
ト光の入射位置を、従来技術のような逆対数演算をする
ことなく求めることができるので、簡単な演算処理によ
って被写体Ｇまでの距離を求めることができる。又、容
量素子Ｃ１〜Ｃ３を用いるものの、従来技術（図４参
照）のような大容量の容量素子を必要とせず、これらの
容量素子Ｃ１〜Ｃ３は１ｐＦ程度でよいので、集積回路
装置化に適している。又、回路を構成する構成要素間の
バラツキに依存しないので、高精度の測距を実現すると
共に、集積回路装置化にも適している。

【００６８】尚、この実施例では、測距用ＰＳＤについ
て説明したが、感光部１を１つの画素と見なせば、ＣＣ
Ｄ等の二次元固体撮像装置その他の固体撮像装置に適用
することができる。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、積
分器とカウンタ回路及び容量素子による電荷結合によっ
て背景光等の成分をキャンセルすることで、特定対象の
光成分にみを得るので、従来のような電圧保持能力の問
題が改善される。更に、精度が素子間バラツキに依存し
ないので、背景光等の不要成分を高精度で除去できる。
更に、従来は対数演算等の複雑な演算を必要としたが、
本発明によれば上記電荷結合の原理が適用されるので、
このような複雑な演算処理が不要となる。更に、第１，
第２の積分器に負荷される容量素子は、少容量のものを
適用することができるので、ＩＣやＬＳＩ化等を実現す
るのに適し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】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す回路図である。

【図２】一実施例の動作を説明するためのタイミングチ
ャートである。

【図３】従来例の固体撮像装置の構成を示す説明図であ
る。

【図４】従来の雑音除去回路の回路例を示す回路図であ
る。

【図５】従来の雑音除去回路の他の回路例を示す回路図
である。

【符号の説明】

１…感光部、２…信号抽出回路、３…測距演算回路、
４，５…出力電極、ＬＥＤ…発光ダイオード、６…第１
の積分器、７…第２の積分器、８…出力端子、９…比較
器、１０…カウンタ回路、１１…レジスタ回路、Ａ３，
Ａ４…アンプ、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３…スイッチ素
子、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…容量素子、ＩＮ１，ＩＮ２…イ
ンバータ、ＡＮ１…ＮＡＮＤゲート、ＡＮ２…ＡＮＤゲ
ート、Ｎ１，Ｎ２…ＮＯＲゲート、ＤＦ…Ｄ型フリップ
フロップ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電変換機能を有する感光部と、 該感光部に発生した信号を第１のリセット信号の制御に
   より入出力接点間に接続された第１の容量素子に積分又
   は非積分する第１の積分回路と、 第２のリセット信号の制御により入出力接点間に接続さ
   れた第３の容量素子に積分又は非積分する第２の積分回
   路と、 第１の積分器の出力接点と第２の積分器の入力接点の間
   に直列に接続されたスイッチ素子と第２の容量素子と、 アップカウントとダウンカウントの機能を有するカウン
   タ回路を備え、 背景光を受光するときには、上記第１のリセット信号の
   制御により第１の積分に積分動作を行わせ、且つ上記第
   ２のリセット信号により第２の積分器を非積分状態に
   し、更に、上記スイッチ素子をオン状態に設定して感光
   部に背景光を入射させて、第１の積分器の出力電圧が所
   定電圧に達するときまでの電荷を第１，第２の容量素子
   に蓄積させると共に、カウンタ回路に経過時間をアップ
   カウント動作させ、次に、背景中の特定部分からの光を
   受光するときには、上記第１のリセット信号の制御によ
   り第１の積分器に積分動作を行わせ、且つ上記第２のリ
   セット信号により第２の積分器を積分状態にし、更に、
   上記スイッチ素子をオン状態に設定して感光部に背景光
   を入射させて、上記カウンタ回路に上記経過時間の計数
   値からダウント動作させて計数値が零となる時点で、上
   記スイッチ素子をオフ、第２の積分器を非積分状態にし
   て、第２の積分器の出力信号を特定部分からの光の成分
   として出力させるタイミング制御回路と、 を具備することを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記カウンタ回路は更に、アップカウン
   ト時に計数可能範囲を越えるとオーバーフロー信号によ
   って異常を知らせることを特徴とする請求項１の固体撮
   像装置。
3. 【請求項３】 前記第２，第３の容量素子は共に等しい
   容量値か、又は各々異なった容量値であることを特徴と
   する請求項１の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記光電変換機能を有する感光部はＰ層
   とＩ層とＮ層から成る３層構造の半導体層と該Ｐ層の両
   端に設けられた一対の出力電極を有し、 前記第１の積分回路と第２の積分回路とスイッチ素子と
   第２の容量素子とカウンタ回路及びタイミング制御回路
   とから成る回路が、夫々の出力電極に接続されることを
   特徴とする請求項１の固体撮像装置。