JP4424796B2

JP4424796B2 - 光検出装置

Info

Publication number: JP4424796B2
Application number: JP32822799A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎水野; 直久向坂; 晴義豊田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: US6700110B2; JP2001145030A; EP1249789B1; AU1417401A; US20020190193A1; EP1249789A4; WO2001037217A1; EP1249789A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光した光像における動体を抽出する光検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＭＯＳ技術を用いた光検出装置は、低コストであって、Ａ／Ｄ変換回路や周辺デジタル回路をも含めて１チップ化が可能である。このことから、単なる光検出または撮像だけでなく種々の処理機能（例えば輪郭抽出や動体抽出など）を含んで１チップ化された光検出装置が開発されてきている。
【０００３】
動体抽出機能を有する光検出装置は、例えば文献「石渡、他、”３次元ジェスチャ認識用ＣＭＯＳイメージセンサ”、映像情報メディア学会技術報告、Vol.23，No.30，pp.13-16 （1999)」に記載されている。この文献に記載されている光検出装置は、１画素あたり２つの容量素子および多数のスイッチ素子を設け、或るフレームの撮像の際には画素データを第１の容量素子に記憶し、次のフレームの撮像の際には画素データを第２の容量素子に記憶して、その後、第１および第２の容量素子それぞれに記憶されている画素データの差分を求める。このようにして、この光検出装置は、チップ上で画像処理を行って動体抽出を行うものである。この光検出装置によれば、従来では別に設けた画像メモリに画像データを蓄積した後に画像処理をせざるを得なかったところ、画像メモリを別に設ける必要がない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記文献に記載された動体抽出機能を有する光検出装置は、１画素あたり２つの容量素子および多数のスイッチ素子を設け、更に、第１および第２の容量素子それぞれに記憶されている画素データの差分を求める為の差分回路を設ける必要がある。したがって、この光検出装置は、１画素当たりに占める回路部占有面積が大きく、このことから、センサの光応答特性を支配する開口率を高めることができないという致命的な欠点があり、このため、高画質の画像を得ることができない。
【０００５】
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、受光した光像における動体を抽出する光検出装置であって、１画素当たりに占める回路部占有面積が小さく、開口率が高く光応答特性が優れたものを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の光検出装置は、(1) 受光した光の光量に応じた電荷を発生する受光素子と、容量値Ｃ_dを有し受光素子で発生した電荷を蓄積する受光容量部と、受光容量部に蓄積される電荷を外部との間で入出力するための入出力用スイッチ素子と、を有する受光部と、(2) アンプと初期化用スイッチ素子と容量値Ｃ_f1の積分容量部（ただし、Ｃ_d＝Ｃ_f1）とが入力端子と出力端子との間に並列的に設けられ、初期化用スイッチ素子が閉じているときに積分容量部を放電して初期化し、初期化用スイッチ素子が開いているときに入力端子に入力した電荷を積分容量部に蓄積して、その蓄積された電荷の量に応じた積分信号を出力端子より出力する積分回路と、(3) 受光部と積分回路の入力端子との間に設けられ、受光容量部に蓄積された電荷を積分容量部に移動させるための第１のスイッチ素子と、(4) 積分回路の出力端子と受光部との間に設けられ、積分回路から出力される積分信号の値に応じた電荷を受光容量部に蓄積させるための第２のスイッチ素子と、を備えることを特徴とする。
さらに、本発明に係る第１の光検出装置では、複数の受光部に対して、積分回路，第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を１組備え、第１フレームおよびこれに続く第２フレームそれぞれにおいて複数の受光部それぞれの入出力用スイッチ素子が順次に所定期間だけ閉状態となり、第１フレームの所定期間前に初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、第１フレームの所定期間中に、第１のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、その後に第２のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、第２フレームの所定期間前に初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、第２フレームの所定期間中に、第１のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、その後に初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となることを特徴とする。
【０００７】
この第１の光検出装置によれば、或る一定期間に、受光部の受光素子が受光した光の光量に応じて発生した電荷は受光容量部に蓄積されていく。この一定期間が経過した時点で第１のスイッチ素子が閉じると、それまで受光容量部に蓄積されていた電荷は、積分回路の積分容量部に移動する。その結果、受光素子の一方の端子の電位は、ΔＶだけ変化してリセットレベルとなり、積分回路から出力される積分信号は、積分容量部に蓄積された電荷に応じたレベルとなる。第１のスイッチ素子が開いた後に第２のスイッチ素子が閉じると、積分回路から出力される積分信号の値に応じた電圧が受光容量部に設定される。積分容量部の容量値は受光容量部の容量値と等しいので、この結果、受光素子の一方の端子の電位は、リセットレベルからΔＶだけ変化する。
【０００８】
その後の一定期間に、受光素子が受光した光の光量に応じて発生した電荷は受光容量部に蓄積されていく。この一定期間が経過した時点で受光容量部に蓄積されている電荷は、以前に第２のスイッチ素子が閉じたときに積分信号の値に応じて設定された電圧に比例した電荷と、この一定期間に受光素子が光を受光して発生した電荷とが、重畳されたものである。ただし、重畳される電荷の符号は互いに異なる。したがって、この一定期間が経過した時点で第１のスイッチ素子が閉じると、積分回路から出力される積分信号は、受光素子が受光した光の光量の増減に応じたものである。
【０００９】
本発明に係る第２の光検出装置は、(1) 受光した光の光量に応じた電荷を発生する受光素子と、容量値Ｃ_dを有し受光素子で発生した電荷を蓄積する受光容量部と、受光容量部に蓄積される電荷を外部との間で入出力するための入出力用スイッチ素子と、を有する受光部と、(2) アンプと初期化用スイッチ素子と積分容量部とが入力端子と出力端子との間に並列的に設けられ、積分容量部の容量値を容量値Ｃ_dおよびこれより小さい値の何れかに切り替える容量値切替手段を有し、初期化用スイッチ素子が閉じているときに積分容量部を放電して初期化し、初期化用スイッチ素子が開いているときに入力端子に入力した電荷を積分容量部に蓄積して、その蓄積された電荷の量に応じた積分信号を出力端子より出力する積分回路と、(3) 受光部と積分回路の入力端子との間に設けられ、受光容量部に蓄積された電荷を積分容量部に移動させるための第１のスイッチ素子と、(4) 積分回路の出力端子と受光部との間に設けられ、積分回路から出力される積分信号の値に応じた電荷を受光容量部に蓄積させるための第２のスイッチ素子と、を備えることを特徴とする。
さらに、本発明に係る第２の光検出装置では、複数の受光部に対して、積分回路，第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を１組備え、第１フレームおよびこれに続く第２フレームそれぞれにおいて複数の受光部それぞれの入出力用スイッチ素子が順次に所定期間だけ閉状態となり、第１フレームの所定期間に積分容量部が容量値Ｃ _d に設定され、第２フレームの所定期間に積分容量部が容量値Ｃ _d より小さい値に設定され、第１フレームの所定期間前に初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、第１フレームの所定期間中に、第１のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、その後に第２のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、第２フレームの所定期間前に初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、第２フレームの所定期間中に、第１のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、その後に初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となることを特徴とする。
【００１０】
この第２の光検出装置によれば、或る一定期間に、受光部の受光素子が受光した光の光量に応じて発生した電荷は受光容量部に蓄積されていく。この一定期間が経過した時点で第１のスイッチ素子が閉じると、それまで受光容量部に蓄積されていた電荷は、積分回路の積分容量部に移動する。その結果、受光素子の一方の端子の電位は、ΔＶだけ変化してリセットレベルとなり、積分回路から出力される積分信号は、積分容量部に蓄積された電荷に応じたレベルとなる。第１のスイッチ素子が開いた後に第２のスイッチ素子が閉じると、積分回路から出力される積分信号の値に応じた電圧が受光容量部に設定される。このとき、容量値切替手段により、積分容量部の容量値は受光容量部の容量値と等しくされており、この結果、受光素子の一方の端子の電位は、リセットレベルからΔＶだけ変化する。
【００１１】
その後の一定期間に、受光素子が受光した光の光量に応じて発生した電荷は受光容量部に蓄積されていく。この一定期間が経過した時点で受光容量部に蓄積されている電荷は、以前に第２のスイッチ素子が閉じたときに積分信号の値に応じて設定された電圧に比例した電荷と、この一定期間に受光素子が光を受光して発生した電荷とが、重畳されたものである。ただし、重畳される電荷の符号は互いに異なる。このとき、容量値切替手段により、積分容量部の容量値は受光容量部の容量値より小さい値とされている。したがって、この一定期間が経過した時点で第１のスイッチ素子が閉じると、積分回路から出力される積分信号は、受光素子が受光した光の光量の増減に応じたものであり、しかも、光量変化を高感度に検出するものである。
【００１２】
また、本発明に係る第１または第２の光検出装置は、積分信号の値が所定範囲であるか否かを検出する受光量変化範囲検出回路を更に備えることを特徴とする。この場合には、光量変化を２値化データとして得ることができ、これにより以降の処理を容易に行うことができる。
【００１３】
また、本発明に係る第１または第２の光検出装置は、積分信号の値の変化量に応じた値のＣＤＳ信号を出力するＣＤＳ（相関二重サンプリング、Correlated Double Sampling）回路を更に備えることを特徴とする。この場合には、積分回路から出力される積分信号に含まれるオフセット変動の影響を除去することができる。また、これに加えて、ＣＤＳ信号の値が所定範囲であるか否かを検出する受光量変化範囲検出回路を更に備えるのも好適である。
【００１５】
【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。
【００１６】
（第１の実施形態）
先ず、本発明に係る光検出装置の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光検出装置１の回路図である。この光検出装置１は、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_N、積分回路１０、第１のスイッチ素子ＳＷ₀₁および第２のスイッチ素子ＳＷ₀₂を備える。
【００１７】
Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれは、フォトダイオード（受光素子）ＰＤ、受光容量部Ｃ_dおよびスイッチ素子ＳＷ₀を有する。フォトダイオードＰＤのアノード端子は接地されている。フォトダイオードＰＤのカソード端子は、受光容量部Ｃ_dを介して接地され、また、スイッチ素子ＳＷ₀を介して、スイッチ素子ＳＷ₀₁およびスイッチ素子ＳＷ₀₂と接続されている。Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれの受光容量部Ｃ_dの容量値は互いに等しい。なお、受光容量部Ｃ_dは、フォトダイオードＰＤの接合容量であってもよいし、これとは別に設けたものであってもよい。
【００１８】
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、積分容量部Ｃ_f1およびスイッチ素子ＳＷ₁₁が接続されている。アンプＡ₁は、その反転入力端子がスイッチ素子ＳＷ₀₁と接続され、非反転入力端子が基準電圧値Ｖinp1とされている。積分容量部Ｃ_f1およびスイッチ素子ＳＷ₁₁は、アンプＡ₁の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。積分容量部Ｃ_f1の容量値は、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれの受光容量部Ｃ_dの容量値と等しい。積分回路１０は、スイッチ素子ＳＷ₁₁が閉じているときには、積分容量部Ｃ_f1を放電して初期化する。一方、積分回路１０は、スイッチ素子ＳＷ₁₁が開いているときには、入力端子に入力した電荷を積分容量部Ｃ_f1に蓄積して、その蓄積された電荷に応じた電圧信号（これを積分信号と呼ぶ。）を出力端子から出力する。
【００１９】
スイッチ素子ＳＷ₀₁は、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれのスイッチ素子ＳＷ₀と積分回路１０の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子ＳＷ₀₂は、積分回路１０の出力端子とＮ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれのスイッチ素子ＳＷ₀との間に設けられている。なお、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれのスイッチ素子ＳＷ₀、スイッチ素子ＳＷ₀₁およびＳＷ₀₂、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁₁の開閉動作を制御する制御信号は、この光検出回路１の動作を制御するタイミング制御回路（図示せず）から所定のタイミングで出力される。
【００２０】
次に、本実施形態に係る光検出装置１の動作について説明する。図２は、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれのスイッチ素子ＳＷ₀の開閉タイミングを示すタイミングチャートである。この図に示すように、各フレーム期間内に、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれのスイッチ素子ＳＷ₀は順次に閉じる。各受光部８０_nのフォトダイオードＰＤおよび受光容量部Ｃ_dは、自己のスイッチ素子ＳＷ₀が閉じている期間には、スイッチ素子ＳＷ₀₁を介して積分回路１０の入力端子と接続され、スイッチ素子ＳＷ₀₂を介して積分回路１０の出力端子と接続される。また、各受光部８０_nは、自己のスイッチ素子ＳＷ₀が開いている期間には、自己のフォトダイオードＰＤが光を受光して発生させた電荷を、自己の受光容量部Ｃ_dに蓄積する。
【００２１】
図３は、特に第ｎ番目の受光部８０_nについて光検出装置１の動作タイミングを示すタイミングチャートである。同図（ａ）は、各スイッチ素子の開閉タイミングを示す。同図（ｂ）は、第１フレームと第２フレームとで受光部８０_nが受光する光の光量が等しい場合の各信号レベルを示す。また、同図（ｃ）は、第１フレームより第２フレームで受光部８０_nが受光する光の光量が大きい場合の各信号レベルを示す。
【００２２】
第１フレームと第２フレームとで受光部８０_nが受光する光の光量が等しい場合における動作を、図３（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。
【００２３】
時刻ｔ０に受光部８０_nのスイッチ素子ＳＷ₀は開く。時刻ｔ０では、受光部８０_nの受光容量部Ｃ_dに蓄積されている電荷は無く、受光部８０_nのフォトダイオードＰＤのカソード端子の電位はリセットレベルである。時刻ｔ０以降、スイッチ素子ＳＷ₀が閉じる時刻ｔ２まで、受光部８０_nでは、自己のフォトダイオードＰＤが光を受光して発生した電荷は、自己の受光容量部Ｃ_dに蓄積されていく。時刻ｔ０と時刻ｔ２との間の時刻ｔ１に、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁₁が一旦閉じた後に開くことで、積分回路１０は、積分容量部Ｃ_f1の電荷が放電されて初期化され、出力される積分信号はリセットレベルとなる。
【００２４】
第１フレームにおける時刻ｔ２から時刻ｔ４までの期間、受光部８０_nのスイッチ素子ＳＷ₀は閉じる。この期間中に、先ず時刻ｔ２にスイッチ素子ＳＷ₀₁が一旦閉じた後に開き、続いて時刻ｔ３にスイッチ素子ＳＷ₀₂が一旦閉じた後に開く。スイッチ素子ＳＷ₀₁が閉じている期間には、それまで受光部８０_nの受光容量部Ｃ_dに蓄積されていた電荷は、積分回路１０の積分容量部Ｃ_f1に移動する。その結果、受光部８０_nのフォトダイオードＰＤのカソード端子の電位は、ΔＶだけ変化してリセットレベルとなり、また、積分回路１０から出力される積分信号は、積分容量部Ｃ_f1に蓄積された電荷に応じたレベルとなる。その後のスイッチ素子ＳＷ₀₂が閉じている期間には、受光部８０_nの受光容量部Ｃ_dに、積分回路１０から出力される積分信号の値に応じた電荷が蓄積される。積分容量部Ｃ_f1の容量値は受光部８０_nの受光容量部Ｃ_dの容量値と等しいので、この結果、受光部８０_nのフォトダイオードＰＤのカソード端子の電位は、リセットレベルからΔＶだけ変化する。
【００２５】
時刻ｔ４に受光部８０_nのスイッチ素子ＳＷ₀は開く。時刻ｔ４では、受光部８０_nのフォトダイオードＰＤのカソード端子の電位はΔＶである。時刻ｔ４以降、スイッチ素子ＳＷ₀が閉じる時刻ｔ６まで、受光部８０_nでは、自己のフォトダイオードＰＤが光を受光して発生した電荷は、自己の受光容量部Ｃ_dに蓄積されていく。時刻ｔ４と時刻ｔ６との間の時刻ｔ５に、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁₁が一旦閉じた後に開くことで、積分回路１０は、積分容量部Ｃ_f1の電荷が放電されて初期化され、出力される積分信号はリセットレベルとなる。
【００２６】
時刻ｔ０〜ｔ２までの時間と時刻ｔ４〜ｔ６までの時間とが等しく、第１フレームと第２フレームとで受光部８０_nが受光する光の光量が等しければ、時刻ｔ６において受光部８０_nの受光容量部Ｃ_dに蓄積されている電荷は、時刻ｔ３に積分回路１０から出力される積分信号の値に応じて蓄積された電荷と、時刻ｔ４から時刻ｔ６までの期間にフォトダイオードＰＤが光を受光して発生した電荷とが相殺されている。したがって、時刻ｔ６では、受光部８０_nのフォトダイオードＰＤのカソード端子の電位はリセットレベルとなる。
【００２７】
第２フレームにおける時刻ｔ６から時刻ｔ８までの期間、受光部８０_nのスイッチ素子ＳＷ₀は閉じる。この期間中の時刻ｔ６にスイッチ素子ＳＷ₀₁が一旦閉じた後に開く。スイッチ素子ＳＷ₀₁が閉じる時刻ｔ６においては、受光部８０_nの受光容量部Ｃ_dに蓄積されていた電荷は無く、受光部８０_nのフォトダイオードＰＤのカソード端子の電位はリセットレベルであるので、積分回路１０から出力される積分信号はリセットレベルのままである。すなわち、第１フレームと第２フレームとで受光部８０_nが受光する光の光量が等しければ、第２フレームの時刻ｔ６以降において、積分回路１０から出力される積分信号はリセットレベルとなる。
【００２８】
次に、第１フレームより第２フレームで受光部８０_nが受光する光の光量が大きい場合における動作を、図３（ａ）および（ｃ）を参照して説明する。
【００２９】
各スイッチ素子の開閉動作は、既に説明したものと同様である。時刻ｔ０〜ｔ２までの時間と時刻ｔ４〜ｔ６までの時間とが等しく、第１フレームより第２フレームで受光部８０_nが受光する光の光量が大きければ、時刻ｔ６において受光部８０_nの受光容量部Ｃ_dに蓄積されている電荷は、時刻ｔ３に積分回路１０から出力される積分信号の値に応じて蓄積された電荷と、時刻ｔ４から時刻ｔ６までの期間にフォトダイオードＰＤが光を受光して発生した電荷とが相殺されることはない。したがって、時刻ｔ６では、受光部８０_nのフォトダイオードＰＤのカソード端子の電位はリセットレベルより小さいレベルとなる
第２フレームにおける時刻ｔ６から時刻ｔ８までの期間、受光部８０_nのスイッチ素子ＳＷ₀は閉じる。この期間中の時刻ｔ６にスイッチ素子ＳＷ₀₁が一旦閉じた後に開く。スイッチ素子ＳＷ₀₁が閉じる時刻ｔ６においては、受光部８０_nのフォトダイオードＰＤのカソード端子の電位はリセットレベルより小さいので、積分回路１０から出力される積分信号はリセットレベルより大きくなる。すなわち、第１フレームと第２フレームとで受光部８０_nが受光する光の光量が異なれば、第２フレームの時刻ｔ６以降において、積分回路１０から出力される積分信号は、リセットレベルとは異なるレベルとなる。そして、時刻ｔ６以降の積分信号が読み出された後、時刻ｔ７に積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁₁は一旦閉じた後に開き、積分回路１０はリセットされる。
【００３０】
以上のように、本実施形態に係る光検出装置１の積分回路１０から時刻ｔ６以降に出力される積分信号は、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_NそれぞれのフォトダイオードＰＤが或るフレームおよび次のフレームで受光した光の光量の差に応じたものである。すなわち、この光検出装置１は、光像における画素毎の光量の増減を検出することができ、これにより動体を抽出することができる。
【００３１】
この光検出装置１は、１画素当たりに必要な素子がフォトダイオードＰＤ、受光容量部Ｃ_dおよびスイッチ素子ＳＷ₀のみであり、従来技術のものと比べて回路規模が格段に小さい。特に、受光容量部Ｃ_dとしてフォトダイオードＰＤの接合容量を利用する場合には、更に回路規模が小さい。したがって、この光検出装置１は、１画素当たりに占める回路部占有面積が小さく、各画素の開口率が高く、光応答特性が優れたものとなる。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る光検出装置の第２の実施形態について説明する。図４は、第２の実施形態に係る光検出装置２の回路図である。第２の実施形態に係る光検出装置２は、第１の実施形態のものと比較すると、積分回路１０の回路構成が異なっている。
【００３３】
すなわち、この光検出装置２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、積分容量部Ｃ_f1、スイッチ素子ＳＷ₁₁、ならびに、互いに直列的に接続されたスイッチ素子ＳＷ₁₂（容量値切替手段）および積分容量部Ｃ_f2が接続されている。アンプＡ₁は、その反転入力端子がスイッチ素子ＳＷ₀₁と接続され、非反転入力端子が基準電圧値Ｖinp1とされている。積分容量部Ｃ_f1、スイッチ素子ＳＷ₁₁、ならびに、互いに直列的に接続されたスイッチ素子ＳＷ₁₂および積分容量部Ｃ_f2は、アンプＡ₁の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。積分容量部Ｃ_f1および積分容量部Ｃ_f2それぞれの容量値の和は、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれの受光容量部Ｃ_dの容量値と等しい。
【００３４】
なお、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれのスイッチ素子ＳＷ₀、スイッチ素子ＳＷ₀₁およびＳＷ₀₂、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁₁およびＳＷ₁₂の開閉動作を制御する制御信号は、この光検出回路２の動作を制御するタイミング制御回路（図示せず）から所定のタイミングで出力される。
【００３５】
次に、本実施形態に係る光検出装置２の動作について説明する。Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれのスイッチ素子ＳＷ₀の開閉タイミングは、図２を用いて説明したものと同様である。
【００３６】
図５は、特に第ｎ番目の受光部８０_nについて光検出装置２の動作タイミングを示すタイミングチャートである。同図（ａ）は、各スイッチ素子の開閉タイミングを示す。同図（ｂ）は、第１フレームと第２フレームとで受光部８０_nが受光する光の光量が等しい場合の各信号レベルを示す。また、同図（ｃ）は、第１フレームより第２フレームで受光部８０_nが受光する光の光量が大きい場合の各信号レベルを示す。この光検出装置２の動作は、第１の実施形態に係る光検出装置１の動作と略同様である。本実施形態では、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁₂は、第１フレームでは閉じていて、第２フレームでは開いている。
【００３７】
積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁₂が閉じている第１フレーム（時刻ｔ４を経過するまで）では、積分回路１０において電荷を蓄積するものは、互いに並列的に設けられた積分容量部Ｃ_f1および積分容量部Ｃ_f2の双方である。また、積分容量部Ｃ_f1および積分容量部Ｃ_f2それぞれの容量値の和は、受光部８０_nの受光容量部Ｃ_dの容量値と等しい。したがって、この第１フレームでは、光検出装置２の動作は、図３を用いて説明したものと同様である。
【００３８】
一方、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁₂が開いている第２フレーム（時刻ｔ８を経過するまで）では、積分回路１０において電荷を蓄積するものは、積分容量部Ｃ_f1のみであって、その容量値が小さくなる。したがって、第１の実施形態の場合と同様の受光量変化があるとすると、本実施形態に係る光検出装置２では、時刻ｔ６以降に積分回路１０から出力される積分信号は、第１の実施形態の場合と比較して（（Ｃ_f1＋Ｃ_f2）／Ｃ_f1）倍だけ大きくなり、感度が高くなる。
【００３９】
以上のように、本実施形態に係る光検出装置２は、第１の実施形態に係る光検出装置１が奏する効果と同様の効果を奏する他、第１フレームよりも第２フレームにおいて積分回路１０の積分容量部の容量値を小さくすることにより、光像における画素毎の光量の増減を高感度に検出することができ、これにより動体を高感度に抽出することができる。
【００４０】
（第３の実施形態）
次に、本発明に係る光検出装置の第３の実施形態について説明する。図６は、第３の実施形態に係る光検出装置３の回路図である。第３の実施形態に係る光検出装置３は、第２の実施形態のものに対し、ＣＤＳ回路２０およびホールド回路３０が加えられたものである。
【００４１】
ＣＤＳ回路２０は、入力端子と出力端子との間に順に容量素子Ｃ₂₁およびアンプＡ₂を有している。また、アンプＡ₂の入出力間にスイッチ素子ＳＷ₂および容量素子Ｃ₂₂が互いに並列的に接続されている。ＣＤＳ回路２０は、スイッチ素子ＳＷ₂が閉じているときには、容量素子Ｃ₂₂を放電して初期化する。一方、ＣＤＳ回路２０は、スイッチ素子ＳＷ₂が開いているときには、入力端子から容量素子Ｃ₂₁を経て入力した電荷を容量素子Ｃ₂₂に蓄積して、その蓄積された電荷に応じた電圧信号（これをＣＤＳ信号と呼ぶ。）を出力端子から出力する。このＣＤＳ信号は、積分回路１０から出力される積分信号の変化量に応じたものである。
【００４２】
ホールド回路３０は、入力端子と出力端子との間に順にスイッチ素子ＳＷ₃およびアンプＡ₃を有しており、スイッチ素子ＳＷ₃とアンプＡ₃との間の接続点が容量素子Ｃ₃を介して接地されている。このホールド回路３０は、スイッチ素子ＳＷ₃が閉じているときに入力端子に入力したＣＤＳ信号を容量素子Ｃ₃に記憶し、スイッチ素子ＳＷ₃が開いた後も、容量素子Ｃ₃に記憶されているＣＤＳ信号を保持し、このＣＤＳ信号をアンプＡ₃を介して出力端子から出力する。スイッチ素子ＳＷ₉は、ホールド回路３０の出力端子に接続されており、ホールド回路３０で保持され出力端子より出力されたＣＤＳ信号を後段に出力するか否かを決める。
【００４３】
なお、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれのスイッチ素子ＳＷ₀、スイッチ素子ＳＷ₀₁およびＳＷ₀₂、積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁₁およびＳＷ₁₂、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂、ホールド回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃、スイッチ素子ＳＷ₉の開閉動作を制御する制御信号は、この光検出回路３の動作を制御するタイミング制御回路（図示せず）から所定のタイミングで出力される。
【００４４】
次に、本実施形態に係る光検出装置３の動作について説明する。Ｎ個の受光部８０₁〜８０_Nそれぞれのスイッチ素子ＳＷ₀の開閉タイミングは、図２を用いて説明したものと同様である。
【００４５】
図７は、特に第ｎ番目の受光部８０_nについて光検出装置３の動作タイミングを示すタイミングチャートである。同図（ａ）は、各スイッチ素子の開閉タイミングを示す。同図（ｂ）は、第１フレームと第２フレームとで受光部８０_nが受光する光の光量が等しい場合の各信号レベルを示す。また、同図（ｃ）は、第１フレームより第２フレームで受光部８０_nが受光する光の光量が大きい場合の各信号レベルを示す。この光検出装置３の動作は、第２の実施形態に係る光検出装置２の動作と略同様である。
【００４６】
本実施形態では、ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子ＳＷ₂は、時刻ｔ５に積分回路１０のスイッチ素子ＳＷ₁₁が一旦閉じてリセットが終了した後であって時刻ｔ６前に開いて、時刻ｔ８に閉じる。ホールド回路３０のスイッチ素子ＳＷ₃は、時刻ｔ６に閉じて、直ぐに開く。
【００４７】
積分回路１０から出力される積分信号は、時刻ｔ６までは、リセットレベルであり、時刻ｔ６以降では、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_NそれぞれのフォトダイオードＰＤが或るフレームおよび次のフレームで受光した光の光量の差に応じたレベルとなる。また、ＣＤＳ回路２０から出力されるＣＤＳ信号は、スイッチ素子ＳＷ₂が開いた後の積分信号の値の変化量に応じたものである。したがって、ＣＤＳ信号は、時刻ｔ６前では、リセットレベルであり、時刻ｔ６以降では、時刻ｔ６における積分信号の値の変化量に応じたものである。すなわち、時刻ｔ６以降のＣＤＳ信号は、Ｎ個の受光部８０₁〜８０_NそれぞれのフォトダイオードＰＤが或るフレームおよび次のフレームで受光した光の光量の差に応じたレベルとなる。そして、ホールド回路３０では、スイッチ素子ＳＷ₃が一旦閉じた後に開いた時点におけるＣＤＳ信号が保持され出力される。したがって、この光検出装置３は、ＣＤＳ回路２０またはホールド回路３０から出力されるＣＤＳ信号に基づいて、光像における画素毎の光量の増減を検出することができ、これにより動体を抽出することができる。
【００４８】
以上のように、本実施形態に係る光検出装置３は、第２の実施形態に係る光検出装置２が奏する効果と同様の効果を奏する他、積分回路１０から出力される積分信号に含まれるオフセット変動の影響をＣＤＳ回路２０により除去することができるので、光像における画素毎の光量の増減を高精度に検出することができ、これにより動体を高精度に抽出することができる。
【００４９】
（第４の実施形態）
次に、本発明に係る光検出装置の第４の実施形態について説明する。図８は、第４の実施形態に係る光検出装置４の回路図である。第４の実施形態に係る光検出装置４は、第３の実施形態のものに対し、受光量変化範囲検出回路４０が加えられたものである。
【００５０】
受光量変化範囲検出回路４０は、比較回路４１および４２ならびに論理和回路４３を有する。比較回路４１は、ホールド回路３０から出力されたＣＤＳ信号と基準電圧信号Ｖ_Hとを入力して、両者の値を大小比較し、ＣＤＳ信号の値が基準電圧信号Ｖ_Hの値以上であるときに論理値Ｈの論理信号を出力し、そうでないときには論理値Ｌの論理信号を出力する。比較回路４２は、ホールド回路３０から出力されたＣＤＳ信号と基準電圧信号Ｖ_Lとを入力して、両者の値を大小比較し、ＣＤＳ信号の値が基準電圧信号Ｖ_Lの値以下であるときに論理値Ｈの論理信号を出力し、そうでないときには論理値Ｌの論理信号を出力する。論理和回路４３は、比較回路４１および４２それぞれから出力される論理信号の論理和を求め、その論理和を示す論理信号を出力する。すなわち、論理和回路４３は、ＣＤＳ信号の値が基準電圧信号Ｖ_Hの値以上であるか、または、ＣＤＳ信号の値が基準電圧信号Ｖ_Lの値以下であるときに、論理値Ｈの論理信号を出力する。
【００５１】
スイッチ素子ＳＷ₉₁は、比較回路４１の出力端子に接続されており、比較回路４１より出力された論理信号を後段に出力するか否かを決める。スイッチ素子ＳＷ₉₂は、比較回路４２の出力端子に接続されており、比較回路４２より出力された論理信号を後段に出力するか否かを決める。スイッチ素子ＳＷ₉₃は、論理和回路４３の出力端子に接続されており、論理和回路４３より出力された論理信号を後段に出力するか否かを決める。
【００５２】
この光検出装置４では、比較回路４１および４２ならびに論理和回路４３それぞれから出力される論理信号の論理値に基づいて、光像における画素毎の光量の増減を高精度に検出することができる。すなわち、比較回路４１から出力される論理信号が論理値Ｈであれば、その画素のフォトダイオードＰＤが受光する光の光量が一定量以上増加したことが判る。比較回路４２から出力される論理信号が論理値Ｈであれば、その画素のフォトダイオードＰＤが受光する光の光量が一定量以上減少したことが判る。論理和回路４３から出力される論理信号が論理値Ｈであれば、その画素のフォトダイオードＰＤが受光する光の光量の変化量が一定量以上であることが判る。一方、論理和回路４３から出力される論理信号が論理値Ｌであれば、その画素のフォトダイオードＰＤが受光する光の光量の変化量が一定量未満であり、或いは場合によっては、受光量がノイズレベル程度であることが判る。
【００５３】
以上のように、本実施形態に係る光検出装置４は、第３の実施形態に係る光検出装置３が奏する効果と同様の効果を奏する他、受光量変化範囲検出回路４０を設けたことにより、光像における画素毎の光量の増減を２値化データとして得ることができ、これにより動体を容易に抽出することができる。
【００５４】
（第５の実施形態）
次に、本発明に係る光検出装置の第５の実施形態について説明する。図９は、第５の実施形態に係る光検出装置５の回路図である。第５の実施形態に係る光検出装置５は、第１の実施形態のものに対し、ＣＤＳ回路２０、ホールド回路３０および受光量変化範囲検出回路４０が加えられたものである。
【００５５】
本実施形態に係る光検出装置５は、第１の実施形態に係る光検出装置１の動作に加えて、第３の実施形態で説明したＣＤＳ回路２０およびホールド回路３０の動作、ならびに、第４の実施形態で説明した受光量変化範囲検出回路４０の動作を行う。また、本実施形態に係る光検出装置５は、第１の実施形態に係る光検出装置１の効果に加えて、第３の実施形態で説明したＣＤＳ回路２０およびホールド回路３０の効果、ならびに、第４の実施形態で説明した受光量変化範囲検出回路４０の効果を奏する。
【００５６】
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、受光部８０の数Ｎすなわち画素数は複数であって、Ｎ個のフォトダイオードＰＤは、１次元状に配列されていてもよいし、２次元状に配列されていてもよい。また、画素数Ｎは１であってもよく、この場合には、フォトダイオードＰＤが受光した光の増減を検出することができる。
【００５７】
また、第４または第５の実施形態において必ずしもＣＤＳ回路２０を設けなくてもよく、この場合には、積分回路１０から出力される積分信号に含まれるオフセット変動の影響を除去することができないが、回路規模を小さくすることができる。また、第５の実施形態において必ずしも受光量変化範囲検出回路４０を設けなくてもよい。また、積分回路１０、ＣＤＳ回路２０またはホールド回路３０の後段にＡ／Ｄ変換回路を設けて、光検出装置からデジタル信号を出力するようにしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光検出装置によれば、或る一定期間に、受光部の受光素子が受光した光の光量に応じて発生した電荷は受光容量部に蓄積されていく。この一定期間が経過した時点で第１のスイッチ素子が閉じると、それまで受光容量部に蓄積されていた電荷は、積分回路の積分容量部に移動する。その結果、受光素子の一方の端子の電位は、ΔＶだけ変化してリセットレベルとなり、積分回路から出力される積分信号は、積分容量部に蓄積された電荷に応じたレベルとなる。第１のスイッチ素子が開いた後に第２のスイッチ素子が閉じると、積分回路から出力される積分信号の値に応じた電圧が受光容量部に設定される。積分容量部の容量値は受光容量部の容量値と等しいので、この結果、受光素子の一方の端子の電位は、リセットレベルからΔＶだけ変化する。
【００５９】
その後の一定期間に、受光素子が受光した光の光量に応じて発生した電荷は受光容量部に蓄積されていく。この一定期間が経過した時点で受光容量部に蓄積されている電荷は、以前に第２のスイッチ素子が閉じたときに積分信号の値に応じて設定された電圧に比例した電荷と、この一定期間に受光素子が光を受光して発生した電荷とが、重畳されたものである。ただし、重畳される電荷の符号は互いに異なる。したがって、この一定期間が経過した時点で第１のスイッチ素子が閉じると、積分回路から出力される積分信号は、受光素子が受光した光の光量の増減に応じたものである。この光検出装置は、複数の受光部を備える場合には、光像における画素毎の光量の増減を検出することができ、これにより動体を抽出することができる。
【００６０】
このように本発明に係る光検出装置は、１画素当たりの回路規模が従来技術のものと比べて格段に小さい。特に、受光容量部として受光素子の接合容量を利用する場合には、更に回路規模が小さい。したがって、この光検出装置は、１画素当たりに占める回路部占有面積が小さく、各画素の開口率が高く、光応答特性が優れる。
【００６１】
また、積分回路の積分容量部の容量値を切替可能とする場合には、光像における画素毎の光量の増減を高感度に検出することができ、これにより動体を高感度に抽出することができる。また、ＣＤＳ回路を更に備える場合には、積分回路から出力される積分信号に含まれるオフセット変動の影響をＣＤＳ回路により除去することができるので、光像における画素毎の光量の増減を高精度に検出することができ、これにより動体を高精度に抽出することができる。また、受光量変化範囲検出回路を更に備える場合には、光像における画素毎の光量の増減を２値化データとして得ることができ、これにより動体を容易に抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光検出装置の回路図である。
【図２】第１の実施形態に係る光検出装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図３】第１の実施形態に係る光検出装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】第２の実施形態に係る光検出装置の回路図である。
【図５】第２の実施形態に係る光検出装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図６】第３の実施形態に係る光検出装置の回路図である。
【図７】第３の実施形態に係る光検出装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図８】第４の実施形態に係る光検出装置の回路図である。
【図９】第５の実施形態に係る光検出装置の回路図である。
【符号の説明】
１〜５…光検出装置、１０…積分回路、２０…ＣＤＳ回路、３０…ホールド回路、４０…受光量変化範囲検出回路、８０…受光部。

Claims

受光した光の光量に応じた電荷を発生する受光素子と、容量値Ｃ_dを有し前記受光素子で発生した電荷を蓄積する受光容量部と、前記受光容量部に蓄積される電荷を外部との間で入出力するための入出力用スイッチ素子と、を有する受光部と、
アンプと初期化用スイッチ素子と容量値Ｃ_f1の積分容量部（ただし、Ｃ_f1＝Ｃ_d）とが入力端子と出力端子との間に並列的に設けられ、前記初期化用スイッチ素子が閉じているときに前記積分容量部を放電して初期化し、前記初期化用スイッチ素子が開いているときに前記入力端子に入力した電荷を前記積分容量部に蓄積して、その蓄積された電荷の量に応じた積分信号を前記出力端子より出力する積分回路と、
前記受光部と前記積分回路の前記入力端子との間に設けられ、前記受光容量部に蓄積された電荷を前記積分容量部に移動させるための第１のスイッチ素子と、
前記積分回路の前記出力端子と前記受光部との間に設けられ、前記積分回路から出力される積分信号の値に応じた電荷を前記受光容量部に蓄積させるための第２のスイッチ素子と、
を備え、
複数の前記受光部に対して、前記積分回路，前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を１組備え、
第１フレームおよびこれに続く第２フレームそれぞれにおいて複数の前記受光部それぞれの前記入出力用スイッチ素子が順次に所定期間だけ閉状態となり、
前記第１フレームの前記所定期間前に前記初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、前記第１フレームの前記所定期間中に、前記第１のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、その後に前記第２のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、
前記第２フレームの前記所定期間前に前記初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、前記第２フレームの前記所定期間中に、前記第１のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、その後に前記初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となる、
ことを特徴とする光検出装置。
受光した光の光量に応じた電荷を発生する受光素子と、容量値Ｃ_dを有し前記受光素子で発生した電荷を蓄積する受光容量部と、前記受光容量部に蓄積される電荷を外部との間で入出力するための入出力用スイッチ素子と、を有する受光部と、
アンプと初期化用スイッチ素子と積分容量部とが入力端子と出力端子との間に並列的に設けられ、前記積分容量部の容量値を容量値Ｃ_dおよびこれより小さい値の何れかに切り替える容量値切替手段を有し、前記初期化用スイッチ素子が閉じているときに前記積分容量部を放電して初期化し、前記初期化用スイッチ素子が開いているときに前記入力端子に入力した電荷を前記積分容量部に蓄積して、その蓄積された電荷の量に応じた積分信号を前記出力端子より出力する積分回路と、
前記受光部と前記積分回路の前記入力端子との間に設けられ、前記受光容量部に蓄積された電荷を前記積分容量部に移動させるための第１のスイッチ素子と、
前記積分回路の前記出力端子と前記受光部との間に設けられ、前記積分回路から出力される積分信号の値に応じた電荷を前記受光容量部に蓄積させるための第２のスイッチ素子と、
を備え、
複数の前記受光部に対して、前記積分回路，前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を１組備え、
第１フレームおよびこれに続く第２フレームそれぞれにおいて複数の前記受光部それぞれの前記入出力用スイッチ素子が順次に所定期間だけ閉状態となり、
前記第１フレームの前記所定期間に前記積分容量部が容量値Ｃ _d に設定され、前記第２フレームの前記所定期間に前記積分容量部が容量値Ｃ _d より小さい値に設定され、
前記第１フレームの前記所定期間前に前記初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、前記第１フレームの前記所定期間中に、前記第１のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、その後に前記第２のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、
前記第２フレームの前記所定期間前に前記初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、前記第２フレームの前記所定期間中に、前記第１のスイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となり、その後に前記初期化用スイッチ素子が一旦閉状態となった後に開状態となる、
ことを特徴とする光検出装置。
前記積分信号の値が所定範囲であるか否かを検出する受光量変化範囲検出回路を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
前記積分信号の値の変化量に応じた値のＣＤＳ信号を出力するＣＤＳ回路を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
前記ＣＤＳ信号の値が所定範囲であるか否かを検出する受光量変化範囲検出回路を更に備えることを特徴とする請求項４記載の光検出装置。