図面 (/)

技術 光検出装置

出願人 浜松ホトニクス株式会社
発明者 水野誠一郎向坂直久豊田晴義
出願日 1999年11月18日 (21年0ヶ月経過) 出願番号 1999-328227
公開日 2001年5月25日 (19年5ヶ月経過) 公開番号 2001-145030
状態 特許登録済
技術分野 イメージ分析 光信号から電気信号への変換
主要キーワード 受光量変化 範囲検出 光応答特性 オフセット変動 積分容量 光検出回路 基準電圧信号 積分信号
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2001年5月25日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

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占有面積が小さいものを提供する。

解決手段

N個の受光部801〜80Nそれぞれは、フォトダイオードPD、受光容量部Cdおよびスイッチ素子SW0を有する。積分回路10は、入力端子出力端子との間に互いに並列アンプA1、積分容量部Cf1およびスイッチ素子SW11が接続されている。積分容量部Cf1の容量値は、N個の受光部801〜80Nそれぞれの受光容量部Cdの容量値と等しい。スイッチ素子SW01は、N個の受光部801〜80N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801〜80Nそれぞれのスイッチ素子SW0との間に設けられている。

概要

背景

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。

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。

概要

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占有面積が小さいものを提供する。

N個の受光部801〜80Nそれぞれは、フォトダイオードPD、受光容量部Cdおよびスイッチ素子SW0を有する。積分回路10は、入力端子出力端子との間に互いに並列アンプA1、積分容量部Cf1およびスイッチ素子SW11が接続されている。積分容量部Cf1の容量値は、N個の受光部801〜80Nそれぞれの受光容量部Cdの容量値と等しい。スイッチ素子SW01は、N個の受光部801〜80N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801〜80Nそれぞれのスイッチ素子SW0との間に設けられている。

目的

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。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項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Cd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、を有する受光部と、アンプと容量値Cf1の積分容量部(ただし、Cf1=Cd)とが入力端子出力端子との間に並列的に設けられ、前記入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た第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た第2のスイッチ素子と、を備えることを特徴とする光検出装置

請求項2

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Cd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、を有する受光部と、アンプ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Cd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た第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た第2のスイッチ素子と、を備えることを特徴とする光検出装置。

請求項3

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。

請求項4

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。

請求項5

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。

請求項6

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、複数の前記受光部が順次に前記積分回路に接続される、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。

請求項7

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、前記第2のスイッチ素子および前記受光量変化範囲検出回路を1組備え、複数の前記受光部が順次に前記積分回路に接続される、ことを特徴とする請求項3記載の光検出装置。

請求項8

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、前記第2のスイッチ素子および前記CDS回路を1組備え、複数の前記受光部が順次に前記積分回路に接続される、ことを特徴とする請求項4記載の光検出装置。

請求項9

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、前記第2のスイッチ素子、前記CDS回路および前記受光量変化範囲検出回路を1組備え、複数の前記受光部が順次に前記積分回路に接続される、ことを特徴とする請求項5記載の光検出装置。

技術分野

0001

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。

背景技術

0002

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。

発明が解決しようとする課題

0004

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占有面積が大きく、このことから、センサ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。

課題を解決するための手段

0006

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Cd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、を有する受光部と、(2)アンプと容量値Cf1の積分容量部(ただし、Cd=Cf1)とが入力端子出力端子との間に並列的に設けられ、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た第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た第2のスイッチ素子と、を備え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Cd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、を有する受光部と、(2)アンプ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Cd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、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た第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た第2のスイッチ素子と、を備え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。

0014

また、本発明に係る第1または第2の光検出装置は、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、複数の受光部が順次に積分回路に接続されることを特徴とする。或いは、複数の受光部に対して、積分回路、第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子および受光量変化範囲検出回路を1組備え、複数の受光部が順次に積分回路に接続されることを特徴とする。或いは、複数の受光部に対して、積分回路、第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子およびCDS回路を1組備え、複数の受光部が順次に積分回路に接続されることを特徴とする。或いは、複数の受光部に対して、積分回路、第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子、CDS回路および受光量変化範囲検出回路を1組備え、複数の受光部が順次に積分回路に接続されることを特徴とする。これら何れの場合にも、光検出装置は、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。この光検出装置は、1画素当たりに必要な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、光応答特性が優れたものとなる。

発明を実施するための最良の形態

0015

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801〜80N、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801〜80Nそれぞれは、フォトダイオード(受光素子)PD、受光容量部Cd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Cd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801〜80Nそれぞれの受光容量部Cdの容量値は互いに等しい。なお、受光容量部Cd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Cf1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、非反転入力端子基準電圧値Vinp1とされている。積分容量部Cf1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Cf1の容量値は、N個の受光部801〜80Nそれぞれの受光容量部Cd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Cf1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Cf1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801〜80N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801〜80N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801〜80N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801〜80N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801〜80Nそれぞれのスイッチ素子SW0は順次に閉じる。各受光部80nのフォトダイオードPDおよび受光容量部Cd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80n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Cdに蓄積する。

0021

図3は、特に第n番目の受光部80n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80n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80n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80n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80nのスイッチ素子SW0は開く。時刻t0では、受光部80nの受光容量部Cdに蓄積されている電荷は無く、受光部80n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80n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Cd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Cf1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80n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80nの受光容量部Cdに蓄積されていた電荷は、積分回路10の積分容量部Cf1に移動する。その結果、受光部80n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Cf1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80nの受光容量部Cd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Cf1の容量値は受光部80nの受光容量部Cdの容量値と等しいので、この結果、受光部80n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80nのスイッチ素子SW0は開く。時刻t4では、受光部80n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80n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Cd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Cf1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80n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80nの受光容量部Cd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80n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80n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80nの受光容量部Cdに蓄積されていた電荷は無く、受光部80n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80n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80n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80n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80nの受光容量部Cd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80n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80n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80n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80n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801〜80N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Cd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Cd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Cf1、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Cf2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Cf1、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Cf2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Cf1および積分容量部Cf2それぞれの容量値の和は、N個の受光部801〜80Nそれぞれの受光容量部Cdの容量値と等しい。

0034

なお、N個の受光部801〜80N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801〜80N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80n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80n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80n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Cf1および積分容量部Cf2の双方である。また、積分容量部Cf1および積分容量部Cf2それぞれの容量値の和は、受光部80nの受光容量部Cd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Cf1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((Cf1+Cf2)/Cf1)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801〜80N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801〜80N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80n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80n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80n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801〜80N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801〜80N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VH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VH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VL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VL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VHの値以上であるか、または、CDS信号の値が基準電圧信号VL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。

発明の効果

0058

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

0062

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。

--

0063

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。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ