(57)【要約】【課題】変調光の明暗に同期して受光素子の光電流を２つのコンデンサに振り分け両コンデンサの電荷量の差分を検出する場合に、小容量のコンデンサで確実に電荷量の差分を検出可能な電荷検出装置を提供する。【解決手段】制御回路４で、スイッチ回路１と差分蓄積回路２を駆動制御し、変調光を光電変換するフォトダイオードＰＤに生じる光電流Ｉｉｎをスイッチ回路１でコンデンサＣＨとコンデンサＣＬに振り分け、差分蓄積回路２でコンデンサＣＨの蓄積電荷量ＶＣＨからコンデンサＣＬの蓄積電荷量ＶＣＬと同じ電荷量を減算することでその差分をコンデンサＣＨに残存させる。この動作を所定時間の間、繰返して差分電荷量を蓄積する。【選択図】図１
2008141737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調した光の明暗に同期してイメージセンサ内の受光素子で生じる光電流をそれぞれ第１及び第２のコンデンサに振り分けて供給し、前記光電流に基づいて前記第１のコンデンサに蓄えられる電荷量と前記第２のコンデンサに蓄えられる電荷量の差分を蓄積する構成としたことを特徴とする電荷検出装置。
【請求項２】
前記光電流の振り分けを複数回繰返し、前記第１及び第２のコンデンサに前記光電流に基づく電荷をそれぞれ蓄積した後に、これら蓄積電荷量の差分を蓄積する構成とした請求項１に記載の電荷検出装置。
【請求項３】
前記変調光の明暗に同期してスイッチングし、前記受光素子で生じる光電流を前記第１のコンデンサと第２のコンデンサに振り分けて供給するスイッチ手段と、
前記第１のコンデンサに蓄えられる電荷量から前記第２のコンデンサに蓄えられる電荷量を減算してその差分を蓄積させる差分蓄積手段と、を備え、
前記変調光の明暗に同期させて前記スイッチ手段を駆動制御し、所定タイミングで前記差分蓄積手段を駆動させる構成とした請求項１又は２に記載の電荷検出装置。
【請求項４】
蓄えられる電荷量の多い前記第１のコンデンサの電荷量を検出し、検出電荷量を予め定めた閾値と比較して検出電荷量が閾値以上になった時に、前記差分蓄積手段を駆動させる駆動指令を発生する比較手段を備える構成とした請求項３に記載の電荷検出装置。
【請求項５】
前記差分蓄積手段は、蓄えられる電荷量の少ない前記第２のコンデンサを基準とし、前記駆動指令に基づいてカレントミラー回路を駆動し、前記第１及び第２のコンデンサから同量の電荷量を放電させて前記第１のコンデンサに前記差分を残存させる構成であり、前記差分蓄積手段を繰返し動作させて前記第１のコンデンサに前記差分を蓄積する構成とした請求項３又は４に記載の電荷検出装置。
【請求項６】
前記スイッチ手段は、前記受光素子で生じる光電流を前記第１及び第２のコンデンサにそれぞれ振り分けるためのカレントミラー回路と、該カレントミラー回路で振り分けた光電流を前記変調光の明暗に同期してスイッチングし第１及び第２コンデンサにそれぞれ供給するためのスイッチ部とを備える構成とした請求項３〜５のいずれか１つに記載の電荷検出装置。
【請求項７】
前記カレントミラー回路は、電源と前記受光素子の間に直列に接続しゲート端子が前記受光素子に接続し前記受光素子で生じる前記光電流が流れる第１ＭＯＳトランジスタと、電源と前記第１のコンデンサの間に直列に介装しゲート端子が前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続し前記スイッチ部のスイッチング動作に同期して変調光が明るい時の前記光電流に対応する出力電流が流れる第２ＭＯＳトランジスタと、電源と前記第２のコンデンサの間に直列に介装しゲート端子が前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続し前記スイッチ部のスイッチング動作に同期して変調光が暗い時の前記光電流に対応する出力電流が流れる第３ＭＯＳトランジスタと、を備える構成である請求項６に記載の電荷検出装置。
【請求項８】
前記スイッチ部は、前記電源と前記第２ＭＯＳトランジスタの間に介装され変調光が明るい期間に駆動信号の入力で前記第２ＭＯＳトランジスタを電源に接続し駆動信号の停止で前記第２ＭＯＳトランジスタをＧＮＤに切換接続する第１切換スイッチと、前記電源と前記第３ＭＯＳトランジスタの間に介装され変調光が暗い期間に駆動信号の入力で前記第３ＭＯＳトランジスタを電源に接続し駆動信号の停止で前記第３ＭＯＳトランジスタをＧＮＤに切換接続する第２切換スイッチと、を備えて構成した請求項７に記載の電荷検出装置。
【請求項９】
前記カレントミラー回路を、前記第１ＭＯＳトランジスタのバルク端子を電源に接続し、前記第２及び第３ＭＯＳトランジスタのバルク端子を、それぞれ電圧が可変できる可変電圧源に接続する構成とすると共に、前記受光素子の電圧を予め定めた設定値に保持するよう前記受光素子の電圧変化に応じて第１ＭＯＳトランジスタのゲート端子電圧を可変制御するオペアンプを、前記スイッチ手段に設ける構成とした請求項７又は８に記載の電荷検出装置。
【請求項１０】
前記受光素子で生じる前記光電流にオフセット電流を付加する構成とした請求項１〜９のいずれか１つに記載の電荷検出装置。
【請求項１１】
多数の受光素子からなるイメージセンサからの画像データに基づいて、予め取得した背景画像データと現在の画像データとの差分から物体を検出する背景差分法を利用する物体検出装置に適用したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の電荷検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調光の明暗に同期して受光素子で生じる光電流に基づいて２つのコンデンサに振り分けた電荷量の差分を検出する電荷検出装置に関し、特に、小容量のコンデンサで確実に電荷量の差分を検出可能な電荷検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体検出方式の代表的な手法として、予め取得した背景画像データと現在の画像データとの差分から背景の変化を検出して物体を検出する背景差分法がある。背景差分法の場合、照明や太陽光等の背景に照射されている光の量や向きが変化すると、背景に変化がなくても恰も変化したかのように検出されて、誤検出する虞れがある。
かかる問題を解消するため、背景に変調光を照射し、変調光の明暗に同期してイメージセンサの受光素子に発生する光電流を２つのコンデンサに振り分けて電荷を蓄積し、その差分に基づいて背景画像データと現在の画像データとを比較することにより、背景光の変化の影響を排除して物体を検出する手法が知られている。
【０００３】
そして、変調光の明暗に同期して２つのコンデンサに振り分けた電荷の差分を読み出す従来の手法としては、例えば特許文献１に記載されたものがあり、これを図１２に示す。
図１２の従来回路では、通常はＶXFRを低電位に維持して２つのコンデンサＣ３、Ｃ４を充電し、走査時にＶXFRを高電位に切替えることにより、ＦＥＴＱ３を介して２つのコンデンサＣ３，Ｃ４の蓄積電荷の差分に応じた電圧を検出することにより、差分を読取る。
【特許文献１】特開平１０−２８１８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来回路では、２つのコンデンサＣ３，Ｃ４に蓄積された電荷の差が少ない場合、ＦＥＴＱ３を通して読み出される電荷量が少なく、検出できない虞れがある。また、フォトダイオードＰＤによる光電流の量が大きい場合にコンデンサＣ３，Ｃ４の飽和を避けようとすれば、予め大きな容量のコンデンサにしておく必要があり、イメージセンサの回路面積が大きくなるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、小容量のコンデンサで確実に電荷量の差分を検出可能な電荷検出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】
【０００６】
このため、請求項１に記載の発明の電荷検出装置は、変調した光の明暗に同期してイメージセンサ内の受光素子で生じる光電流をそれぞれ第１及び第２のコンデンサに振り分けて供給し、前記光電流に基づいて前記第１のコンデンサに蓄えられる電荷量と前記第２のコンデンサに蓄えられる電荷量の差分を蓄積する構成としたことを特徴とする。
【０００７】
かかる構成では、変調光の明暗に同期してイメージセンサ内の受光素子で生じる光電流をそれぞれ第１及び第２のコンデンサに振り分けて供給することにより、第１のコンデンサに明るい時の電荷量が蓄えられ、第２のコンデンサに暗い時の電荷量が蓄えられる。そして、第１コンデンサの電荷量と第２のコンデンサ電荷量の差分を蓄積することにより、差分を増大させることができるようになる。
【０００８】
請求項２のように、前記光電流の振り分けを複数回繰返し、前記第１及び第２のコンデンサに前記光電流に基づく電荷をそれぞれ蓄積した後に、これら蓄積電荷量の差分を蓄積する構成とするとよい。
かかる構成では、１回の振り分け量が微量な場合でもこれを複数回繰返して蓄積することにより、第１及び第２のコンデンサそれぞれの蓄積電荷量が多くなり、差分の検出が容易にある。
【０００９】
具体的には、請求項３のように、前記変調光の明暗に同期してスイッチングし、前記受光素子で生じる光電流を前記第１のコンデンサと第２のコンデンサに振り分けて供給するスイッチ手段と、前記第１のコンデンサに蓄えられる電荷量から前記第２のコンデンサに蓄えられる電荷量を減算してその差分を蓄積させる差分蓄積手段と、を備え、前記変調光の明暗に同期させて前記スイッチ手段を駆動制御し、所定タイミングで前記差分蓄積手段を駆動させる構成とするとよい。
かかる構成では、スイッチ手段が変調光の明暗に同期したスイッチング動作して、受光素子で生じる光電流を第１のコンデンサと第２のコンデンサとに振り分けて供給する。また、所定タイミングで差分蓄積手段が駆動し、差分蓄積手段により第１及び第２のコンデンサにそれぞれ蓄えられた電荷量の差分を蓄積する。
【００１０】
請求項４のように、蓄えられる電荷量の多い前記第１のコンデンサの電荷量を検出し、検出電荷量を予め定めた閾値と比較して検出電荷量が閾値以上になった時に、前記差分蓄積手段を駆動させる駆動指令を発生する比較手段を備える構成とするとよい。
かかる構成では、蓄えられる電荷量の多い第１のコンデンサの電荷量が閾値以上になった時に比較手段の駆動指令に基づいて差分蓄積手段が駆動するようになる。これにより、第１のコンデンサが飽和することを確実に回避できると共に、閾値の設定により、差分蓄積手段の動作タイミングを変更させることが可能になる。
【００１１】
請求項５のように、前記差分蓄積手段は、蓄えられる電荷量の少ない前記第２のコンデンサを基準とし、前記駆動指令に基づいてカレントミラー回路を駆動し、前記第１及び第２のコンデンサから同量の電荷量を放電させて前記第１のコンデンサに前記差分を残存させる構成であり、前記差分蓄積手段を繰返し動作させて前記第１のコンデンサに前記差分を蓄積する構成とするとよい。
【００１２】
請求項６のように、前記スイッチ手段は、前記受光素子で生じる光電流を前記第１及び第２のコンデンサにそれぞれ振り分けるためのカレントミラー回路と、該カレントミラー回路で振り分けた光電流を前記変調光の明暗に同期してスイッチングし第１及び第２コンデンサにそれぞれ供給するためのスイッチ部とを備える構成とした。
【００１３】
請求項７のように、前記カレントミラー回路は、電源と前記受光素子の間に直列に接続しゲート端子が前記受光素子に接続し前記受光素子で生じる前記光電流が流れる第１ＭＯＳトランジスタと、電源と前記第１のコンデンサの間に直列に介装しゲート端子が前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続し前記スイッチ部のスイッチング動作に同期して変調光が明るい時の前記光電流に対応する出力電流が流れる第２ＭＯＳトランジスタと、電源と前記第２のコンデンサの間に直列に介装しゲート端子が前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続し前記スイッチ部のスイッチング動作に同期して変調光が暗い時の前記光電流に対応する出力電流が流れる第３ＭＯＳトランジスタと、を備える構成とした。
【００１４】
請求項８のように、前記スイッチ部は、前記電源と前記第２ＭＯＳトランジスタの間に介装され変調光が明るい期間に駆動信号の入力で前記第２ＭＯＳトランジスタを電源に接続し駆動信号の停止で前記第２ＭＯＳトランジスタをＧＮＤに切換接続する第１切換スイッチと、前記電源と前記第３ＭＯＳトランジスタの間に介装され変調光が暗い期間に駆動信号の入力で前記第３ＭＯＳトランジスタを電源に接続し駆動信号の停止で前記第３ＭＯＳトランジスタをＧＮＤに切換接続する第２切換スイッチと、を備えて構成とするとよい。
【００１５】
また、請求項９のように、前記カレントミラー回路を、前記第１ＭＯＳトランジスタのバルク端子を電源に接続し、前記第２及び第３ＭＯＳトランジスタのバルク端子を、それぞれ電圧が可変できる可変電圧源に接続する構成とすると共に、前記受光素子の電圧を予め定めた設定値に保持するよう前記受光素子の電圧変化に応じて第１ＭＯＳトランジスタのゲート端子電圧を可変制御するオペアンプを、前記スイッチ手段に設ける構成としてもよい。
かかる構成では、第１ＭＯＳトランジスタがサブスレショールド領域で動作するときの応答特性を改善できるようになる。
【００１６】
請求項１０のように、前記受光素子で生じる前記光電流にオフセット電流を付加する構成とするとよい。
かかる構成では、オフセット電流を付加することで、カレントミラー回路の応答速度を高め、動作を安定化できるようになる。
【００１７】
請求項１１のように、多数の受光素子からなるイメージセンサからの画像データに基づいて、予め取得した背景画像データと現在の画像データとの差分から物体を検出する背景差分法を利用する物体検出装置に適用するとよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の電荷検出装置によれば、変調光の明暗に同期させて２つのコンデンサに振り分けて蓄えた電荷量の差分を蓄積することで差分を増大する構成としたので、変調光の明るい時と暗い時の電荷量の差が僅かでも検出可能な十分な差分電荷量を得ることができ、ダイナミックレンジを拡大できる。また、第１のコンデンサに蓄えた変調光の明るい時の電荷量から第２のコンデンサに蓄えた変調光の暗い時の電荷量を減算しその差分を蓄積するので、受光素子の光電流の量が大きい場合でもコンデンサが飽和する虞れはなく、コンデンサを小さい容量にでき回路面積を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る電荷検出装置の第１実施形態の構成を示す概略図である。
図１において、本実施形態の電荷検出装置は、変調光を含む光を光電変換する受光素子であるフォトダイオードＰＤに生じる光電流Ｉｉｎを第１のコンデンサＣＨと第２のコンデンサＣＬに振り分け供給するスイッチ手段としてのスイッチ回路１と、コンデンサＣＨに蓄えられる電荷量に相当する電圧ＶＣＨからコンデンサＣＬに蓄えられる電荷量に相当する電圧ＶＣＬを減算し、その差分をコンデンサＣＨに蓄積させる差分蓄積手段としての差分蓄積回路２と、フォトダイオードＰＤの光電流Ｉｉｎにオフセット電流Ｉｏｆｆを付加する電流源３とを備え、制御信号の入力で、制御回路４により変調光の明暗に同期したｎ−ｓｗ１，ｎ−ｓｗ２の各信号をスイッチ回路１に出力してスイッチ回路１を駆動制御し、所定タイミングで差分蓄積回路２にＶｓｅｌ，ｎ−Ｖｓｅｌの各信号及びｆｌａｇ信号を出力して差分蓄積回路２を駆動制御する。
【００２０】
図２に、電荷検出装置の具体的回路構成を示す。
図２において、スイッチ回路１は、３つのＰＭＯＳＱ１１〜Ｑ１３で構成され、フォトダイオードＰＤで生じる光電流Ｉｉｎを第１及び第２のコンデンサＣＨ，ＣＬにそれぞれ振り分けるためのカレントミラー回路と、ＰＭＯＳＱ１４，１５で構成され、前記カレントミラー回路で振り分けた光電流を変調光の明暗に同期するｎ−ｓｗ１，ｎ−ｓｗ２の各信号によりスイッチングして第１及び第２のコンデンサＣＨ，ＣＬにそれぞれ供給するためのスイッチ部とを備えて構成される。
【００２１】
前記差分蓄積回路２は、一対のＰＭＯＳＱ２１とＮＭＯＳＱ２２で構成されｆｌａｇ信号の入力を制御するためのゲート回路と、４つのＮＭＯＳＱ２３〜Ｑ２６で構成され、蓄えられる電荷量の少ない第２のコンデンサＣＬを基準としてｆｌａｇ信号の入力で駆動し、第１及び第２のコンデンサＣＨ，ＣＬから同量の電荷量を放電させ第１のコンデンサＣＨに両者の電荷量の差分を残存させるためのカレントミラー回路と、ｎ−Ｖｓｅｌ信号によりｆｌａｇ信号がＮＭＯＳＱ２３とＱ２４に印加されていない時にこれらのゲート電圧を０ＶにするＮＭＯＳＱ２７とを備えて構成される。
【００２２】
前記電流源３は、外部からバイアス電圧ｂｉａｓが印加されて光電流Ｉｉｎに付加してオフセット電流Ｉｏｆｆを流すためのＮＭＯＳＱ３１で構成される。
更に、電荷検出装置は、各コンデンサＣＨ，ＣＬの電荷蓄積をリセットするためのＮＭＯＳＱ４１，４２と、信号線Φ１へのコンデンサＣＨの蓄積電荷量の読出しを制御するためのＰＭＯＳＱ４３，Ｑ４４と、信号線Φ２へのコンデンサＣＬの蓄積電荷量の読出しを制御するためのＰＭＯＳＱ４５，Ｑ４６と、各信号線Φ１，Φ２に読出した蓄積電荷量を外部に信号電圧として出力するために必要な、ゲート端子に所定のバイアス電圧ｂｉａｓ２（前述のバイアス電圧ｂｉａｓとは異なる）が印加されたソースフォロワのＰＭＯＳＱ４７，Ｑ４８とを備える。
尚、前記ＰＭＯＳＱ４７，Ｑ４８は、実際の２次元アレイ回路では、図３に示すように、１つの列に共通に１つ設ければよい。図中の１０は、図２に示す電荷検出回路から制御回路とＰＭＯＳＱ４７，Ｑ４８を除いた回路部分に相当する。
【００２３】
次に、図２の回路の動作を図４のタイムチャートを参照して説明する。
制御回路４からのｒｓｔ信号をハイにし、ＮＭＯＳＱ４１，４２をＯＮして両コンデンサＣＨ，ＣＬの電荷をリセットし、電荷リセット後はｒｓｔ信号をローにしてＮＭＯＳＱ４１，４２をＯＦＦにする（図４中の動作ａ）。
【００２４】
電荷リセット後、変調光の明暗に同期させて、変調光が明（ハイ）の期間でｎ−ｓｗ１信号をローにし、スイッチ回路１のＰＭＯＳＱ１４をＯＮにする。これにより、この時にフォトダイオードＰＤに流れる光電流Ｉｉｎがカレントミラー回路及びＰＭＯＳＱ１４を介してコンデンサＣＨに流れ、変調光が明るい時の光電流に対応する電荷量がコンデンサＣＨに蓄えられる。一方、変調光が暗（ロー）の期間でｎ−ｓｗ２信号をローにし、スイッチ回路１のＰＭＯＳＱ１５をＯＮにする。これにより、この時にフォトダイオードＰＤに流れる光電流Ｉｉｎがカレントミラー回路及びＰＭＯＳＱ１５を介してコンデンサＣＬに流れ、変調光が暗い時の光電流に対応する電荷量がコンデンサＣＬに蓄えられる。この動作を、複数回（図４では２回）繰返し、変調光が明るい時と暗い時の各電荷量を両コンデンサＣＨ，ＣＬに振り分けて蓄積する。これにより、コンデンサＣＨの両端電圧はＶＣＨとなり、コンデンサＣＬの両端電圧はＶＣＬとなる（図４中の動作ｂ）。
【００２５】
次に、予め定めたタイミング（本実施形態の場合は電荷蓄積動作が２回繰返された後）で、制御回路４から互いに相補の関係にあるＶｓｅｌ信号とｎ−Ｖｓｅｌ信号に加えてｆｌａｇ信号を差分蓄積回路２に出力して、両コンデンサＣＨ，ＣＬの電荷量の差分の蓄積動作を実行する。具体的には、ハイのＶｓｅｌ信号とローのｎ−Ｖｓｅｌ信号を発生し、ＰＭＯＳＱ２１とＮＭＯＳＱ２２をＯＮしてゲート回路を開き、ＮＭＯＳＱ２７をＯＦＦにして、ｆｌａｇ信号が差分蓄積回路２のカレントミラー回路に入力できる状態にする。その後、ｆｌａｇ信号をハイにして前記カレントミラー回路を動作させる。これにより、コンデンサＣＬの電圧ＶＣＬに対応した電流ＩＬがカレントミラー回路の右側に流れ、同じ電流ＩＬがカレントミラー回路の左側に流れ、コンデンサＣＬから放電される電荷量と同じ電荷量がコンデンサＣＨから放電される。従って、コンデンサＣＨには、図４中の動作ｂでコンデンサＣＨとＣＬにそれぞれ蓄積された各電荷量の差分（ＶＣＨ−ＶＣＬ）が残存する（図４中の動作ｃ）。
【００２６】
そして、所定の時間間隔で、差分電荷量の読出し信号としてローのｎ−Ｖｓｅｌ信号をＰＭＯＳＱ４４，Ｑ４６に印加してＯＮし、コンデンサＣＨに蓄積された電荷量を信号線Φ１，Φ２から読み出す。
【００２７】
かかる構成の電荷検出装置によれば、コンデンサＣＨに蓄えた変調光の明るい時の電荷量からコンデンサＣＨに蓄えた変調光の暗い時の電荷量と同じ量を放電させて差分をコンデンサＣＨに残存させるので、フォトダイオードＰＤの光電流Ｉｉｎが大きい場合でも、コンデンサＣＨ，ＣＬが飽和する虞れはなく、コンデンサＣＨ，ＣＬの容量を大きくしなくて済む。また、コンデンサＣＨに残存させる差分を蓄積して前記差分を増大するようにしたので、変調光の明るい時と暗い時の電荷量の差が僅かでも、検出可能な十分な差分電荷量を得ることができ、ダイナミックレンジを拡大できる。
【００２８】
また、本実施形態では、電流源３のＮＭＯＳＱ３１に外部バイアス電圧ｂｉａｓを印加してＯＮ状態とし、オフセット電流ＩｏｆｆをフォトダイオードＰＤの光電流Ｉｉｎに付加することができる。オフセット電流Ｉｏｆｆを付加することにより、スイッチ回路１のカレントミラー回路を構成するＰＭＯＳＱ１１，Ｑ１２を飽和領域で動作させることができ、カレントミラー回路の動作を安定させ、応答速度を高めることができる。そして、光電流Ｉｉｎが多い場合はバイアス電圧ｂｉａｓを低くしてオフセット電流Ｉｏｆｆを小さくし、光電流Ｉｉｎが少ない場合はバイアス電圧ｂｉａｓを高くしてオフセット電流Ｉｏｆｆを多くするよう、バイアス電圧ｂｉａｓによりオフセット電流Ｉｏｆｆを調整することで、カレントミラー回路の応答速度をコントロールすることができる。光電流Ｉｉｎが十分多い場合、オフセット電流Ｉｏｆｆは付加する必要はなくＩｏｆｆ＝０とする。
【００２９】
尚、本実施形態では、変調光が明るい時の電荷量と暗い時の電荷量の蓄積を複数回繰返した後に差分蓄積回路２を駆動する構成としたが、１回の蓄積動作毎に差分蓄積回路２を駆動させて電荷量を減算するようにしてもよい。
【００３０】
次に、本発明の電荷検出装置の第２実施形態を図５を参照して説明する。
図５は、本発明に係る電荷検出装置の第２実施形態の構成を示す概略図である。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図５において、本実施形態の電荷検出装置では、図１の第１実施形態の構成に加えて、コンデンサＣＨの電荷量ＶＣＨを予め設定した閾値Ｖｔｈと比較する比較回路５を設ける構成とした。比較回路５は、コンデンサＣＨに蓄えられる電荷量に相当する電圧ＶＣＨと前記閾値Ｖｔｈを比較し、ＶＣＨ≧Ｖｔｈになった時にｆｌａｇ信号をハイとする。これにより、差分蓄積回路２が動作し、コンデンサＣＨにはコンデンサＣＬとの差分の電荷量が残存する。
【００３１】
かかる第２実施形態によれば、コンデンサＣＨの電荷量が閾値Ｖｔｈ以上になれば、差分蓄積回路２により電荷量の減算動作が実行されるので、蓄えられる電荷量が多いコンデンサＣＨが飽和する以前にコンデンサＣＨが放電され、フォトダイオードＰＤに生じる光電流Ｉｉｎが多い場合でも、コンデンサＣＨが飽和することを確実に防止できる。
【００３２】
尚、比較回路５は各フォトダイオードＰＤに対応させて設ける必要はなく、複数のフォトダイオードＰＤを１グループとして各グループ毎に１つの比較回路５を設けるよう構成すれば、多数のフォトダイオードからなるイメージセンサ等の回路面積をコンパクトにできる利点がある。
【００３３】
次に、本発明の電荷検出装置の第３実施形態について説明する。
第３実施形態は、図１に示す第１実施形態とスイッチ回路１の構成が異なるだけである。
図６に、第３実施形態におけるスイッチ回路１の回路図を示す。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図６において、第３実施形態のスイッチ回路１は、フォトダイオードＰＤに生じる光電流Ｉｉｎを第１のコンデンサＣＨと第２のコンデンサＣＬに振り分けるときのみ、カレントミラー回路を電源ＶＤＤに接続する構成である。
【００３４】
第１実施形態において、前記カレントミラー回路は、電源とフォトダイオードＰＤの間に直列に接続しゲート端子がフォトダイオードＰＤに接続しフォトダイオードＰＤで生じる光電流Ｉｉｎが流れる第１ＭＯＳトランジスタであるＰＭＯＳＱ１１と、電源と第１のコンデンサＣＨの間に直列に介装しゲート端子がＰＭＯＳＱ１１のゲート端子に接続しスイッチ部のスイッチング動作に同期して変調光が明るい時の光電流Ｉｉｎに対応する出力電流が流れる第２ＭＯＳトランジスタであるＰＭＯＳＱ１２と、電源と第２のコンデンサＣＬの間に直列に介装しゲート端子がＰＭＯＳＱ１１のゲート端子に接続しスイッチ部スイッチング動作に同期して変調光が暗い時の光電流Ｉｉｎに対応する出力電流が流れる第３ＭＯＳトランジスタであるＰＭＯＳＱ１３とを備えて構成されている。第１実施形態のスイッチ回路１では、ＰＭＯＳＱ１２とコンデンサＣＨとの間にスイッチ部のＰＭＯＳＱ１４を介装し、ＰＭＯＳＱ１３とコンデンサＣＬとの間にスイッチ部のＰＭＯＳＱ１５を介装し、これらを変調光の明暗に同期してスイッチングする構成とした。
【００３５】
第３実施形態では、ＰＭＯＳＱ１４，Ｑ１５の代わりに、カレントミラー回路の各ＰＭＯＳＱ１２，Ｑ１３のソース端子と定電源ラインＶＤＤとの間に、第１及び第２切換スイッチ２１，２２を設ける構成である。第１切換スイッチ２１は、駆動信号とであるｎ−ｓｗ１信号の入力でＰＭＯＳＱ１２のソース端子を電源ＶＤＤに接続し、ｎ−ｓｗ１信号の停止でＰＭＯＳＱ１２のソース端子をＧＮＤに切換接続する構成である。第２切換スイッチ２２は、駆動信号であるｎ−ｓｗ２信号の入力でＰＭＯＳＱ１３のソース端子を電源ＶＤＤに接続し、ｎ−ｓｗ２信号の停止でＰＭＯＳＱ１３のソース端子をＧＮＤに切換接続する構成である。
【００３６】
第３実施形態のスイッチ回路１の動作を説明する。尚、その他の動作は第１実施形態と同様であるので、ここではスイッチ回路１による電荷振り分け動作についてのみ説明しその他の動作の説明は省略する。
変調光が明（ハイ）の期間でｎ−ｓｗ１信号を発生して切換スイッチ２１を電源ＶＤＤ側に切換えてＰＭＯＳＱ１２を電源ＶＤＤに接続する。このとき、ｎ−ｓｗ２信号は発生しておらず切換スイッチ２２はＰＭＯＳＱ１３をＧＮＤに接続してＰＭＯＳＱ１３への電流の流れを停止する。これにより、ＰＭＯＳＱ１１とＱ１２がカレントミラーとして動作して、変調光が明るい時の光電流に対応する電荷量が第１のコンデンサＣＨに蓄えられる。変調光が暗（ロー）の期間でｎ−ｓｗ２信号を発生して切換スイッチ２２を電源ＶＤＤ側に切換えてＰＭＯＳＱ１３を電源ＶＤＤに接続する。このとき、ｎ−ｓｗ１信号は発生しておらず切換スイッチ２１はＰＭＯＳＱ１２をＧＮＤに接続してＰＭＯＳＱ１２への電流の流れを停止する。これにより、ＰＭＯＳＱ１１とＱ１３がカレントミラーとして動作して、変調光が暗い時の光電流に対応する電荷量が第２のコンデンサＣＬに蓄えられる。
【００３７】
かかるスイッチ回路１の構成によれば、例えばＰＭＯＳＱ１３のゲート端子とフォトダイオードＰＤを結ぶラインに浮遊容量ＣＦが存在する場合、浮遊容量ＣＦにはフォトダイオードＰＤの電圧に応じた電荷が蓄積されるが、浮遊容量ＣＦから第１及び第２のコンデンサＣＨ，ＣＬへの充電経路がなく、浮遊容量ＣＦに蓄えられる電荷が第１及び第２のコンデンサＣＨ，ＣＬに充電されることがない。従って、浮遊容量ＣＦの影響を受けることがなく、変調光の明暗に応じてフォトダイオードＰＤに流れる光電流に対応する電荷量を精度良く蓄積できる。
【００３８】
次に、本発明の電荷検出装置の第４実施形態について説明する。
第４実施形態は、図６のように切換スイッチ２１,２２を設けた場合のスイッチ回路１の別の構成例である。
図７に、第４実施形態のスイッチ回路１の回路図を示す。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図７において、本実施形態のスイッチ回路１は、図６の回路に、３つのＰＭＯＳＱ５１，Ｑ５２，Ｑ５３で構成したカレントミラー回路を新たに追加し、このカレントミラーを、ＰＭＯＳＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３で構成したカレントミラー回路に従続接続する構成とした。
【００３９】
図６のスイッチ回路１の場合、切換スイッチ２１，２２でＰＭＯＳＱ１２，１３のソース端子を電源ＶＤＤとＧＮＤに切換接続して電圧を変化させるので、電源接続時にソース−ゲート端子間の静電容量の影響を受けてゲート端子の電圧が不安定となり、安定するまでに時間を要し、その間待つ必要がある。第４実施形態のように、カレントミラー回路を従続接続する構成とすれば、ＰＭＯＳＱ５１，Ｑ５２，Ｑ５３で構成したカレントミラー回路については、切換スイッチ２１，２２による電圧変化の影響を受けず、電源接続後、直ちに安定して動作するようになる。また、ＰＭＯＳＱ１２，１３のチャネル長変調効果の影響を抑制する効果もある。
尚、その他の動作は第１実施形態と同様であり説明は省略する。
【００４０】
次に、本発明の電荷検出装置の第５実施形態について説明する。
第５実施形態も、図６のように切換スイッチ２１,２２を設けた場合のスイッチ回路１の別の構成例である。
図８に、第５実施形態のスイッチ回路１の回路図を示す。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図８において、本実施形態のスイッチ回路１は、カレントミラー回路を構成するＰＭＯＳＱ１１のバルク端子を電源に接続して基板バイアスとして電源ＶＤＤを印加し、ＰＭＯＳＱ１２のバルク端子を電圧可変の可変電圧源に接続し基板バイアスとして可変電圧Ｖｃｎｔを印加する構成とする。また、ＰＭＯＳＱ１１がサブスレショールド領域で動作する時の応答性改善のためのオペアンプ２３を設ける。
【００４１】
前記オペアンプ２３は、フォトダイオードＰＤの電圧Ｖｐを予め定めた設定値である外部バイアス電圧Ｖｉｎｎに保持するようフォトダイオードＰＤの電圧変化に応じてＰＭＯＳＱ１１のゲート端子電圧を可変制御するものである。即ち、フォトダイオードＰＤに流れる光電流Ｉｉｎが変化するとフォトダイオードＰＤの電圧Ｖｐが変化する。オペアンプ２３は、この変化を検出して電圧Ｖｐを外部バイアス電圧Ｖｉｎｎに保持するようにＰＭＯＳＱ１１のゲート端子電圧ＶＧ（オペアンプの出力）を制御する。これにより、フォトダイオードＰＤの電圧Ｖｐは外部バイアス電圧Ｖｉｎｎに一定に維持され、オペアンプ２３の出力ＶＧはフォトダイオードＰＤに流れる光電流の変化に応じて変化し、前記光電流に応じた電圧値となる。
【００４２】
次に、図８のスイッチ回路１の動作を説明する。尚、その他の動作は第１実施形態と同様であり、ここではスイッチ回路の動作のみを説明し、その他の動作については説明を省略する。
変調光が明（ハイ）の期間でｎ−ｓｗ１信号を発生して切換スイッチ２１を電源ＶＤＤ側に切換えてＰＭＯＳＱ１２を電源ＶＤＤに接続し、切換スイッチ２２はＰＭＯＳＱ１３をＧＮＤに接続する。これにより、ＰＭＯＳＱ１１とＱ１２がカレントミラーとして動作し、変調光が明るい時の光電流に対応するオペアンプ２３の出力電圧ＶＧと電源ＶＤＤとの電位差に応じた電流がＰＭＯＳＱ１２に流れ、変調光が明るい時の光電流に対応する電荷量が第１のコンデンサＣＨに蓄えられる。変調光が暗（ロー）の期間ではｎ−ｓｗ２信号を発生して切換スイッチ２２を電源ＶＤＤ側に切換えてＰＭＯＳＱ１３を電源ＶＤＤに接続し、切換スイッチ２１はＰＭＯＳＱ１２をＧＮＤに接続する。これにより、ＰＭＯＳＱ１１とＱ１３がカレントミラーとして動作し、変調光が暗い時の光電流に対応するオペアンプ２３の出力電圧ＶＧと電源ＶＤＤとの電位差に応じた電流がＰＭＯＳＱ１３に流れ、変調光が暗い時の光電流に対応する電荷量が第２のコンデンサＣＬに蓄えられる。
【００４３】
尚、コンデンサＣＨの蓄積電荷量に対応する電圧ＶＣＨやコンデンサＣＬの蓄積電荷量に対応する電圧ＶＣＬが、電圧ＶＧより高電位になると、ＰＭＯＳＱ１２やＰＭＯＳＱ１３のソース端子をＧＮＤに接続したときに、コンデンサＣＨ，ＣＬ側からＰＭＯＳＱ１２やＰＭＯＳＱ１３を介して電荷が放電する。この放電を防止するため、ＰＭＯＳＱ１２とコンデンサＣＨとの間及びＰＭＯＳＱ１３とコンデンサＣＬとの間に、逆流防止用ダイオード２４，２５をそれぞれ設けてある。
【００４４】
かかる構成では、ＰＭＯＳＱ１２，１３をサブスレショールド領域で動作するよう構成すると、電流利得を可変の基板バイアス電圧Ｖｃｎｔに応じて変化させることができる。従って、フォトダイオードＰＤの検出する光量に応じて基板バイアス電圧Ｖｃｎｔを調整して電流利得を調整することで、微弱光から強い光まで広範囲の光量検出が可能である。
【００４５】
次に、本発明の電荷検出装置を適用した物体検出装置について説明する。
図９は、物体検出装置の概略構成図を示す。
図９において、物体検出装置は、多数のフォトダイオードＰＤを備え、各フォトダイオードＰＤ毎に上述した本発明の電荷検出装置を組込んだイメージセンサ１１と、変調光源１２と、イメージセンサ１１からの画像データに基づいて予め取得した背景画像データと現在の画像データとの差分から背景差分法を用いて物体の有無を判定する画像データ処理部１３と、これらイメージセンサ１１、変調光源１２及び画像データ処理部１３を統括的に制御する制御部１４とを備えて構成される。尚、図中の背景光は、太陽光や照明光等を意味する。
【００４６】
制御部１４は、変調光源１２に例えばパルス状の変調信号を出力して変調光源１２から変調光を発生させる。また、前述のようにして前記変調信号に同期させて電荷検出装置を駆動し、変調信号が明るい時と暗い時の電荷量の差分を各フォトダイオードＰＤに対応するコンデンサＣＨに蓄積させて画像データを取得する。更に、所定の時間間隔でイメージセンサ１１から画像データを画像データ処理部１３に出力させる。
画像データ処理部１３は、物体１５の存在しない予め取得した背景画像データと現状の画像データを比較して変化の有無により物体１５の存在の有無を判定する。
【００４７】
本実施形態の物体検出装置の動作を図１０に基づいて詳述する。
図１０において、ｋフレームを基準フレームとし、（ｋ＋ｍ）フレームでは背景光がＢ１からＢ２に変化し、（ｋ＋ｎ）フレームでは物体１５の存在により反射率がＲ１からＲ２に変化したとする。検出対象領域に変調光源１２から、図１０に示すような例えばパルス状のＭ１、Ｍ２の２値の変調光を照射する。尚、変調光を点滅させてＭ２が０となる場合も含む。この場合、イメージセンサ１１の各フォトダイオードＰＤに入力する反射光は変調光に同期して変化する。ここで、図に示すように、ｋフレームの反射光をＲ１（Ｍ１＋Ｂ１）とＲ１（Ｍ２＋Ｂ１）とし、（ｋ＋ｍ）フレームの反射光をＲ１（Ｍ１＋Ｂ２）とＲ１（Ｍ２＋Ｂ２）とし、（ｋ＋ｎ）フレームの反射光をＲ２（Ｍ１＋Ｂ２）とＲ２（Ｍ２＋Ｂ２）とする。
【００４８】
そして、変調光の明暗に同期させて、上述した本発明の電荷検出装置により、変調光の明るい時（Ｍ１）にフォトダイオードＰＤで生じる光電流ＩｉｎをコンデンサＣＨに、暗い時（Ｍ２）の光電流ＩｉｎをコンデンサＣＬに供給し、図１０に示すように、各コンデンサＣＨ，ＣＬそれぞれに電荷を蓄える。ここで、各フレームにおけるそれぞれのコンデンサＣＨ，ＣＬの電圧（蓄積電荷量に相当する）を、ｋフレームはＡＲ１（Ｍ１＋Ｂ１）、ＡＲ１（Ｍ２＋Ｂ１）とし、（ｋ＋ｍ）フレームはＡＲ１（Ｍ１＋Ｂ２）、ＡＲ１（Ｍ２＋Ｂ２）とし、（ｋ＋ｎ）フレームはＡＲ２（Ｍ１＋Ｂ２）、ＡＲ２（Ｍ２＋Ｂ２）とする。尚、ＡはフォトダイオードＰＤの光電変換効率等により決定される定数である。
【００４９】
その後、コンデンサＣＨに蓄えた電荷量からコンデンサＣＬに蓄えた電荷量を減算して両者の差分をとる。この場合、ｋフレームと（ｋ＋ｍ）フレームの差分値は、ＡＲ１（Ｍ１−Ｍ２）となり、（ｋ＋ｎ）フレームの差分値は、ＡＲ２（Ｍ１−Ｍ２）となり、背景光Ｂ１，Ｂ２の影響を排除できることがわかる。また、（ｋ＋ｍ）フレームでは背景光が変化しているが反射率が変化しないため、変調光の明暗によるｋフレームと（ｋ＋ｍ）フレームの差分値は等しい。一方、（ｋ＋ｎ）フレームでは物体１５の存在により反射率が変化するため、変調光の明暗による差分値は、ｋフレームや（ｋ＋ｍ）フレームの差分値と比べて変化することがわかる。
【００５０】
従って、予め基準フレームの差分値を取得し、この基準フレームの差分値と逐次取得した差分値とを比較し、その差が予め定めた閾値以上であれば物体１５が存在すると判定できる。これにより、背景光の変化の影響を排除して物体の検出ができる。そして、本発明の電荷検出装置を用いて前記差分値を蓄積することで、増大した差分値で比較することができる。従って、変調光によりフォトダイオードＰＤの光電流Ｉｉｎが小さくても精度良く物体を検出することが可能となる。
【００５１】
図１０では、フレーム毎に電荷の差分蓄積動作を行う例を示したが、図１１に示すように、各フレームの途中で差分蓄積動作を行うようにしてもよい。図１１は、フレーム途中で電荷検出装置を動作させた場合の光量に応じた蓄積過程の様子を示し、上から光量が大、中、小の場合のコンデンサＣＨ、コンデンサＣＬの電荷蓄積の様子を示す。所定のリセットタイミング時にコンデンサＣＨの電荷量と閾値Ｖｔｈとの比較を行い、コンデンサＣＨの電荷量が閾値Ｖｔｈ以上の場合は減算動作を実行し、コンデンサＣＬの電荷量と同量の電荷量を両コンデンサＣＨ，ＣＬから減算する。コンデンサＣＨの電荷量が閾値Ｖｔｈ未満であればそのまま蓄積動作を継続する。
【００５２】
尚、変調光の明暗を高速で切替えることにより背景光の緩やかな変化を無視することができ、物体検出の精度をより一層向上させることができる。
また、上記の各実施形態では、フォトダイオードＰＤがＧＮＤに接続している場合の構成例を示したが、フォトダイオードＰＤが電源ＶＤＤに接続している場合でも、ＮＭＯＳトランジスタとＰＯＭＳトランジスタを逆にした相補な回路構成で、同様の効果が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る電荷検出装置の第１実施形態を示す概略構成図
【図２】同上実施形態の具体的回路図
【図３】図２の回路を２次元アレイに組込んだ例を示す回路図
【図４】図２の回路図の動作タイムチャート
【図５】本発明に係る電荷検出装置の第２実施形態を示す概略構成図
【図６】本発明に係る電荷検出装置の第３実施形態の要部を示すスイッチ回路図
【図７】本発明に係る電荷検出装置の第４実施形態の要部を示すスイッチ回路図
【図８】本発明に係る電荷検出装置の第５実施形態の要部を示すスイッチ回路図
【図９】電荷検出装置を適用した物体検出装置の概略図
【図１０】図９の物体検出装置の動作説明図
【図１１】フレーム途中で差分蓄積動作する場合のコンデンサの電荷蓄積過程の様子を示す図
【図１２】従来例を示す回路図
【符号の説明】
【００５４】
１    スイッチ回路
２    差分蓄積回路
３    電流源
４    制御回路
５    比較回路
１１    イメージセンサ
１２    変調光源
１３    画像データ処理部
１４    制御部
１５    物体
２１，２２    切換スイッチ
２３    オペアンプ
ＣＨ    第１のコンデンサ
ＣＬ    第２のコンデンサ
ＰＤ    フォトダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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