光センサ回路および光センサアレイ
【課題】光センサ回路のレイアウト面積を増大させることなく、光センサ回路の消費電流を一定に保ち、熱平衡状態を維持することのできる光センサ回路および光センサアレイを提供する。
【解決手段】光センサ回路は受光した光量に応じた値の光電流を生成する光電変換手段，増幅回路，増幅回路の入出力端子間に接続されて前記光電流を積分するコンデンサおよびコンデンサの両端に接続されたリセットトランジスタを有し、リセットトランジスタを待機モードでオンさせる。また、この光センサ回路を複数有する光センサアレイについても適用できる。
【解決手段】光センサ回路は受光した光量に応じた値の光電流を生成する光電変換手段，増幅回路，増幅回路の入出力端子間に接続されて前記光電流を積分するコンデンサおよびコンデンサの両端に接続されたリセットトランジスタを有し、リセットトランジスタを待機モードでオンさせる。また、この光センサ回路を複数有する光センサアレイについても適用できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば三角測距の原理に基づく測距装置などに適用することのできる、光電流を増幅回路の入出力端子間に接続されたコンデンサで積分してセンサ出力を得る光センサ回路および光センサアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
距離を検出する原理については様々なものがあるが、中でも代表的な測距原理である三角測距の原理について、最初に説明を行う。
図６は、三角測距の原理に基づく距離測定原理図である。被写体（対象）１００の光がレンズ１０１、１０２を通して、光センサアレイ１０３、１０４上に被写体像１０５、１０６として結像する。点Ｐ６、点Ｐ７は、正面の無限遠からレンズ１０１、１０２の中心点Ｐ２、Ｐ３を通過する光線（光軸１０７、１０８）と光センサアレイ１０３、１０４との交点である。点Ｐ６と点Ｐ７の間の距離、すなわち２つのレンズの光軸間距離である基線長をＢ、光センサアレイ１０３、１０４とレンズ１０１、１０２との距離をｆ（レンズ１０１、１０２の焦点距離に略等しい）とする。また、点Ｐ６、点Ｐ７からの被写体像１０５、１０６のずれをそれぞれＸ１、Ｘ２とし、このＸ１とＸ２を足した長さを位相差Ｘとする。
【０００３】
ここで三角Ｐ１Ｐ２Ｐ４と三角形Ｐ２Ｐ５Ｐ６および三角形Ｐ１Ｐ４Ｐ３と三角形Ｐ３Ｐ７Ｐ８がそれぞれ相似であることから、被写体１００までの距離ｄは次の（１）式で求められる。
ｄ＝Ｂ・ｆ／（Ｘ１＋Ｘ２）＝Ｂ・ｆ／Ｘ ・・・（１）
Ｘは被写体１００が無限遠にあるとき、すなわち二つの被写体像１０５、１０６がレンズ１０１、１０２の光軸１０７、１０８と光センサアレイ１０３、１０４の交点にある場合を基準とした２像の相対変位であり、上記のように位相差と呼ばれる。Ｂとｆは定数であるので、位相差Ｘを検出することにより距離ｄを求めることができる。すなわち、光センサアレイ１０３、１０４およびレンズ１０１、１０２により距離測定装置１１０を構成することができる。なお、二つの光センサアレイ１０３、１０４は一つの光センサアレイを電気的に分割したものでもよい。光センサアレイ１０３、１０４は半導体集積回路（以下、単に集積回路とも記す）として形成され、当該集積回路は１つの構造体としてレンズ１０１、１０２と一体化されて距離測定装置１１０を構成する。一体化は、光センサアレイ１０３、１０４とレンズ１０１、１０２の位置合わせをサブミクロンオーダで精密に行った後、その調整が狂わないよう光センサアレイ１０３、１０４を集積した集積回路（のパッケージ）とレンズ１０１、１０２を接着剤や溶着などで確実に固定することにより行われる。
【０００４】
図７に光センサアレイ１０３、１０４に使われる光センサ回路の例を示す。図７に示す光センサ回路１１１は、増幅率が−Ｋ（Ｋ＞０）である増幅回路１１２、増幅器の入力端子Ｖ１（その入力電圧もＶ１とする）と出力端子Ｖ２（その出力電圧もＶ２とする）の間に接続されたコンデンサＣ１およびリセットトランジスタ（リセットスイッチ）としてのＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３、並びに光電変換手段としてのフォトダイオードＰＤからなり、フォトダイオードＰＤのカソードは増幅回路１１２の入力に接続され、アノードは接地されている。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３のゲートにはリセット信号Ｖｒｅｓｅｔが入力されている。リセット信号Ｖｒｅｓｅｔは光センサアレイ１０３、１０４が集積されている集積回路全体をリセットする信号であり、光センサ回路をリセットするとともに、集積回路中の他のロジック回路も初期化するものである。コンデンサＣ２はフォトダイオードＰＤの接合容量である。また、光センサアレイの集積度を上げるために、増幅器１１２は差動入力ではなくシングルエンド入力のものを適用している。
【０００５】
図８は、光センサ回路１１１の構成をトランジスタレベルで示したものであり、増幅回路１１２がＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１５に置き換えられている。すなわち、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１５が増幅回路１１２を構成している。それ以外の構成は図７と同じである。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４は、そのソースが電源ラインＶｄｄ（その電圧もＶｄｄと表す）に接続され、ゲートに定電圧のバイアス信号Ｖｂｉａｓが入力されて定電流源を構成している。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１５のドレインはＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４のドレインと接続されて増幅回路１１２の出力端子Ｖ２となっている。また、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１５のゲートは増幅回路１１２の入力端子Ｖ１となっている。
【０００６】
光センサ回路１１１の動作について説明する。センシング動作の開始に先立つ初期化としてＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３のゲートに入力されている信号ＶｒｅｓｅｔをＨ（Ｈｉｇｈ）としてＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３をオンさせてコンデンサＣ１の電荷を放電させる。放電後、信号ＶｒｅｓｅｔをＬ（Ｌｏｗ）にしてＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３をオフさせると、光センサ回路１１１の動作が開始する。フォトダイオードＰＤは被写体像１０５、１０６のうちの自身に照射される部分の光量Ｌに応じた光電流Ｉｐｈを生成する。この光電流ＩｐｈはコンデンサＣ１およびＣ２に積分される。
【０００７】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３をオンさせて増幅回路１１２の入出力を短絡させたときの入出力電圧をＶ０、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３がオフして光センサ回路１１１の動作が開始してからの時間をｔ（ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３がオンからオフに切り替わった時点がｔ＝０）、コンデンサＣ１の電荷をＱ１、コンデンサＣ２の電荷をＱ２、電荷Ｑ２のｔ＝０のときの初期値をＱ２０（＝Ｃ２・Ｖ０）、Ｖ１の初期値からの変動を△Ｖ１（＝Ｖ０−Ｖ１）、Ｖ２の初期値からの変動を△Ｖ２（＝Ｖ２−Ｖ０）電荷Ｑ２の初期値Ｑ２０からの変動を△Ｑ２（＝Ｑ２０−Ｑ２）とすると以下の式がなりたつ。
【０００８】
△Ｖ２＝Ｋ・△Ｖ１
Ｑ１＝Ｃ１（△Ｖ１＋△Ｖ２）＝Ｃ１（△Ｖ１＋Ｋ・△Ｖ１）＝Ｃ１（１＋Ｋ）△Ｖ１
△Ｑ２＝Ｃ２・△Ｖ１
Ｉｐｈ・ｔ＝Ｑ１＋△Ｑ２＝（（１＋Ｋ）Ｃ１＋Ｃ２）△Ｖ１ ・・・（２）
（２）式より次式が成り立つ。
【０００９】
△Ｖ１＝Ｉｐｈ・ｔ／（（１＋Ｋ）Ｃ１＋Ｃ２） ・・・（３）
（３）式よりＶ１，Ｖ２は以下で表される。
Ｖ１＝Ｖ０−△Ｖ１＝Ｖ０−Ｉｐｈ・ｔ／（（１＋Ｋ）Ｃ１＋Ｃ２） ・・・（４）
Ｖ２＝Ｖ０＋Ｋ・△Ｖ１＝Ｖ０＋Ｉｐｈ・ｔ／（（１＋１／Ｋ）Ｃ１＋Ｃ２／Ｋ） ・・・（５）
（５）式よりＫが非常に大きいとすれば、
Ｖ２＝Ｖ０＋Ｉｐｈ・ｔ／Ｃ１ ・・・（６）
と近似することができる。
【００１０】
図９に電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示す。リセット信号ＶｒｅｓｅｔがＨになると信号Ｖ１，Ｖ２はＶ０に初期化され、その後リセット信号ＶｒｅｓｅｔがＬになるとＶ１が下降を始めるとともにＶ２が上昇を始める。（４），（５）式から分かるように、Ｖ２の傾きはＶ１の傾きの絶対値のＫ倍である。図中に示すＶ１ｍｉｎおよびＶ２ｍａｘは、それぞれ光センサ回路１１１が出力することのできる信号Ｖ１，Ｖ２の限界値（最終値）である。このうち、信号Ｖ２の最終値Ｖ２ｍａｘは電源電圧Ｖｄｄに等しいが、信号Ｖ２が電源電圧Ｖｄｄに近づくとＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４は定電流性を保てなくなる。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４の閾値電圧およびドレイン電流をそれぞれＶｔｈ（＞０），Ｉｂｉａｓとすると、Ｉｂｉａｓは以下のようになる。
（ｉ）Ｖ２≦Ｖｂｉａｓ＋Ｖｔｈのとき、
Ｉｂｉａｓ＝Ａ（Ｖｄｄ−Ｖｂｉａｓ−Ｖｔｈ）２ ・・・（７）
（ｉｉ）Ｖｂｉａｓ＋Ｖｔｐ＜Ｖ２≦Ｖｄｄのとき、
Ｉｂｉａｓ＝２Ａ（（Ｖｄｄ＋Ｖ２）／２−Ｖｂｉａｓ−Ｖｔｈ）（Ｖｄｄ−Ｖ２） ・・・（８）
ここで、Ａは定数である。（７）式は、（ｉ）の範囲でＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４は定電流性を保つことを示している。（８）式は、Ｖ２がＶｂｉａｓ＋Ｖｔｐを超えてＶｄｄに近づくと電流Ｉｂｉａｓが漸減し、Ｖ２＝Ｖｄｄとなると電流Ｉｂｉａｓがゼロになることを示している。これより、上記の光センサ回路を複数配置した光センサアレイを集積回路として半導体に集積した場合、当該集積回路の消費電流が光センサアレイが動作中であるか否かで大きく異なることになる。集積回路中の光センサ回路の総数をｎとすると、光センサアレイが動作を開始した当初と動作終了時では消費電流にｎＡ（Ｖｄｄ−Ｖｂｉａｓ−Ｖｔｈ）２の差が生じることになる。距離測定装置１１０は、光センサアレイを複数回動作させることが多いので、そのつど消費電流がｎＡ（Ｖｄｄ−Ｖｂｉａｓ−Ｖｔｈ）２だけ増えたり減ったりすることになる。光センサ回路の総数ｎは通常１００以上、場合によっては１０００を超える場合もあるので、消費電流におけるこの差は無視できないものになる。
【００１１】
集積回路の消費電流は熱となり、初めはこの消費電流が当該集積回路の温度を上げるものの、消費電流が一定であれば最終的には発生する熱と外部に放出される熱とが等しくなる熱平衡状態に達して、当該集積回路の温度は変化しなくなる。一定温度で安定すれば、その温度を検出して（１）式を補正して正確な距離を求めることができる。しかしながら、上述のように光センサの動作状態によって消費電流にｎＡ（Ｖｄｄ−Ｖｂｉａｓ−Ｖｔｈ）２の差が生じると集積回路は熱平衡状態に達することができず（留まることができず）、光センサの動作に伴い集積回路の温度も変動してしまうため、安定した温度を測定することができない。
【００１２】
また、上述のように集積回路とレンズ１０１、１０２が一体化されているため、レンズ１０１、１０２の温度も変化してしまう。距離測定装置１１０のレンズ１０１、１０２やそれを支える図６には示さない構造物はプラスチックでできているため、その寸法は温度により敏感に変化する。（１）式に示すように被写体までの距離dは、基線長Ｂ、光センサアレイとレンズ間距離ｆおよび位相差Ｘより、ｄ＝Ｂ・ｆ／Ｘで与えられるが、このうちＢとfが温度の影響を受けて変化をしてしまう。位相差Ｘはサブミクロンオーダで検出されているのにもかかわらず、温度の変化に伴い光学系Ｂやfが変化し、かつその温度も安定しないとなると、距離dの測定精度に著しく悪影響を与えることになる。集積回路の消費電流をゼロにすることはできないので、この問題に対処するには熱平衡状態から外れないようにすることが必要となる。すなわち、集積回路の消費電流を一定に保つことが有効である。
【００１３】
特許文献１では、画素ＧＳを２次元の行列状に配置し、各列に図８に示す光センサ回路１１１からフォトダイオードＰＤを除いたものに類似のアンプＡＰを配した個体撮像装置において、アンプＡＰの消費電流がその動作により変化しないようにしたものが開示されている。図１０にそのアンプＡＰの基本回路を示す。図１０に示す回路は特許文献１に開示されているアンプＡＰの回路のうち、積分コンデンサの切り替え回路など一部の付加的回路を省略し、記号を付け直したものである。図１０に示す回路のうち図８と同じ部位については同じ記号を付してあり、その詳細な説明は省略する。
【００１４】
図１０は複数の画素ＧＳの出力のうち１つが選択されてコンデンサＣ３を介して入力される増幅回路で、信号Ｖ１と信号Ｖ２の関係は図７，８のものと同じである。１つのアンプＡＰに接続される複数の画素ＧＳは固体撮像素子の１つの列を構成し、各列に接続されるアンプＡＰが固体撮像素子の行方向に配列されて図１１に示すようなアンプアレイを形成する。図１１においてｍ個のアンプＡＰ１，ＡＰ２，・・・，ＡＰｍが行方向（図１１では横方向）に配列され、それぞれ電源ラインＶｄｄおよび接地ラインＧＮＤから電源の供給を受けている。電源ラインＶｄｄおよび接地ラインＧＮＤは集積回路のＰＡＤ（電源ＰＡＤ，ＧＮＤＰＡＤ）に接続されている。また、アンプＡＰ１，ＡＰ２，・・・，ＡＰｍはそれぞれ入力端子ＩＮ１，ＩＮ２,・・・，ＩＮｍおよび出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，・・・，ＯＵＴｍを有している。電源ラインＶｄｄおよび接地ラインＧＮＤには、図１１に示すように寄生抵抗ｒ１１，ｒ１２，ｒ２１，ｒ２２，ｒが存在し、アンプＡＰ１，ＡＰ２，・・・，ＡＰｍで消費する電流により電圧ドロップを生じる。特許文献１で問題としているのはこの電圧ドロップである。それは、図７，８，１１に示すようなシングルエンド入力の増幅器は差動入力タイプのものより電源電圧変動の影響を受けやすく、アンプＡＰ１，ＡＰ２，・・・，ＡＰｍの電源電圧の変動は固体撮像素子から出力される映像信号の画質劣化に繋がるからである。この画質劣化を防ぐためには、アンプＡＰの消費電流がその動作状態に関わらず一定であるようにすればよい。
【００１５】
その対策として特許文献１がアンプＡＰの回路に設けたのが図１０に示すＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６である。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６のゲートには定電圧信号ＶＬＩＭＩＴが入力されて、信号ＶＬＩＭＩＴを基準にしたリミット回路を構成している。すなわち、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６は言わば信号ＶＬＩＭＩＴに対するソースフォロワとなっていて、そのゲート・ソース間電圧Ｖｇｓ＝Ｖ２−ＶＬＩＭＩＴが（ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６の閾値電圧＋α）を超えないように機能する。これにより、アンプＡＰの動作に伴い信号Ｖ２の電位が上昇しても、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６により上述の（ｉ）の条件Ｖ２≦Ｖｂｉａｓ＋Ｖｔｈを破ることがないようリミットがかかるため、アンプＡＰの消費電流を一定に保つことができる。
【特許文献１】特開平２００５−２５２５２９号公報（段落０００１〜００１８，００３５〜００４１、図３，９〜１４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１では、その従来回路に対しリミット回路としてのＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６を追加しているが、これにより集積回路においてアンプＡＰのレイアウト面積の増大および信号ＶＬＩＭＩＴの配線という問題が生じる。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６の替わりにツェナーダイオードを用いることも考えられるが、その場合はゲートを制御する信号の配線の問題はなくなるが、ツェナー電圧を決定するための集積回路製造プロセス追加が問題となる。また、ツェナーダイオードのためにレイアウト面積が増大するという問題は共通である。
【００１７】
図６に示す距離測定装置１１０の光センサアレイ１０３、１０４のレイアウト構成を図１２に示す。図１２は図７または８に示す光センサ回路１１１を図１２の横方向にｎ個配列した光センサアレイを示したものであり、ＰＤ１，ＰＤ２，・・・，ＰＤｎはそれぞれ個々の光センサ回路のフォトダイオード、１２１，１２２，・・・，１２ｎはそれぞれ光センサ回路１１１からフォトダイオードＰＤおよびその接合容量Ｃ２を除いた部分である。ｎ個の光センサ回路に対し、信号Ｖｂｉａｓおよび信号Ｖｒｅｓｅｔが共通に入力されている。距離測定装置１１０の性能（測距精度）を上げるためにはフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，・・・，ＰＤｎのピッチは小さい方がよく、一方フォトダイオードの感度を上げるためにフォトダイオードのレイアウト面積は大きい方がよい。フォトダイオードの感度を維持もしくは向上しつつ光センサアレイ１０３、１０４を集積する半導体集積回路の集積度を上げることを考えると、図１２に示すレイアウト構成において、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，・・・，ＰＤｎの占める面積を出来るだけ大きくするとともに、回路１２１，１２２，・・・，１２ｎの占める面積を出来るだけ小さくすることが望ましい。また、図１２に示す１次元のラインセンサを図１２の縦方向に複数配列したマルチラインセンサ構造の光センサアレイを距離測定装置１１０に適用する場合を考えると、各ラインセンサ間距離を短くするためには回路１２１，１２２，・・・，１２ｎの占める面積を小さくすることがより強く望まれる。これに対し、図１０のＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６やそれに替わるツェナーダイオードを付加することは回路１２１，１２２，・・・，１２ｎの占める面積増大に直結してしまうので、避けなければならない。すなわち、回路１２１，１２２，・・・，１２ｎの占める面積を増大させずに、光センサ回路の消費電流を一定に保つ構成とせねばならないという課題がある。
【００１８】
この発明は上記問題を解決するものであって、従来技術のものより光センサ回路のレイアウト面積を増大させることなく光センサ回路の消費電流を一定に保つことのできる光センサ回路および光センサアレイ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】
【００１９】
そこで、上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、受光した光量に応じた値の光電流を生成する光電変換手段と、増幅回路と、該増幅回路の入出力端子間に接続されて前記光電流を積分するコンデンサと、該コンデンサの両端に接続されているスイッチ手段と、を有する光センサ回路であって、待機モードでは前記スイッチ手段をオンさせていることを特徴とする。
【００２０】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記増幅回路が電流源およびドレイン端子が前記電流源に接続されたＭＯＳトランジスタからなり、該ＭＯＳトランジスタのゲート端子およびドレイン端子がそれぞれ前記増幅回路の入力端子および出力端子であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記増幅回路の出力電圧が外部から読み出される、もしくはサンプルホールドされると前記待機モードになることを特徴とする。
【００２１】
請求項４に係る発明は、請求項１または２に係る発明の光センサ回路を複数有し、該複数の光センサ回路の出力の少なくとも一部が外部から読み出される、もしくはサンプルホールドされると前記待機モードになる光センサアレイであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
この発明の光センサ回路は受光した光量に応じた値の光電流を生成する光電変換手段，増幅回路，増幅回路の入出力端子間に接続されて前記光電流を積分するコンデンサおよびコンデンサの両端に接続されたリセットトランジスタを有し、リセットトランジスタを待機モードでオンさせるので付加回路なしで消費電流を一定に保つことができる。また、この光センサ回路を複数有する光センサアレイも常に付加回路なしで消費電流を一定に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、実施の形態に係る図面において、図７，８と同じ部位には同一符号を付し、重複部分については後述での説明を適宜省略する。
図１は本実施の形態の光センサ回路１およびその制御を行う部分の構成を示す回路図であり、図２はそのタイミングチャートである。図７ではＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３のゲートにはリセット信号Ｖｒｅｓｅｔが入力されていたのに対し、図１ではＯＲゲート２の出力が入力されている。また、ＯＲゲート２には従来のリセット信号Ｖｒｅｓｅｔとともに制御回路３から出力されるセンサリセット信号Ｒｓｅｎｓｏｒが入力されている。すなわち、本発明の実施の形態では、光センサ回路１は従来のリセット信号Ｖｒｅｓｅｔとともにセンサリセット信号Ｒｓｅｎｓｏｒでもリセットされるようになっている。また、リセット信号Ｖｒｅｓｅｔは制御回路３にも入力されている。
【００２４】
センサリセット信号Ｒｓｅｎｓｏｒは、制御回路３が待機モードにＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３をオンさせて、光センサアレイ中の各光センサ回路が上述の（ｉ）Ｖ２≦Ｖｂｉａｓ＋Ｖｔｈという条件を満たすようにして、その消費電流を一定にするための信号である。図２に示すように、リセット信号ＶｒｅｓｅｔがＨになると制御回路３の出力信号ＲｓｅｎｓｏｒがＨからＬに変化する。なお、このときの信号Ｖ１，Ｖ２の動きは図９と同じである。その後リセット信号ＶｒｅｓｅｔがＬに戻るとセンサ回路１は光電流Ｉｐｈの積分を開始し、信号Ｖ１が下降するとともに信号Ｖ２が上昇する（この動作も図９と同じである）。そして、制御回路３が光センサ回路１の動作を停止させる待機モードになったと判断すると、光センサ回路１の消費電流を一定に保たせるためにセンサリセット信号ＲｓｅｎｓｏｒをＨにしてＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３をオンさせる。センサリセット信号Ｒｓｅｎｓｏｒ＝Ｈの状態は次にセット信号Ｖｒｅｓｅｔが入力されるまで保持される。
【００２５】
ＯＲゲート２および制御回路３は、図１２に示す光センサアレイの外部に設ければよい。すなわち、ＯＲゲート２の出力端を図１２の信号Ｖｒｅｓｅｔラインに接続すればよいので、従来技術に比して、光センサ回路のレイアウト面積を増大させることがない。
制御回路３は、基本的には光センサ回路１の出力信号Ｖ２（もしくは図１２に示す光センサアレイの出力信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎ）の少なくとも一部を外部に読み出すか、もしくは図３に示す回路などでサンプルホールドすると光センサ回路１もしくは光センサアレイを待機モードに移行させる。なお、状況によっては読み出しやサンプルホールドを行わずに待機モードに移行してもよい。
【００２６】
図３に示す回路は、図１に示す回路にサンプルホールド機能を付加するために、コンデンサＳｓｈおよびスイッチＳＷｓｈからなるサンプルホールド回路を端子Ｖ２に接続し、サンプルホールドした信号を端子Ｖ３から出力するようにしたものである。制御回路３が光センサ回路１のデータを保持するタイミングであると判断すると、スイッチＳＷｓｈを一時オンしてその時の信号Ｖ２の電圧をコンデンサＣｓｈに記憶させてからスイッチＳＷｓｈをオフにする。コンデンサＣｓｈに光センサ回路１の出力信号が記憶されると光センサ回路１の役目は終了するので、次に制御回路３は光センサ回路１を待機モードに移行させるタイミングと判断してセンサリセット信号ＲｓｅｎｓｏｒをＨにするのである。これにより、光センサ回路１を有する光センサアレイのデータを記憶・保持するとともに集積回路の消費電流が変動することを防ぐことができる。
【００２７】
次に、制御回路３が光センサ回路１もしくは光センサアレイの出力信号の読み出しもしくはサンプルホールドを行うタイミングを決定する方法の例について説明する。図４は、このタイミングを決定するために図１２に示す光センサアレイの出力信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎのピーク（出力信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎのうち最も高い電圧、すなわち光センサアレイ中で最も積分が進んだ光センサ回路の出力信号、に応じた信号）を検出する回路である。図４に示す回路は、ｎ個のＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２，・・・，Ｎｎが電源Ｖｄｄと出力端子Ｖｐｅａｋの間に並列に接続され、各ゲートには信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎがそれぞれ接続されていて、それぞれ信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎに対するソースフォロワ回路を構成している。電流源４はこれらの並列されたソースフォロワ回路に負荷電流ｉ１を供給するものであり、プルダウン抵抗に換えてもよい。出力端子Ｖｐｅａｋから得られる出力信号（これもＶｐｅａｋと記す）は、信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎのうち最も高い電圧からＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２，・・・，Ｎｎの閾値電圧を引いたものにほぼ等しくなる（電流ｉ１を流す分だけ、閾値電圧を引いたものからさらに小さくなる）。
【００２８】
制御回路３は、出力信号Ｖｐｅａｋが所定の値に達する時点を、光センサアレイの出力信号の読み出しもしくはサンプルホールドを行うタイミングとすればよい。
図５は、制御回路３が光センサ回路１もしくは光センサアレイの出力信号の読み出しもしくはサンプルホールドを行うタイミングを決定する別の方法について説明するための図である。これはｎ個の光センサ回路１（それぞれＳ１，Ｓ２，・・・，Ｓｎとする）を図５の横方向に配置した光センサアレイに対し、その平均光量を得るためのモニタフォトダイオードＰＤｍｏｎを光センサ回路Ｓ１，Ｓ２，・・・，Ｓｎの配置方向（図５の横方向）の近傍に並置したものである。モニタフォトダイオードＰＤｍｏｎの長辺は光センサアレイのほぼ全長に渡っているので、その光電流を見れば光センサアレイの平均光量を推定することができる。制御回路３は、推定された平均光量より光センサアレイに光電流の積分をさせる時間（積分時間）を決定し、積分時間が終了した時点で光センサアレイの出力信号の読み出しもしくはサンプルホールドを行えばよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態の光センサ回路１およびその制御を行う部分の構成を示す回路図である。
【図２】図１に示す回路の動作を説明するタイミングチャートである。
【図３】図１に示す回路にサンプルホールド回路を組み合わせた回路である。
【図４】光センサアレイ出力のピーク（最大値）を検出する回路例である。
【図５】モニタフォトダイオードについて説明するための図である。
【図６】三角測距の原理に基づく距離測定原理図である。
【図７】従来の光センサ回路の構成を示す回路図である。
【図８】図７の光センサ回路の構成をトランジスタレベルで示したものである。
【図９】従来の光センサ回路の動作を説明するタイミングチャートである。
【図１０】特許文献１に開示されているアンプの基本回路図である。
【図１１】特許文献に開示されているアンプアレイについて説明するための図である。
【図１２】光センサアレイの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１ 光センサ回路
２ ＯＲゲート
３ 制御回路
４ 定電流源
１０３，１０４ 光センサアレイ
１１０ 距離測定装置
１１２ 増幅回路
１１３ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（リセットトランジスタ）
１１４ ＰチャネルＭＯＳトランジスタ（定電流源）
１１５ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ（接合容量）
Ｃｓｈ サンプルホールド用コンデンサ
Ｎ１〜Ｎｎ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（ソースフォラワ）
ＰＤ，ＰＤ１〜ＰＤｎ フォトダイオード
ＰＤｍｏｎ モニタフォトダイオード
Ｒｓｅｎｓｏｒ センサリセット信号
ＳＷｓｈ サンプルホールド用スイッチ
Ｖ２，Ｖ２１〜Ｖ２ｎ 光センサ回路の出力端子、出力信号
Ｖｂｉａｓ 定電圧のバイアス信号
Ｖｒｅｓｅｔ 集積回路全体をリセットするリセット信号
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば三角測距の原理に基づく測距装置などに適用することのできる、光電流を増幅回路の入出力端子間に接続されたコンデンサで積分してセンサ出力を得る光センサ回路および光センサアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
距離を検出する原理については様々なものがあるが、中でも代表的な測距原理である三角測距の原理について、最初に説明を行う。
図６は、三角測距の原理に基づく距離測定原理図である。被写体（対象）１００の光がレンズ１０１、１０２を通して、光センサアレイ１０３、１０４上に被写体像１０５、１０６として結像する。点Ｐ６、点Ｐ７は、正面の無限遠からレンズ１０１、１０２の中心点Ｐ２、Ｐ３を通過する光線（光軸１０７、１０８）と光センサアレイ１０３、１０４との交点である。点Ｐ６と点Ｐ７の間の距離、すなわち２つのレンズの光軸間距離である基線長をＢ、光センサアレイ１０３、１０４とレンズ１０１、１０２との距離をｆ（レンズ１０１、１０２の焦点距離に略等しい）とする。また、点Ｐ６、点Ｐ７からの被写体像１０５、１０６のずれをそれぞれＸ１、Ｘ２とし、このＸ１とＸ２を足した長さを位相差Ｘとする。
【０００３】
ここで三角Ｐ１Ｐ２Ｐ４と三角形Ｐ２Ｐ５Ｐ６および三角形Ｐ１Ｐ４Ｐ３と三角形Ｐ３Ｐ７Ｐ８がそれぞれ相似であることから、被写体１００までの距離ｄは次の（１）式で求められる。
ｄ＝Ｂ・ｆ／（Ｘ１＋Ｘ２）＝Ｂ・ｆ／Ｘ ・・・（１）
Ｘは被写体１００が無限遠にあるとき、すなわち二つの被写体像１０５、１０６がレンズ１０１、１０２の光軸１０７、１０８と光センサアレイ１０３、１０４の交点にある場合を基準とした２像の相対変位であり、上記のように位相差と呼ばれる。Ｂとｆは定数であるので、位相差Ｘを検出することにより距離ｄを求めることができる。すなわち、光センサアレイ１０３、１０４およびレンズ１０１、１０２により距離測定装置１１０を構成することができる。なお、二つの光センサアレイ１０３、１０４は一つの光センサアレイを電気的に分割したものでもよい。光センサアレイ１０３、１０４は半導体集積回路（以下、単に集積回路とも記す）として形成され、当該集積回路は１つの構造体としてレンズ１０１、１０２と一体化されて距離測定装置１１０を構成する。一体化は、光センサアレイ１０３、１０４とレンズ１０１、１０２の位置合わせをサブミクロンオーダで精密に行った後、その調整が狂わないよう光センサアレイ１０３、１０４を集積した集積回路（のパッケージ）とレンズ１０１、１０２を接着剤や溶着などで確実に固定することにより行われる。
【０００４】
図７に光センサアレイ１０３、１０４に使われる光センサ回路の例を示す。図７に示す光センサ回路１１１は、増幅率が−Ｋ（Ｋ＞０）である増幅回路１１２、増幅器の入力端子Ｖ１（その入力電圧もＶ１とする）と出力端子Ｖ２（その出力電圧もＶ２とする）の間に接続されたコンデンサＣ１およびリセットトランジスタ（リセットスイッチ）としてのＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３、並びに光電変換手段としてのフォトダイオードＰＤからなり、フォトダイオードＰＤのカソードは増幅回路１１２の入力に接続され、アノードは接地されている。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３のゲートにはリセット信号Ｖｒｅｓｅｔが入力されている。リセット信号Ｖｒｅｓｅｔは光センサアレイ１０３、１０４が集積されている集積回路全体をリセットする信号であり、光センサ回路をリセットするとともに、集積回路中の他のロジック回路も初期化するものである。コンデンサＣ２はフォトダイオードＰＤの接合容量である。また、光センサアレイの集積度を上げるために、増幅器１１２は差動入力ではなくシングルエンド入力のものを適用している。
【０００５】
図８は、光センサ回路１１１の構成をトランジスタレベルで示したものであり、増幅回路１１２がＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１５に置き換えられている。すなわち、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１５が増幅回路１１２を構成している。それ以外の構成は図７と同じである。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４は、そのソースが電源ラインＶｄｄ（その電圧もＶｄｄと表す）に接続され、ゲートに定電圧のバイアス信号Ｖｂｉａｓが入力されて定電流源を構成している。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１５のドレインはＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４のドレインと接続されて増幅回路１１２の出力端子Ｖ２となっている。また、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１５のゲートは増幅回路１１２の入力端子Ｖ１となっている。
【０００６】
光センサ回路１１１の動作について説明する。センシング動作の開始に先立つ初期化としてＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３のゲートに入力されている信号ＶｒｅｓｅｔをＨ（Ｈｉｇｈ）としてＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３をオンさせてコンデンサＣ１の電荷を放電させる。放電後、信号ＶｒｅｓｅｔをＬ（Ｌｏｗ）にしてＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３をオフさせると、光センサ回路１１１の動作が開始する。フォトダイオードＰＤは被写体像１０５、１０６のうちの自身に照射される部分の光量Ｌに応じた光電流Ｉｐｈを生成する。この光電流ＩｐｈはコンデンサＣ１およびＣ２に積分される。
【０００７】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３をオンさせて増幅回路１１２の入出力を短絡させたときの入出力電圧をＶ０、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３がオフして光センサ回路１１１の動作が開始してからの時間をｔ（ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３がオンからオフに切り替わった時点がｔ＝０）、コンデンサＣ１の電荷をＱ１、コンデンサＣ２の電荷をＱ２、電荷Ｑ２のｔ＝０のときの初期値をＱ２０（＝Ｃ２・Ｖ０）、Ｖ１の初期値からの変動を△Ｖ１（＝Ｖ０−Ｖ１）、Ｖ２の初期値からの変動を△Ｖ２（＝Ｖ２−Ｖ０）電荷Ｑ２の初期値Ｑ２０からの変動を△Ｑ２（＝Ｑ２０−Ｑ２）とすると以下の式がなりたつ。
【０００８】
△Ｖ２＝Ｋ・△Ｖ１
Ｑ１＝Ｃ１（△Ｖ１＋△Ｖ２）＝Ｃ１（△Ｖ１＋Ｋ・△Ｖ１）＝Ｃ１（１＋Ｋ）△Ｖ１
△Ｑ２＝Ｃ２・△Ｖ１
Ｉｐｈ・ｔ＝Ｑ１＋△Ｑ２＝（（１＋Ｋ）Ｃ１＋Ｃ２）△Ｖ１ ・・・（２）
（２）式より次式が成り立つ。
【０００９】
△Ｖ１＝Ｉｐｈ・ｔ／（（１＋Ｋ）Ｃ１＋Ｃ２） ・・・（３）
（３）式よりＶ１，Ｖ２は以下で表される。
Ｖ１＝Ｖ０−△Ｖ１＝Ｖ０−Ｉｐｈ・ｔ／（（１＋Ｋ）Ｃ１＋Ｃ２） ・・・（４）
Ｖ２＝Ｖ０＋Ｋ・△Ｖ１＝Ｖ０＋Ｉｐｈ・ｔ／（（１＋１／Ｋ）Ｃ１＋Ｃ２／Ｋ） ・・・（５）
（５）式よりＫが非常に大きいとすれば、
Ｖ２＝Ｖ０＋Ｉｐｈ・ｔ／Ｃ１ ・・・（６）
と近似することができる。
【００１０】
図９に電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示す。リセット信号ＶｒｅｓｅｔがＨになると信号Ｖ１，Ｖ２はＶ０に初期化され、その後リセット信号ＶｒｅｓｅｔがＬになるとＶ１が下降を始めるとともにＶ２が上昇を始める。（４），（５）式から分かるように、Ｖ２の傾きはＶ１の傾きの絶対値のＫ倍である。図中に示すＶ１ｍｉｎおよびＶ２ｍａｘは、それぞれ光センサ回路１１１が出力することのできる信号Ｖ１，Ｖ２の限界値（最終値）である。このうち、信号Ｖ２の最終値Ｖ２ｍａｘは電源電圧Ｖｄｄに等しいが、信号Ｖ２が電源電圧Ｖｄｄに近づくとＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４は定電流性を保てなくなる。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４の閾値電圧およびドレイン電流をそれぞれＶｔｈ（＞０），Ｉｂｉａｓとすると、Ｉｂｉａｓは以下のようになる。
（ｉ）Ｖ２≦Ｖｂｉａｓ＋Ｖｔｈのとき、
Ｉｂｉａｓ＝Ａ（Ｖｄｄ−Ｖｂｉａｓ−Ｖｔｈ）２ ・・・（７）
（ｉｉ）Ｖｂｉａｓ＋Ｖｔｐ＜Ｖ２≦Ｖｄｄのとき、
Ｉｂｉａｓ＝２Ａ（（Ｖｄｄ＋Ｖ２）／２−Ｖｂｉａｓ−Ｖｔｈ）（Ｖｄｄ−Ｖ２） ・・・（８）
ここで、Ａは定数である。（７）式は、（ｉ）の範囲でＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１４は定電流性を保つことを示している。（８）式は、Ｖ２がＶｂｉａｓ＋Ｖｔｐを超えてＶｄｄに近づくと電流Ｉｂｉａｓが漸減し、Ｖ２＝Ｖｄｄとなると電流Ｉｂｉａｓがゼロになることを示している。これより、上記の光センサ回路を複数配置した光センサアレイを集積回路として半導体に集積した場合、当該集積回路の消費電流が光センサアレイが動作中であるか否かで大きく異なることになる。集積回路中の光センサ回路の総数をｎとすると、光センサアレイが動作を開始した当初と動作終了時では消費電流にｎＡ（Ｖｄｄ−Ｖｂｉａｓ−Ｖｔｈ）２の差が生じることになる。距離測定装置１１０は、光センサアレイを複数回動作させることが多いので、そのつど消費電流がｎＡ（Ｖｄｄ−Ｖｂｉａｓ−Ｖｔｈ）２だけ増えたり減ったりすることになる。光センサ回路の総数ｎは通常１００以上、場合によっては１０００を超える場合もあるので、消費電流におけるこの差は無視できないものになる。
【００１１】
集積回路の消費電流は熱となり、初めはこの消費電流が当該集積回路の温度を上げるものの、消費電流が一定であれば最終的には発生する熱と外部に放出される熱とが等しくなる熱平衡状態に達して、当該集積回路の温度は変化しなくなる。一定温度で安定すれば、その温度を検出して（１）式を補正して正確な距離を求めることができる。しかしながら、上述のように光センサの動作状態によって消費電流にｎＡ（Ｖｄｄ−Ｖｂｉａｓ−Ｖｔｈ）２の差が生じると集積回路は熱平衡状態に達することができず（留まることができず）、光センサの動作に伴い集積回路の温度も変動してしまうため、安定した温度を測定することができない。
【００１２】
また、上述のように集積回路とレンズ１０１、１０２が一体化されているため、レンズ１０１、１０２の温度も変化してしまう。距離測定装置１１０のレンズ１０１、１０２やそれを支える図６には示さない構造物はプラスチックでできているため、その寸法は温度により敏感に変化する。（１）式に示すように被写体までの距離dは、基線長Ｂ、光センサアレイとレンズ間距離ｆおよび位相差Ｘより、ｄ＝Ｂ・ｆ／Ｘで与えられるが、このうちＢとfが温度の影響を受けて変化をしてしまう。位相差Ｘはサブミクロンオーダで検出されているのにもかかわらず、温度の変化に伴い光学系Ｂやfが変化し、かつその温度も安定しないとなると、距離dの測定精度に著しく悪影響を与えることになる。集積回路の消費電流をゼロにすることはできないので、この問題に対処するには熱平衡状態から外れないようにすることが必要となる。すなわち、集積回路の消費電流を一定に保つことが有効である。
【００１３】
特許文献１では、画素ＧＳを２次元の行列状に配置し、各列に図８に示す光センサ回路１１１からフォトダイオードＰＤを除いたものに類似のアンプＡＰを配した個体撮像装置において、アンプＡＰの消費電流がその動作により変化しないようにしたものが開示されている。図１０にそのアンプＡＰの基本回路を示す。図１０に示す回路は特許文献１に開示されているアンプＡＰの回路のうち、積分コンデンサの切り替え回路など一部の付加的回路を省略し、記号を付け直したものである。図１０に示す回路のうち図８と同じ部位については同じ記号を付してあり、その詳細な説明は省略する。
【００１４】
図１０は複数の画素ＧＳの出力のうち１つが選択されてコンデンサＣ３を介して入力される増幅回路で、信号Ｖ１と信号Ｖ２の関係は図７，８のものと同じである。１つのアンプＡＰに接続される複数の画素ＧＳは固体撮像素子の１つの列を構成し、各列に接続されるアンプＡＰが固体撮像素子の行方向に配列されて図１１に示すようなアンプアレイを形成する。図１１においてｍ個のアンプＡＰ１，ＡＰ２，・・・，ＡＰｍが行方向（図１１では横方向）に配列され、それぞれ電源ラインＶｄｄおよび接地ラインＧＮＤから電源の供給を受けている。電源ラインＶｄｄおよび接地ラインＧＮＤは集積回路のＰＡＤ（電源ＰＡＤ，ＧＮＤＰＡＤ）に接続されている。また、アンプＡＰ１，ＡＰ２，・・・，ＡＰｍはそれぞれ入力端子ＩＮ１，ＩＮ２,・・・，ＩＮｍおよび出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，・・・，ＯＵＴｍを有している。電源ラインＶｄｄおよび接地ラインＧＮＤには、図１１に示すように寄生抵抗ｒ１１，ｒ１２，ｒ２１，ｒ２２，ｒが存在し、アンプＡＰ１，ＡＰ２，・・・，ＡＰｍで消費する電流により電圧ドロップを生じる。特許文献１で問題としているのはこの電圧ドロップである。それは、図７，８，１１に示すようなシングルエンド入力の増幅器は差動入力タイプのものより電源電圧変動の影響を受けやすく、アンプＡＰ１，ＡＰ２，・・・，ＡＰｍの電源電圧の変動は固体撮像素子から出力される映像信号の画質劣化に繋がるからである。この画質劣化を防ぐためには、アンプＡＰの消費電流がその動作状態に関わらず一定であるようにすればよい。
【００１５】
その対策として特許文献１がアンプＡＰの回路に設けたのが図１０に示すＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６である。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６のゲートには定電圧信号ＶＬＩＭＩＴが入力されて、信号ＶＬＩＭＩＴを基準にしたリミット回路を構成している。すなわち、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６は言わば信号ＶＬＩＭＩＴに対するソースフォロワとなっていて、そのゲート・ソース間電圧Ｖｇｓ＝Ｖ２−ＶＬＩＭＩＴが（ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６の閾値電圧＋α）を超えないように機能する。これにより、アンプＡＰの動作に伴い信号Ｖ２の電位が上昇しても、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６により上述の（ｉ）の条件Ｖ２≦Ｖｂｉａｓ＋Ｖｔｈを破ることがないようリミットがかかるため、アンプＡＰの消費電流を一定に保つことができる。
【特許文献１】特開平２００５−２５２５２９号公報（段落０００１〜００１８，００３５〜００４１、図３，９〜１４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１では、その従来回路に対しリミット回路としてのＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６を追加しているが、これにより集積回路においてアンプＡＰのレイアウト面積の増大および信号ＶＬＩＭＩＴの配線という問題が生じる。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６の替わりにツェナーダイオードを用いることも考えられるが、その場合はゲートを制御する信号の配線の問題はなくなるが、ツェナー電圧を決定するための集積回路製造プロセス追加が問題となる。また、ツェナーダイオードのためにレイアウト面積が増大するという問題は共通である。
【００１７】
図６に示す距離測定装置１１０の光センサアレイ１０３、１０４のレイアウト構成を図１２に示す。図１２は図７または８に示す光センサ回路１１１を図１２の横方向にｎ個配列した光センサアレイを示したものであり、ＰＤ１，ＰＤ２，・・・，ＰＤｎはそれぞれ個々の光センサ回路のフォトダイオード、１２１，１２２，・・・，１２ｎはそれぞれ光センサ回路１１１からフォトダイオードＰＤおよびその接合容量Ｃ２を除いた部分である。ｎ個の光センサ回路に対し、信号Ｖｂｉａｓおよび信号Ｖｒｅｓｅｔが共通に入力されている。距離測定装置１１０の性能（測距精度）を上げるためにはフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，・・・，ＰＤｎのピッチは小さい方がよく、一方フォトダイオードの感度を上げるためにフォトダイオードのレイアウト面積は大きい方がよい。フォトダイオードの感度を維持もしくは向上しつつ光センサアレイ１０３、１０４を集積する半導体集積回路の集積度を上げることを考えると、図１２に示すレイアウト構成において、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，・・・，ＰＤｎの占める面積を出来るだけ大きくするとともに、回路１２１，１２２，・・・，１２ｎの占める面積を出来るだけ小さくすることが望ましい。また、図１２に示す１次元のラインセンサを図１２の縦方向に複数配列したマルチラインセンサ構造の光センサアレイを距離測定装置１１０に適用する場合を考えると、各ラインセンサ間距離を短くするためには回路１２１，１２２，・・・，１２ｎの占める面積を小さくすることがより強く望まれる。これに対し、図１０のＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６やそれに替わるツェナーダイオードを付加することは回路１２１，１２２，・・・，１２ｎの占める面積増大に直結してしまうので、避けなければならない。すなわち、回路１２１，１２２，・・・，１２ｎの占める面積を増大させずに、光センサ回路の消費電流を一定に保つ構成とせねばならないという課題がある。
【００１８】
この発明は上記問題を解決するものであって、従来技術のものより光センサ回路のレイアウト面積を増大させることなく光センサ回路の消費電流を一定に保つことのできる光センサ回路および光センサアレイ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】
【００１９】
そこで、上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、受光した光量に応じた値の光電流を生成する光電変換手段と、増幅回路と、該増幅回路の入出力端子間に接続されて前記光電流を積分するコンデンサと、該コンデンサの両端に接続されているスイッチ手段と、を有する光センサ回路であって、待機モードでは前記スイッチ手段をオンさせていることを特徴とする。
【００２０】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記増幅回路が電流源およびドレイン端子が前記電流源に接続されたＭＯＳトランジスタからなり、該ＭＯＳトランジスタのゲート端子およびドレイン端子がそれぞれ前記増幅回路の入力端子および出力端子であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記増幅回路の出力電圧が外部から読み出される、もしくはサンプルホールドされると前記待機モードになることを特徴とする。
【００２１】
請求項４に係る発明は、請求項１または２に係る発明の光センサ回路を複数有し、該複数の光センサ回路の出力の少なくとも一部が外部から読み出される、もしくはサンプルホールドされると前記待機モードになる光センサアレイであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
この発明の光センサ回路は受光した光量に応じた値の光電流を生成する光電変換手段，増幅回路，増幅回路の入出力端子間に接続されて前記光電流を積分するコンデンサおよびコンデンサの両端に接続されたリセットトランジスタを有し、リセットトランジスタを待機モードでオンさせるので付加回路なしで消費電流を一定に保つことができる。また、この光センサ回路を複数有する光センサアレイも常に付加回路なしで消費電流を一定に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、実施の形態に係る図面において、図７，８と同じ部位には同一符号を付し、重複部分については後述での説明を適宜省略する。
図１は本実施の形態の光センサ回路１およびその制御を行う部分の構成を示す回路図であり、図２はそのタイミングチャートである。図７ではＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３のゲートにはリセット信号Ｖｒｅｓｅｔが入力されていたのに対し、図１ではＯＲゲート２の出力が入力されている。また、ＯＲゲート２には従来のリセット信号Ｖｒｅｓｅｔとともに制御回路３から出力されるセンサリセット信号Ｒｓｅｎｓｏｒが入力されている。すなわち、本発明の実施の形態では、光センサ回路１は従来のリセット信号Ｖｒｅｓｅｔとともにセンサリセット信号Ｒｓｅｎｓｏｒでもリセットされるようになっている。また、リセット信号Ｖｒｅｓｅｔは制御回路３にも入力されている。
【００２４】
センサリセット信号Ｒｓｅｎｓｏｒは、制御回路３が待機モードにＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３をオンさせて、光センサアレイ中の各光センサ回路が上述の（ｉ）Ｖ２≦Ｖｂｉａｓ＋Ｖｔｈという条件を満たすようにして、その消費電流を一定にするための信号である。図２に示すように、リセット信号ＶｒｅｓｅｔがＨになると制御回路３の出力信号ＲｓｅｎｓｏｒがＨからＬに変化する。なお、このときの信号Ｖ１，Ｖ２の動きは図９と同じである。その後リセット信号ＶｒｅｓｅｔがＬに戻るとセンサ回路１は光電流Ｉｐｈの積分を開始し、信号Ｖ１が下降するとともに信号Ｖ２が上昇する（この動作も図９と同じである）。そして、制御回路３が光センサ回路１の動作を停止させる待機モードになったと判断すると、光センサ回路１の消費電流を一定に保たせるためにセンサリセット信号ＲｓｅｎｓｏｒをＨにしてＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１３をオンさせる。センサリセット信号Ｒｓｅｎｓｏｒ＝Ｈの状態は次にセット信号Ｖｒｅｓｅｔが入力されるまで保持される。
【００２５】
ＯＲゲート２および制御回路３は、図１２に示す光センサアレイの外部に設ければよい。すなわち、ＯＲゲート２の出力端を図１２の信号Ｖｒｅｓｅｔラインに接続すればよいので、従来技術に比して、光センサ回路のレイアウト面積を増大させることがない。
制御回路３は、基本的には光センサ回路１の出力信号Ｖ２（もしくは図１２に示す光センサアレイの出力信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎ）の少なくとも一部を外部に読み出すか、もしくは図３に示す回路などでサンプルホールドすると光センサ回路１もしくは光センサアレイを待機モードに移行させる。なお、状況によっては読み出しやサンプルホールドを行わずに待機モードに移行してもよい。
【００２６】
図３に示す回路は、図１に示す回路にサンプルホールド機能を付加するために、コンデンサＳｓｈおよびスイッチＳＷｓｈからなるサンプルホールド回路を端子Ｖ２に接続し、サンプルホールドした信号を端子Ｖ３から出力するようにしたものである。制御回路３が光センサ回路１のデータを保持するタイミングであると判断すると、スイッチＳＷｓｈを一時オンしてその時の信号Ｖ２の電圧をコンデンサＣｓｈに記憶させてからスイッチＳＷｓｈをオフにする。コンデンサＣｓｈに光センサ回路１の出力信号が記憶されると光センサ回路１の役目は終了するので、次に制御回路３は光センサ回路１を待機モードに移行させるタイミングと判断してセンサリセット信号ＲｓｅｎｓｏｒをＨにするのである。これにより、光センサ回路１を有する光センサアレイのデータを記憶・保持するとともに集積回路の消費電流が変動することを防ぐことができる。
【００２７】
次に、制御回路３が光センサ回路１もしくは光センサアレイの出力信号の読み出しもしくはサンプルホールドを行うタイミングを決定する方法の例について説明する。図４は、このタイミングを決定するために図１２に示す光センサアレイの出力信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎのピーク（出力信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎのうち最も高い電圧、すなわち光センサアレイ中で最も積分が進んだ光センサ回路の出力信号、に応じた信号）を検出する回路である。図４に示す回路は、ｎ個のＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２，・・・，Ｎｎが電源Ｖｄｄと出力端子Ｖｐｅａｋの間に並列に接続され、各ゲートには信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎがそれぞれ接続されていて、それぞれ信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎに対するソースフォロワ回路を構成している。電流源４はこれらの並列されたソースフォロワ回路に負荷電流ｉ１を供給するものであり、プルダウン抵抗に換えてもよい。出力端子Ｖｐｅａｋから得られる出力信号（これもＶｐｅａｋと記す）は、信号Ｖ２１，Ｖ２２，・・・，Ｖ２ｎのうち最も高い電圧からＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２，・・・，Ｎｎの閾値電圧を引いたものにほぼ等しくなる（電流ｉ１を流す分だけ、閾値電圧を引いたものからさらに小さくなる）。
【００２８】
制御回路３は、出力信号Ｖｐｅａｋが所定の値に達する時点を、光センサアレイの出力信号の読み出しもしくはサンプルホールドを行うタイミングとすればよい。
図５は、制御回路３が光センサ回路１もしくは光センサアレイの出力信号の読み出しもしくはサンプルホールドを行うタイミングを決定する別の方法について説明するための図である。これはｎ個の光センサ回路１（それぞれＳ１，Ｓ２，・・・，Ｓｎとする）を図５の横方向に配置した光センサアレイに対し、その平均光量を得るためのモニタフォトダイオードＰＤｍｏｎを光センサ回路Ｓ１，Ｓ２，・・・，Ｓｎの配置方向（図５の横方向）の近傍に並置したものである。モニタフォトダイオードＰＤｍｏｎの長辺は光センサアレイのほぼ全長に渡っているので、その光電流を見れば光センサアレイの平均光量を推定することができる。制御回路３は、推定された平均光量より光センサアレイに光電流の積分をさせる時間（積分時間）を決定し、積分時間が終了した時点で光センサアレイの出力信号の読み出しもしくはサンプルホールドを行えばよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態の光センサ回路１およびその制御を行う部分の構成を示す回路図である。
【図２】図１に示す回路の動作を説明するタイミングチャートである。
【図３】図１に示す回路にサンプルホールド回路を組み合わせた回路である。
【図４】光センサアレイ出力のピーク（最大値）を検出する回路例である。
【図５】モニタフォトダイオードについて説明するための図である。
【図６】三角測距の原理に基づく距離測定原理図である。
【図７】従来の光センサ回路の構成を示す回路図である。
【図８】図７の光センサ回路の構成をトランジスタレベルで示したものである。
【図９】従来の光センサ回路の動作を説明するタイミングチャートである。
【図１０】特許文献１に開示されているアンプの基本回路図である。
【図１１】特許文献に開示されているアンプアレイについて説明するための図である。
【図１２】光センサアレイの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１ 光センサ回路
２ ＯＲゲート
３ 制御回路
４ 定電流源
１０３，１０４ 光センサアレイ
１１０ 距離測定装置
１１２ 増幅回路
１１３ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（リセットトランジスタ）
１１４ ＰチャネルＭＯＳトランジスタ（定電流源）
１１５ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ（接合容量）
Ｃｓｈ サンプルホールド用コンデンサ
Ｎ１〜Ｎｎ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（ソースフォラワ）
ＰＤ，ＰＤ１〜ＰＤｎ フォトダイオード
ＰＤｍｏｎ モニタフォトダイオード
Ｒｓｅｎｓｏｒ センサリセット信号
ＳＷｓｈ サンプルホールド用スイッチ
Ｖ２，Ｖ２１〜Ｖ２ｎ 光センサ回路の出力端子、出力信号
Ｖｂｉａｓ 定電圧のバイアス信号
Ｖｒｅｓｅｔ 集積回路全体をリセットするリセット信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光した光量に応じた値の光電流を生成する光電変換手段と、増幅回路と、該増幅回路の入出力端子間に接続されて前記光電流を積分するコンデンサと、該コンデンサの両端に接続されているスイッチ手段と、を有し、
待機モードでは前記スイッチ手段をオンさせていることを特徴とする光センサ回路。
【請求項２】
前記増幅回路が電流源およびドレイン端子が前記電流源に接続されたＭＯＳトランジスタからなり、該ＭＯＳトランジスタのゲート端子およびドレイン端子がそれぞれ前記増幅回路の入力端子および出力端子であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ回路。
【請求項３】
前記増幅回路の出力電圧が外部から読み出される、もしくはサンプルホールドされると前記待機モードになることを特徴とする請求項１または２に記載の光センサ回路。
【請求項４】
請求項１または２に記載の光センサ回路を複数有し、該複数の光センサ回路の出力の少なくとも一部が外部から読み出される、もしくはサンプルホールドされると前記待機モードになることを特徴とする光センサアレイ。
【請求項１】
受光した光量に応じた値の光電流を生成する光電変換手段と、増幅回路と、該増幅回路の入出力端子間に接続されて前記光電流を積分するコンデンサと、該コンデンサの両端に接続されているスイッチ手段と、を有し、
待機モードでは前記スイッチ手段をオンさせていることを特徴とする光センサ回路。
【請求項２】
前記増幅回路が電流源およびドレイン端子が前記電流源に接続されたＭＯＳトランジスタからなり、該ＭＯＳトランジスタのゲート端子およびドレイン端子がそれぞれ前記増幅回路の入力端子および出力端子であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ回路。
【請求項３】
前記増幅回路の出力電圧が外部から読み出される、もしくはサンプルホールドされると前記待機モードになることを特徴とする請求項１または２に記載の光センサ回路。
【請求項４】
請求項１または２に記載の光センサ回路を複数有し、該複数の光センサ回路の出力の少なくとも一部が外部から読み出される、もしくはサンプルホールドされると前記待機モードになることを特徴とする光センサアレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−１３５９２９（Ｐ２００８−１３５９２９Ａ）
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２００６６（Ｐ２００６−３２００６６）
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
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