JP2005265846A - 暗光電流をキャンセルするカラーセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】暗電流電圧オフセットをキャンセルして、温度頑健性を高めるカラーセンサを提供する。
【解決手段】カラーセンサ回路、暗色センサ回路、及び差動増幅回路を備えるカラーセンサが提供される。カラーセンサ回路は、入射光の色成分からの光電流を受信する。カラーセンサ回路は、色成分の強度を示す第１の電圧を出力する。暗色センサ回路は、暗光電流を受信して、オフセット電圧を示す第２の電圧を出力する。差動増幅回路は、カラーセンサ回路及び暗色センサ回路に結合されている。差動増幅回路は、第１及び第２の電圧を受信し、暗光電流による第１の電圧におけるオフセット電圧の影響をキャンセルする最終出力を出力する。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に、カラーセンサの分野に関するものであり、とりわけ、カラーセンサにおける暗電流オフセット及び温度変動をキャンセルするためのシステム及び方法に関するものである。

カラーセンサの中核をなすのは、光検出器（photo detector）である。光検出器の目的は、電磁放射線を捕捉して、電子信号に変換することにある。一般に、この電子信号は、入射光の強度に比例する。従来のカラーセンサ回路は、ｐ−ｉ−ｎまたはｐｎ接合フォトダイオードを光検出器として用いる。一般に、フォトダイオードは、光エネルギを捕捉して、吸収する。電荷キャリアが生じ、フォトダイオードのｐ−ｉ−ｎまたはｐｎ接合をさっと横切って、検出可能な少量の光電流（photocurrent）を生じる。通常、フォトダイオードは、広い動作範囲にわたって線形応答を示す。

カラーセンサでは、トランスインピーダンス（trans impedance）増幅器を用いて、光電流が電圧信号に変換される。トランスインピーダンス増幅器は、高い実効入力インピーダンスを生じて、適正な電圧レベルを発生し、同時に、同様の入力インピーダンス特性を備えた従来の増幅器よりも大幅に低いＲ−Ｃ時定数を維持するので、効果的である。さらに、トランスインピーダンス増幅器は、やはり、線形応答を示し、フォトダイオードに固有の高い線形性を損なうことはない。

しかし、従来のカラーセンサの場合、カラーセンサのトランスインピーダンス増幅器からの電圧応答に悪影響を及ぼす、暗電流ヌル・オフセット（dark current null offset）及び温度変動に関する問題が生じる。先行技術の図１Ａは、カラーセンサにおける温度変動と暗色オフセット（dark color offset）の影響を例示したグラフである。先行技術の図１Ｂは、暗電流ヌル・オフセットを例示した先行技術の図１Ａの領域１００Ｂを拡大して例示したグラフである。

とりわけ、カラーセンサの場合、暗光エネルギ（dark light energy）を表わす暗電流は、電圧オフセットの一因となる。先行技術の図１Ｂに示すように、暗電流電圧オフセットは、ある事例では、検出光電流に関してゼロ・アンペアで約４ｍＶになる。この暗電流電圧オフセットは、カラーセンサのＤＣ応答に悪影響を及ぼす。すなわち、暗電流電圧オフセットは、カラーセンサからの出力電圧に悪影響を及ぼし、入射光エネルギの強度に対応する電圧の読みを誤ったものにする。

さらに、暗電流電圧オフセットの割合は、温度によって変化する。先行技術の図１Ａは、カラーセンサのトランスインピーダンス増幅器の電圧応答に対する暗電流電圧オフセットの変動の影響を例示したグラフである。すなわち、暗電流オフセットの割合は、温度上昇につれて増大する。この暗電流電圧オフセットの割合の変化は、トランスインピーダンス増幅器の応答における線形性の勾配に影響する。すなわち、Ｔ＝１００℃におけるカラーセンサの動作を表す線の勾配は、Ｔ＝２５℃におけるカラーセンサの動作を表す線の勾配よりも大きい。適切なことには、Ｔ＝２５℃におけるカラーセンサの動作を表す線の勾配は、Ｔ＝−４０℃におけるカラーセンサの動作を表す線の勾配よりも大きい。従って、カラーセンサからの電圧の読みが、ある温度範囲にわたって一定の線形応答を示さず、この結果、カラーセンサにおけるトランスインピーダンス増幅器の応答に悪影響を及ぼすので、カラーセンサは、温度に影響されやすい。

結果として、従来のカラーセンサ増幅器は、その電圧出力において暗電流ヌル・オフセットを示すので、従来のカラーセンサの欠点は、カラーセンサのＤＣ応答（ゼロ・オフセット）を減少する。さらに、もう１つの欠点は、カラーセンサのトランスインピーダンス増幅器の電圧応答の温度変動が、不都合なことに、ある温度範囲にわたるカラーセンサの電圧応答に変動をもたらすことになる、線形応答の勾配の変動の一因になるという点である。

従って、先行技術によるシステム及び方法の場合では、暗電流電圧オフセット及び温度頑健性の低下によって悪影響を受けるカラーセンサとなる。

本発明の目的は、暗電流電圧オフセットをキャンセルして、温度頑健性を高めるカラーセンサを提供することである。

カラーセンサ回路における暗光電流をキャンセルするためのシステム及び方法が開示される。カラーセンサ回路、暗色センサ（dark color sensor）回路、及び、差動増幅回路を含むカラーセンサについて解説される。カラーセンサ回路は、入射光の色成分からの光電流を受信する。カラーセンサ回路は、色成分の強度（intensity）を示す第１の電圧を出力する。暗色センサ回路は、暗光電流（dark photocurrent）を受信して、オフセット電圧を示す第２の電圧を出力する。差動増幅回路は、カラーセンサ回路及び暗色センサ回路に結合されている。差動増幅回路は、第１及び第２の電圧を受信し、暗光電流による第１の電圧におけるオフセット電圧の影響をキャンセルする最終出力を出力する。

本発明によれば、温度頑健性を高める、暗電流電圧オフセットをキャンセルするためのシステム及び方法が開示される。すなわち、本発明の実施態様は、それぞれの色成分のカラーセンサの電圧出力における暗電流電圧オフセットの影響をキャンセルすることが可能である。結果として、本発明の実施態様によれば、カラーセンサがＤＣ応答の向上を示すことによって、従来のカラーセンサよりも改善される。さらに、暗電流電圧オフセットのキャンセルに関するもう１つの利点として、カラーセンサのトランスインピーダンス増幅器の電圧応答の勾配が温度に応じて変動しないので、本発明の実施態様では、温度頑健性の向上が示される。

次に、図２Ａ、図２Ｂ、及び、図２Ｃを参照すると、本発明の実施態様に従って、カラーセンサにおける暗電流電圧オフセットのキャンセルを施すことに関する概略図が開示されている。図２Ａ、図２Ｂ、及び、図２Ｃの概略図によれば、暗電流電圧オフセットに関連した問題が克服され、従って、より優れたカラーセンサのＤＣ応答（ゼロ・オフセット）及び温度頑健性の向上が得られる。図２Ａ、図２Ｂ、及び、図２Ｃに描かれた本発明の実施態様については、色成分に関して解説される。本発明の実施態様は、赤色、緑色、及び、青色の色成分を用いて解説されるが、本発明の他の実施態様は、他の色成分にもうまく適応する。

図２Ａは、本発明の実施態様の１つに従って、暗電流電圧オフセットを含む、入射光エネルギの色成分に関して、光電流及び結果生じる出力電圧を測定するカラーセンサ回路２００Ａの概略図である。カラーセンサ回路２００Ａは、入射光２０５の色成分から光電流を生じる。本発明の実施態様では、色成分には、赤色、緑色、及び、青色が含まれる。カラーセンサ回路２００Ａは、測定される入射光の色成分の強度を示す電圧ＶＣＣＯＵＴをノード２２５から出力する。

カラーセンサ回路２００Ａには、入射光エネルギ２０５からの電磁放射線を捕捉する光検出器（例えば、フォトダイオード）２１０が含まれている。光検出器は、電磁放射線から光電流を発生する。発生した光電流としての光検出器の出力は、トランスインピーダンス増幅器２２０の負入力（negative input）に送られる。トランスインピーダンス増幅器２２０の正入力（positive input）は、アースに接続されている。トランスインピーダンス増幅器２２０は、電圧Ｖ_ＤＤによるバイアスが印加され、接地されている。実施態様の１つでは、Ｖ_ＤＤの範囲は、約３．３ボルト〜５．０ボルトである。トランスインピーダンス増幅器２２０によって、光検出器２１０からの光電流は、入射光エネルギのそれぞれの色成分の強度を示す、ノード２２５の出力電圧ＶＣＣＯＵＴに変換される。

ノード２２５のＶＣＣＯＵＴ値は、トランスインピーダンス増幅器２２０の利得によって決まる。出力電圧ＶＣＣＯＵＴは、下記の方程式（１）で示される。
ＶＣＣＯＵＴ＝Ａ_TIA（Ｉ_{Color Component}＋Ｉ_Dark） （１）
パラメータＡ_TIAは、トランスインピーダンス増幅器２２０の利得である。また、Ｉ_{Color Component}は、入射光エネルギ２０５の色成分から測定される電流である。Ｉ_Darkは、カラーセンサ回路２００Ａによって測定される暗電流である。

図２Ａの２００Ａに示すように、光検出器２１０は、それぞれの色成分の光電流を検出し、アース及びトランスインピーダンス増幅器２２０の正入力に結合された光検出器入力を含んでいる。また、光検出器２１０には、トランスインピーダンス増幅器２２０の負入力に結合された光検出器出力も含まれている。

さらに、カラーセンサ回路２００Ａには、フィードバック抵抗素子２３０が含まれている。フィードバック抵抗素子２３０の値は、測定される色成分、フィルタ応答、フォトダイオードのスペクトル応答等のさまざまなパラメータによって決まる。フィードバック抵抗素子２３０の選択も、照度（illuminance）（光度（photometric））測定または放射照度（irradiance）（放射（radiometric））パワー強度測定に必要とされるダイナミック・レンジによって決まる。実施態様の１つでは、フィードバック抵抗素子２３０に関する値域は、０．５メガオーム〜２００メガオームである。

フィードバック抵抗素子２３０には、本発明の実施態様の１つによる利得選択が含まれる。これらのディジタル入力の組み合わせによって、ユーザの選好に応じてさまざまな抵抗値が設定される。抵抗値は、色成分の検知に必要な利得に基づいて選択される。一般に、フィードバック抵抗素子の値が高くなるほど、利得が大きくなり、従って、カラーセンサ回路２００Ａは色強度の変化に対する感度が高くなる。

図２Ａに示すように、フィードバック抵抗素子２３０は、一方の端部がノード２２５において出力ＶＣＣＯＵＴに結合されている。さらに、フィードバック抵抗素子２３０は、もう一方の端部がトランスインピーダンス増幅器２２０の負入力に結合されている。

カラーセンサ回路２００Ａには、補償コンデンサ（compensation capacitor）２３５も含まれている。補償コンデンサ２３５は、カラーセンサ回路２００Ａのシステム性能全体を安定化させる。補償コンデンサ２３５の一般的な値は、約２ピコファラッド〜４００ピコファラッドの範囲にわたる。また、測定される色成分は、補償コンデンサ２３５に必要なキャパシタンスに影響を及ぼす。一般に、フィードバック抵抗素子２３０の抵抗が高くなるほど、補償コンデンサ２３５のキャパシタンスが大きくなる。

図２Ａに示すように、補償コンデンサ２３５は、フィードバック抵抗素子２３０と並列をなして、ノード２２５における出力電圧ＶＣＣＯＵＴ及びトランスインピーダンス増幅器２２０の負入力に結合されている。

図２Ｂは、暗電流電圧オフセットを測定するカラーセンサ回路２００Ｂの概略図である。図２Ａ、図２Ｂ、及び、図２Ｃのカラーセンサには、図２Ａからの電圧出力ＶＣＣＯＵＴに関する基準キャンセル（reference cancellation）の形式として暗光電流を変換するため、追加トランスインピーダンス増幅器が組み込まれている。すなわち、カラーセンサ回路２００Ｂは、本発明の実施態様の１つに従って、存在しない（absent）電磁放射線からの暗い入射光エネルギに関する光電流及び結果生じる出力オフセット電圧を測定する。従って、カラーセンサ回路２００は、暗光電流を発生し、暗電流の強度を示す暗電流オフセット電圧ＶＤＯＵＴをノード２５５から出力する。カラーセンサ回路２００Ｂの構成は、カラーセンサ回路２００Ａの構成と同じである。しかし、カラーセンサ回路２００Ａは、入射光エネルギの色成分の対応する光エネルギを検出するように設計されており、カラーセンサ回路２００Ｂは、暗光電流を検出するように設計されている。

カラーセンサ回路２００Ｂには、電磁放射線を捕捉する光検出器２４０（例えば、フォトダイオード）が含まれている。入力としての電磁放射線は、円で囲んだＸで示されるように、図２Ｂには存在しないが、カラーセンサ回路２００Ｂには、ノード２５５の出力電圧ＶＤＯＵＴとして検出され、測定される暗電流が生じる。光検出器２４０は、暗光電流を発生する。発生した光電流としての光検出器の出力は、トランスインピーダンス増幅器２５０の負入力に送られる。トランスインピーダンス増幅器２５０の正入力は、アースに結合されている。トランスインピーダンス増幅器２５０は、供給電圧Ｖ_ＤＤによるバイアスを印加され、接地される。トランスインピーダンス増幅器２５０によって、光検出器２４０からの暗光電流が、カラーセンサ回路２００Ａのような、同じ条件下において動作する典型的なカラーセンサのオフセット電圧を生じることになる、ノード２５５の出力電圧ＶＤＯＵＴに変換される。

ノード２５５におけるＶＤＯＵＴの値は、トランスインピーダンス増幅器２５０の利得によって決まる。出力電圧ＶＤＯＵＴは、下記の方程式（２）で示される。
ＶＤＯＵＴ＝Ａ_TIA（Ｉ_Dark） （２）
パラメータＡ_TIAは、トランスインピーダンス増幅器２５０の利得である。Ｉ_Darkは、カラーセンサ回路２００Ｂによって測定される暗電流である。

図２Ｂの２００Ｂに示すように、光検出器２４０は、暗光電流を検出し、アース、及び、トランスインピーダンス増幅器２５０の正入力に結合された光検出器入力を含んでいる。また、光検出器２４０には、トランスインピーダンス増幅器２５０の負入力に結合された光検出器出力も含まれている。

さらに、カラーセンサ回路２００Ｂには、フィードバック抵抗素子２６０が含まれている。フィードバック抵抗素子２６０の値は、フィルタ応答、フォトダイオードのスペクトル応答等のさまざまなパラメータによって決まる。フィードバック抵抗素子２６０の選択も、照度（光度）測定または放射照度（放射）パワー強度測定に必要とされるダイナミック・レンジによって決まる。実施態様の１つでは、フィードバック抵抗素子２６０に関する値域は、０．５メガオーム〜２００メガオームである。

フィードバック抵抗素子２６０には、本発明の実施態様の１つによる利得選択が含まれる。これらのディジタル入力の組み合わせによって、ユーザの選好に応じてさまざまな抵抗値が設定される。抵抗値は、暗光電流の検知に必要な利得に基づいて選択される。一般に、フィードバック抵抗素子の値が高くなるほど、利得が大きくなり、従って、カラーセンサ回路２００Ｂの感度が高くなる。

図２Ｂに示すように、フィードバック抵抗素子２６０は、一方の端部がノード２５５において出力ＶＤＯＵＴに結合されている。さらに、フィードバック抵抗素子２６０は、もう一方の端部がトランスインピーダンス増幅器２５０の負入力に結合されている。

カラーセンサ回路２００Ｂには、補償コンデンサ２６５も含まれている。補償コンデンサ２６５は、カラーセンサ回路２００Ｂのシステム性能全体を安定化させる。補償コンデンサ２６５の一般的な値は、約２ピコファラッド〜４００ピコファラッドの範囲にわたる。一般に、フィードバック抵抗素子２６０の抵抗が高くなるほど、補償コンデンサ２６５のキャパシタンスが大きくなる。

図２Ｂに示すように、補償コンデンサ２６５は、フィードバック抵抗素子２６０と並列をなして、ノード２５５における出力電圧ＶＤＯＵＴ及びトランスインピーダンス増幅器２５０の負入力に結合されている。

図２Ｃは、本発明の実施態様の１つに従って、暗光電流による出力電圧ＶＣＣＯＵＴにおける暗電流オフセットの影響をキャンセルする差動増幅回路２００Ｃの概略図である。すなわち、差動増幅回路２００Ｃは、カラーセンサ回路２００Ａから出力電圧ＶＣＣＯＵＴを受信し、カラーセンサ回路２００Ｂから出力電圧ＶＤＯＵＴを受信して、暗光電流によるオフセット電圧の影響をキャンセルする最終出力ＶＣＣＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬを出力ノード２７５から出力する。

差動増幅回路２００Ｃには、差動演算増幅器２７０が含まれている。差動演算増幅器２７０は、暗電流電圧オフセットを補正する、図２Ａに示す入射エネルギ２０５の色成分の最終出力電圧ＶＣＣＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬをノード２７５から出力する。

方程式（３）には、下記のように、抵抗器２８０Ａ、２８０Ｂ、２８０Ｃ、及び、２８０Ｄの抵抗値が等値であると仮定して、ノード２７５のＶＣＣＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬの値が示されている。
ＶＣＣＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬ＝ＶＣＣＯＵＴ−ＶＤＯＵＴ （３）
従って、電圧ＶＣＣＯＵＴが、ほぼ暗光電流と入射光エネルギ２０５のそれぞれの色成分によって発生する光電流の両方の電圧利得の合計であるため、暗光電流の影響はキャンセルされる。結果として、暗電流オフセット電圧による相対温度係数の影響もキャンセルされ、従って、２００Ａ、２００Ｂ、及び、２００Ｃのカラーセンサを組み込んだカラーセンサの温度頑健性が向上する。

図２Ｃに示すように、差動演算増幅器２７０は、抵抗器２８０Ｂを介して、負入力において、カラーセンサ回路２００Ａのカラーセンサ出力ノード２２５からの出力電圧ＶＣＣＯＵＴを受信する。さらに、差動演算増幅器２７０は、抵抗器２８０Ｃを介して、正入力において、カラーセンサ回路２００Ｂのカラーセンサ出力ノード２５５からの出力電圧ＶＤＯＵＴを受信する。さらに、差動演算増幅器２７０に対する正入力は、もう１つの抵抗器２８０Ｄを介してアースに結合されている。

さらに、差動増幅回路２００Ｃには、フィードバック抵抗器２８０Ａが含まれている。図２Ｃの場合、フィードバック抵抗器２８０Ａは、一方の端部が差動演算増幅器２７０の負入力に結合され、もう一方の端部が電圧信号ＶＣＣＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬを送り出す出力ノード２７５に結合されている。

実施態様の１つでは、抵抗器２８０Ａ、２８０Ｂ、２８０Ｃ、及び、２８０Ｄの抵抗値は、同様である。すなわち、抵抗値は、それぞれの色成分を検出するように設計されたカラーセンサ回路２００Ａのそれぞれのフィードバック抵抗素子２３０の抵抗値に一致する。

図３は、本発明の実施態様の１つに従って、それぞれの色成分の強度の測定として入射光エネルギの電圧を生じる場合に、暗電流電圧オフセットをキャンセルすることが可能なカラーセンサ３００の概略図である。カラーセンサ３００には、図２Ａ、図２Ｂ、及び、図２Ｃに開示の本発明の実施態様が組み込まれている。

カラーセンサ３００には、複数のカラーセンサ回路が含まれている。複数のカラーセンサ回路は、それぞれ、入射光源３０５のそれぞれの色成分から光電流を発生する。さらに、複数のカラーセンサ回路は、それぞれ、そのそれぞれの色成分の強度を示す関連電圧を出力する。例えば、図３に示すように、複数のカラーセンサ回路には、赤色センサ回路３１０、緑色センサ回路３２０、及び、青色センサ回路３３０が含まれている。実施態様の１つでは、カラーセンサ回路３１０、３２０、及び、３３０は、それぞれ、カラーセンサ回路２００Ａと同じ構成が施される。

しかし、カラーセンサ回路３１０、３２０、及び、３３０は、それぞれ、異なる波長の光を捕捉するように異なる設計が施されている。例えば、カラーセンサ回路２００Ａとして構成されるカラーセンサ回路３１０は、入射光源３０５の赤色スペクトルからの電磁放射線を検出するように設計されている。カラーセンサ回路３１０は、電圧出力ＶＲＯＵＴを出力する。また、カラーセンサ回路２００Ａとして構成されるカラーセンサ回路３２０は、入射光源３０５の緑色スペクトルからの電磁放射線を検出するように設計されている。カラーセンサ回路３２０は、電圧出力ＶＧＯＵＴを出力する。さらに、カラーセンサ回路２００Ａとして構成されるカラーセンサ回路３３０は、入射光源３０５の青色スペクトルからの電磁放射線を検出するように設計されている。カラーセンサ回路３３０は、電圧出力ＶＢＯＵＴを出力する。

カラーセンサ回路３１０、３２０、及び、３３０からの出力電圧は、それぞれ、セレクタ３５０（例えば、マルチプレクサ）によって受信される。セレクタ３５０は、信号ＶＲＯＵＴ、ＶＧＯＵＴ、または、ＶＢＯＵＴの１つを選択して、入射光源３０５からの対応する色成分の強度を測定する。例えば、セレクタ３５０がＶＲＯＵＴを選択すると、入射光源３０５の赤色成分の強度がカラーセンサ３００において測定される。

さらに、カラーセンサ３００には、暗色センサ回路３４０が含まれている。暗色センサ回路３４０は、暗光電流を発生して、暗電流オフセット電圧ＶＤＯＵＴを出力する。暗色センサ回路３４０は、図２Ｂのカラーセンサ回路２００Ｂと同様の構成が施されている。暗色センサ回路３４０は、後続のセレクタ３５０によって選択される電圧出力からのキャンセルに備えて、暗光電流をある形式の基準オフセット電圧に変換する。従って、暗色センサ回路３４０は、暗光電流を発生し、暗電流の強度を示す暗電流オフセット電圧ＶＤＯＵＴを出力する。

センサ回路３００には、差動増幅回路３６０が含まれている。差動増幅回路３６０は、暗光電流による、測定される出力電圧ＶＣＣＯＵＴにおける暗電流オフセットの影響をキャンセルすることが可能である。差動増幅回路３６０は、図２Ｃの差動増幅回路２００Ｃと同様の構成が施されている。すなわち、差動増幅回路３６０は、セレクタ３５０から選択された電圧出力ＶＣＣＯＵＴを受信し、暗色センサ回路３４０から暗電流電圧オフセットＶＤＯＵＴを受信する。差動増幅回路３６０は、暗光電流によるオフセット電圧の影響をキャンセルする最終出力ＶＣＣＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬをノード３６５から出力する。

図３に示すように、電圧ＶＣＣＯＵＴは、本質的に暗光電流と入射光源３０５のそれぞれの色成分によって発生する光電流の両方の電圧利得の合計であるため、暗光電流の影響は、差動増幅回路３６０においてキャンセルされる。結果として、暗電流オフセット電圧による相対温度係数の影響もキャンセルされ、従って、カラーセンサ３００の温度頑健性が向上する。

前述のように、差動増幅回路３６０における抵抗器の抵抗値は、それぞれの色成分の強度が測定されているそれぞれのカラーセンサ回路３１０、３２０、及び、３３０におけるフィードバック抵抗器の抵抗と一致すべきである。しかし、１つの差動増幅器３６０だけしか存在しないので、差動増幅器３６０における抵抗値は、赤色センサ回路３１０、緑色センサ回路３２０、及び、青色センサ回路３３０におけるフィードバック抵抗素子のうちで最も低い抵抗器利得が選択された抵抗に一致すべきである。

実施態様の１つでは、最終出力ＶＣＣＯＵＴは、適正な変換器を用いて、ディジタル形式またはアナログ形式で提供することが可能である。この最終出力は、色成分のそれぞれからの必要なＶＣＣＯＵＴ情報による入射光源３０５の再構成を含む後続処理のため、プロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ）に提供することが可能である。

図４は、本発明の実施態様の１つに従って、それぞれの色成分の強度の測度として入射光源の電圧を生じる場合に、暗電流電圧オフセットをキャンセルすることが可能なカラーセンサ４００の概略図である。カラーセンサ４００には、図２Ａ、図２Ｂ、及び、図２Ｃに開示の本発明の実施態様が組み込まれている。

カラーセンサ４００には、複数のカラーセンサ回路が含まれている。複数のカラーセンサ回路は、それぞれ、入射光源４０５の色成分から光電流を発生する。さらに、複数のカラーセンサ回路は、それぞれ、そのそれぞれの色成分の強度を示す関連電圧を出力する。例えば、図４に示すように、複数のカラーセンサ回路には、赤色センサ回路４１０、緑色センサ回路４２０、及び、青色センサ回路４３０が含まれている。実施態様の１つでは、カラーセンサ回路４１０、４２０、及び、４３０は、それぞれ、カラーセンサ回路２００Ａと同じ構成が施される。

しかし、カラーセンサ回路４１０、４２０、及び、４３０は、それぞれ、異なる波長の光を捕捉するように異なる設計が施されている。例えば、カラーセンサ回路２００Ａとして構成されるカラーセンサ回路４１０は、入射光源４０５の赤色スペクトルからの電磁放射線を検出するように設計されている。カラーセンサ回路４１０は、電圧出力ＶＲＯＵＴを出力する。また、カラーセンサ回路２００Ａとして構成されるカラーセンサ回路４２０は、入射光源４０５の緑色スペクトルからの電磁放射線を検出するように設計されている。カラーセンサ回路４２０は、電圧出力ＶＧＯＵＴを出力する。さらに、カラーセンサ回路２００Ａとして構成されるカラーセンサ回路４３０は、入射光源４０５の青色スペクトルからの電磁放射線を検出するように設計されている。カラーセンサ回路４３０は、電圧出力ＶＢＯＵＴを出力する。

さらに、カラーセンサ４００には、暗色センサ回路４４０が含まれている。暗色センサ回路４４０は、暗光電流を発生して、暗電流オフセット電圧ＶＤＯＵＴを出力する。暗色センサ回路４４０は、図２Ｂのカラーセンサ回路２００Ｂと同様の構成が施されている。暗色センサ回路４４０は、後続のカラーセンサ４１０、４２０、及び、４３０から出力される対応する電圧からのキャンセルに備えて、暗光電流をある形式の基準オフセット電圧に変換する。従って、暗色センサ回路４４０は、暗光電流を発生し、暗電流の強度を示す暗電流オフセット電圧ＶＤＯＵＴを出力する。

カラーセンサ４００には、複数の差動増幅回路４１５、４２５、及び、４３５も含まれている。複数の差動増幅回路は、それぞれ、複数のカラーセンサ回路における関連カラーセンサ回路に対応する。これは、差動増幅回路の抵抗器の抵抗値と、対応するカラーセンサ回路のフィードバック抵抗素子の抵抗を一致させることである。例えば、差動増幅回路４１５は、赤色センサ回路４１０に関連しており、差動増幅回路４１５と赤色センサ回路４１０の抵抗器の値を一致させるように設計されている。また、差動増幅回路４２５は、緑色センサ回路４２０に関連しており、差動増幅回路４２５と緑色センサ回路４２０の抵抗器の値を一致させるように設計されている。さらに、差動増幅回路４３５は、青色センサ回路４３０に関連しており、差動増幅回路４３５と青色センサ回路４３０の抵抗器の値を一致させるように設計されている。

複数の差動増幅回路４１５、４２５、及び、４３５は、それぞれ、測定されている関連出力電圧ＶＣＣＯＵＴにおける暗光電流による暗電流オフセットの影響をキャンセルすることが可能である。複数の差動増幅回路は、それぞれ、図２Ｃの差動増幅回路２００Ｃと同様の構成が施されており、暗光電流による暗電流電圧オフセットを補正する最終出力電圧を出力する。

すなわち、差動増幅回路４１５は、赤色センサ回路４１０から電圧出力ＶＲＯＵＴを受信し、暗色センサ回路４４０から暗電流電圧オフセットＶＤＯＵＴを受信する。差動増幅回路４１５は、ノード４１７から入射光源４０５の赤色成分の強度を示す最終出力ＶＲＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬを出力する。最終出力ＶＲＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬは、暗光電流によるオフセット電圧の影響をキャンセルする。

さらに、差動増幅回路４２５は、緑色センサ回路４２０から電圧出力ＶＧＯＵＴを受信し、暗色センサ回路４４０から暗電流電圧オフセットＶＤＯＵＴを受信する。差動増幅回路４２５は、ノード４２７から入射光源４０５の緑色成分の強度を示す最終出力ＶＧＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬを出力する。最終出力ＶＧＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬは、暗光電流によるオフセット電圧の影響をキャンセルする。

また、差動増幅回路４３５は、青色センサ回路４３０から電圧出力ＶＢＯＵＴを受信し、暗色センサ回路４４０から暗電流電圧オフセットＶＤＯＵＴを受信する。差動増幅回路４３５は、ノード４３７から入射光源４０５の青色成分の強度を示す最終出力ＶＢＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬを出力する。最終出力ＶＢＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬは、暗光電流によるオフセット電圧の影響をキャンセルする。

実施態様の１つでは、最終出力ＶＲＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬ、ＶＧＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬ、及び、ＶＢＯＵＴ＿ＦＩＮＡＬは、適正な変換器を用いて、ディジタル形式またはアナログ形式で提供することが可能である。これらの最終出力は、入射光源４０５の再構成を含む、後続処理に備えて、プロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ）に提供される。

図５は、本発明の実施態様の１つに従って、カラーセンサにおける暗電流オフセット電圧をキャンセルするための方法のステップを例示した流れ図５００である。流れ図５００の方法は、暗電流電圧オフセットに関連した問題を克服することが可能であり、従って、より優れたカラーセンサのＤＣ応答（ゼロ・オフセット）及び温度頑健性の向上が得られる。

５１０において、本実施態様では、入射光源の色成分の強度に関連した第１の電圧が測定される。第１の電圧には、前述のように、入射光源の色成分からの電磁エネルギと、暗電流電圧オフセットからの影響が含まれている。

５２０において、本実施態様では、第１の電圧の測定に影響を及ぼしている、暗光電流すなわち暗電流オフセットに関連した暗電流電圧オフセットが測定される。これは、暗光電流を変換することによって実施される。次に、暗電流電圧オフセットは、後続の第１の電圧からのキャンセルのために基準オフセット電圧として利用される。

５３０において、本実施態様では、第１の電圧から暗電流オフセット電圧を差し引いて、第１の電圧における暗電流オフセットの影響をキャンセルする。従って、暗電流電圧オフセットを補正する、対応する色成分の真の強度を表わした最終出力電圧が得られる。

もう１つの実施態様の場合、この方法によって、複数のカラーセンサ回路からの複数の暗電流電圧オフセットがキャンセルされる。すなわち、本実施態様では、入射光源のそれぞれの色成分の強度に関連した複数の電圧が測定される。暗光電流に関連した暗電流電圧オフセットも測定される。次に、暗電流電圧オフセットは、後続の複数の電圧のそれぞれからのキャンセルのために、基準オフセット電圧として利用される。次に、本実施態様では、複数の電圧のそれぞれからオフセット電圧を差し引いて、暗電流電圧オフセットをキャンセルする。従って、本実施態様によれば、それぞれ、暗電流電圧オフセットを補正する、それぞれの色成分の強度表わした複数の最終出力電圧が得られる。

フローチャート５００に例示の実施態様の方法には、特定のシーケンス及び量のステップが示されているが、本発明は、代替実施態様にも適合する。例えば、本発明にとって、この方法のために設けられたステップの全てが必要というわけではない。さらに、本実施態様において提示のステップに追加ステップを加えることも可能である。同様に、用途に応じて、ステップのシーケンスを変更することも可能である。

本発明の望ましい実施態様である、カラーセンサにおける暗電流電圧オフセットをキャンセルするためのシステム及び方法の説明は以上のとおりである。本発明は特定の実施態様に関して解説されたが、当然明らかなように、本発明は、こうした実施態様による制限に従って構成すべきではなく、付属の請求項に従って構成すべきである。

ある温度範囲にわたる暗電流電圧オフセットの悪影響を例示した先行技術のグラフである。 暗電流電圧オフセットの悪影響を例示した先行技術のグラフである。 本発明の一実施態様による、色成分からの光エネルギを捕捉するために用いられるカラーセンサ回路の概略図である。 本発明の一実施態様による、暗電流の測定に用いられる暗色センサ回路の概略図である。 本発明の一実施態様による、暗電流電圧オフセットをキャンセルするための差動回路の概略図である。 本発明の一実施態様による、暗電流電圧オフセットをキャンセルするための１つの差動回路を含むカラーセンサ回路の概略図である。 本発明の一実施態様による、暗電流電圧オフセットをキャンセルするための複数の差動回路を含むカラーセンサ回路の概略図である。 本発明の一実施態様による、カラーセンサ回路における暗電流電圧オフセットをキャンセルする方法におけるステップを例示した流れ図である。

符号の説明

２００ トランスインピーダンス増幅器
２００Ａ カラーセンサ回路
２００Ｂ 暗色センサ回路
２００Ｃ 差動増幅回路
２０５ 入射光
２１０ 光検出器
２２０ トランスインピーダンス増幅器
２３０ フィードバック抵抗器
２３５ 補償コンデンサ
２４０ 光検出器
２５０ トランスインピーダンス増幅器
２６０ フィードバック抵抗器
２６５ 補償コンデンサ
２７０ 差動増幅器
２８０Ａ フィードバック抵抗器
２８０Ｂ 第１の抵抗器
２８０Ｃ 第２の抵抗器
２８０Ｄ 第３の抵抗器

Claims (8)

1. 入射光の色成分から光電流を発生させ、該色成分の強度を示す第１の電圧を出力するカラーセンサ回路と、
   暗光電流を発生させ、オフセット電圧を示す第２の電圧を出力する暗色センサ回路と、
   前記カラーセンサ回路及び前記暗色センサ回路に結合され、前記第１の電圧及び前記第２の電圧を受け取り、前記暗光電流による前記第１の電圧内の前記オフセット電圧の影響をキャンセルする最終出力を出力する差動増幅回路と、
   を有するカラーセンサ。
2. 前記カラーセンサ回路が、
   前記第１の電圧を出力するための出力、負入力、及び、正入力を含むトランスインピーダンス増幅器と、
   一方の端部が前記出力に結合され、もう一方の端部が前記負入力に結合されたフィードバック抵抗器と、
   前記フィードバック抵抗器と並列をなすように、前記出力と前記負入力に結合された補償コンデンサと、
   アース及び前記正入力に結合された光検出器入力と、前記負入力に結合された光検出器出力とを含み、前記色成分の前記光電流を検出する光検出器と、
   を有する、請求項１に記載のカラーセンサ。
3. 前記暗色センサ回路が、
   前記第２の電圧を出力するための出力、負入力、及び、正入力を含むトランスインピーダンス増幅器と、
   一方の端部が前記出力に結合され、もう一方の端部が前記負入力に結合されたフィードバック抵抗器と、
   前記フィードバック抵抗器と並列をなすように、前記出力と前記負入力に結合された補償コンデンサと、
   アース及び前記正入力に結合された光検出器入力と、前記負入力に結合された光検出器出力とを含み、前記暗光電流を検出する光検出器と、
   を有する、請求項１に記載のカラーセンサ。
4. 前記差動増幅回路が、
   前記最終出力を出力するための出力、正入力、及び、負入力を含む差動増幅器と、
   一方の端部が前記負入力に結合され、もう一方の端部が前記出力に結合された、任意の抵抗値を備えるフィードバック抵抗器と、
   前記第１の電圧を出力するカラーセンサ出力及び前記負入力と直列に結合された、前記抵抗値を備える第１の抵抗器と、
   前記第２の電圧を出力する前記暗色センサ回路の前記暗色センサ出力及び前記正電圧と直列に結合された、前記抵抗値を備える第２の抵抗器と、
   前記正入力及びアースと直列に結合された、前記抵抗値を備える第３の抵抗器と、
   を有する、請求項１に記載のカラーセンサ。
5. 前記抵抗値が前記カラーセンサ回路内のフィードバック抵抗器の抵抗とほぼ等しい、請求項４に記載のカラーセンサ。
6. 前記色成分が赤色を含む、請求項１に記載のカラーセンサ。
7. 前記色成分が緑色を含む、請求項１に記載のカラーセンサ。
8. 前記色成分が青色を含む、請求項１に記載のカラーセンサ。
   

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