JP2010271194A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 消費電流をあまり大きくしないでも暗い場合にも十分な分解能を有する光検出装置を提供する。
【解決手段】 上記課題を解決するために、フォトダイオードに発生した電荷を一定時間蓄積し、蓄積した電荷をアンプで増幅して、出力を得る電荷蓄積方式を用いるようにし、さらに、蓄積時間を切り替えることで、回路の出力が照度の対数を区分的に直線で近似した特性となるようにした。暗い場合にも十分な分解能を有することが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光電変換素子の光電流を電圧に変換する光検出装置に関する。

光検出装置は、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの光電変換素子に光が入射したときに光の照度に応じて生成される光電流を電圧に変換して出力する。

フォトダイオード、フォトトランジスタなどの光電変換素子で発生する光電流は照度に比例する。そこで、光電流を電圧に変換する従来の光電変換回路には出力電圧の出力形態として、光の照度に比例する電圧を出力するものと、光の照度の対数に比例する電圧を出力するものがある。

たとえば、図4に示す特許文献１の光検出装置は、光によりフォトダイオード１に発生した光電流を抵抗３によりアンプ２で電圧変換する方式となっており、出力電圧はフォトダイオードで発生した電流の大きさの一次式として得られる。これにより光の照度に比例する電圧を得ることが可能である。

また、たとえば、図5に示す特許文献２の光検出装置は、光電変換素子であるフォトトランジスタ４にダイオード１を直列に接続し、ダイオードの電流電圧特性が指数関数であることを利用し、出力電圧がフォトトランジスタで発生した光電流の大きさの対数に比例するようにアンプ２と抵抗３を配置してある。光電流の大きさは照度に比例するので、光の照度の対数に比例する出力が得られることになる。そのために、照度が小さくなるほど照度検出の分解能を高くすることが可能である。

特開平１１−２１１５６３号公報 特開２００５−２４１３０６号公報

ここで、光の照度の対数に比例する出力を得る場合、次のような問題が生ずる。

第一に光検出装置の消費電流が大きくなることである。これは出力電圧を得るために光電変換素子に継続的に電流を流す必要があることと、ＳＮ比を改善し、十分な感度を得るためには、受光素子に流れる電流を大きくする必要があるためである。第二に回路の出力が対数になっているのでデジタル回路を用いてその後の信号処理を簡便に精度良くできないことである。

そこで、上記課題を解決するために、フォトダイオードに発生した電荷を一定時間蓄積し、蓄積した電荷をアンプで増幅して、出力を得る電荷蓄積方式を用いるようにし、さらに、蓄積時間を切り替えることで、回路の出力が照度の対数を区分的に直線で近似した特性となるようにした。

具体的には、光電変換素子へ入射する光の照度に応じて発生する光電流を電圧に変換する光検出装置であって、前記光電変換素子に発生した前記光電流を一定の蓄積時間の間電荷として蓄積し、前記蓄積された電荷を増幅して、出力電圧を得るとともに、前記蓄積時間を切り替えることで、前記出力電圧は照度の対数を区分的に直線で近似した特性を有する光検出装置とした。

電荷蓄積方式を用いることで、電流電圧変換方式に比べて、消費電力を削減することができる。また、回路の出力が対数を区分的に直線で近似した特性を有するので、照度に比例した電圧を出力するリニアタイプに比べて、広いダイナミックレンジの出力が可能である。複数のリニア特性を組み合わせることで、目的システムに合わせて最適な照度−電圧変換特性が実現できる。回路の規模においては、リニアタイプをベースに小規模な回路の追加により、実現が可能である。

本願発明に係る光検出装置の実施例を説明するためのブロック図である。 切り替え手段の実施例を説明するためのブロック図である。 本願発明に係る光検出装置の動作を説明するための図である。 光の照度に比例する電圧を出力する従来の光検出装置を説明する回路図である。 光の照度の対数に比例する電圧を出力する従来の光検出装置を説明する回路図である。

図１は、本実施の形態に係る光検出装置１０の構成を説明するための図である。

光検出装置１０は、例えば、外界の照度を測定する照度計として用いられ、例えば、携帯電話の液晶表示画面においてバックライトの輝度を調節するために用いられる。

入射光の照度に応じた光電流を発生する光電変換素子であるフォトダイオード１は逆バイアスとなるようアノード端子は接地され、カソード端子は、アンプ１３に接続すると共にスイッチ１７を介して直流電源１９に接続されている。スイッチ１７は、トランジスタなどのスイッチング素子で構成されており、リセット回路１６からのリセット信号によってフォトダイオード１と直流電源１９の接続をオンオフする。アンプ１３は、オペアンプなどの増幅回路によって構成されており、フォトダイオード１のカソード端子の電圧を検知してこれを増幅し、サンプルホールド回路１５と切り替え手段２０に接続する。アンプ１３は、例えば、入力インピーダンスを無限大としてフォトダイオード１から電流が流入しないようになっており、フォトダイオード１に生じている電圧に影響を与えずにこれを増幅することができる。直流電源１９は、例えば、定電圧回路によって構成されており、スイッチ１７がオンすると、フォトダイオード１のカソード端子を基準電圧にする。

一方、スイッチ１７がオフとなると、カソード端子が電気的に開放端状態（フローティング状態）となって光強度に応じた電荷がフォトダイオード１に蓄積される。この場合、フォトダイオード１は、直流電源１９によって逆方向にバイアスされていたため、カソード端子の電圧は、フォトダイオード１に生じた電子によって低下する。

このように、フォトダイオード１に蓄積された電荷の量を電圧として検知することができる。そして、この低下の速さは、電子の生成される速さ、即ち、光強度に反比例する。

再度、スイッチ１７がオンすると、フォトダイオード１に蓄積された電荷が初期状態にリセットされ、カソード端子の電圧は基準電圧となる。リセット回路１６は、切り替え手段２０の判定結果によりリセット間隔を切り替え、リセット信号を所定間隔でスイッチ１７に送信し、これらを同時にオンオフする。そして、リセット回路１６は、スイッチ１７をオンとすることによりフォトダイオード１のカソード端子の電圧を基準電圧に（即ち、フォトダイオード１に蓄積された電荷を初期値に）リセットし、オフすることによりフォトダイオード１に電荷を蓄積させる。

このように、リセット回路１６とスイッチ１７は、受光素子の端子を開放端状態にすることにより、当該受光素子が発生した電荷を蓄積させる蓄積手段として機能すると共に、受光素子の所定の電極（この場合カソード端子）を所定の定電圧源（直流電源１９）に接続することにより、当該受光素子に蓄積された電荷をリセットするリセット手段として機能している。

サンプルホールド回路１５は、例えば、オペアンプとスイッチ、抵抗、コンデンサで構成することが可能であり、アンプ１３から出力された電圧を、切り替え手段２０が生成したタイミングにて、アンプ１３の出力レベルを保持する。この保持した電圧を出力手段１２へ出力する。このように、サンプルホールド回路１５は、受光素子（フォトダイオード１）に蓄積させた電荷の測定値を取得する手段として機能すると共に、次の測定までの当該取得した出力を保持する手段として機能している。

以上の説明では光の照度に応じた光電流を出力する光電変換素子としてフォトダイオードを用いたが、フォトトランジスタを用いることも可能であり、さらに他のセンサを用いることも可能である。

次に、図２を用いて切り替え手段２０の構成を具体的に説明する。切り替え手段２０は、比較回路２１、スイッチ回路２５、基準電圧源２２，２３，２４によって構成されており、アンプ１３の出力電圧を所定の電圧と大小比較を行い、その判定結果からリセット回路１６のリセット間隔を切り替えるための信号と、サンプルホールド回路１５のサンプリング・ホールド信号と、出力手段１２のリファレンス電圧と、を生成する。スイッチ回路２５は各信号のタイミングを取り、基準電圧２３、２４をタイミングよく切り替えるためのタイミング回路２６を有している。

出力手段１２は、オペアンプなどを用いた演算増幅器によって構成されており、切り替え手段を構成するスイッチ回路２５が生成したリファレンス電圧とサンプルホールド回路１５が保持する光強度に比例した電圧とを加算などの演算処理により受光した光強度に対してユニークな出力を行う。これによって外界の照度を判定することができる。

また、図示しないが、出力手段１２は、例えば、液晶表示装置のバックライトの輝度を調節する輝度調節部に接続しており、当該輝度調節部は、出力手段１２の電圧値により液晶表示装置のバックライトの輝度を調節するようになっている。ここで液晶表示装置は、画像を表示する画像表示手段として機能しており、輝度調節部は、出力手段１２が判別した明るさに応じて画像表示手段の輝度を調節する輝度調節手段として機能している。

以上のように構成された光検出装置１０の動作原理について図３を用いて説明する。

蓄積電荷の光強度（光電流）による電圧低下をΔＶ（基準電圧との電圧差）とすると、光強度（光電流）Ｉと蓄積電荷Ｑとの関係はＱ＝ＣΔＶ、また、光電流Ｉと蓄積時間Ｔと蓄積電荷Ｑとの関係はＱ＝ＩＴとなり、電位差ΔＶはΔＶ＝ＩＴ／Ｃと表すことができる。すなわち、Ｔ／Ｃを定数とすると、光電流I は電位差ΔＶによって表すことが可能である。回路構成上、ΔＶには上限値（飽和電圧）があるため、蓄積時間Ｔを可変とし複数設けることで広い範囲の光電流が測定出来ることとなる。

２つの蓄積時間Ｔ１、Ｔ２における光強度（光電流）Ｉと蓄積電荷による電位差ΔＶとの特性を図３（ａ）に示す。Ｖｓは飽和電圧であり、蓄積時間Ｔ１、Ｔ２の双方において共通の値である。ｉ１は蓄積時間Ｔ１における最大の光強度（光電流）であり、ｉ２は蓄積時間Ｔ２における最大の光強度（光電流）である。ここでのΔＶの値はそれぞれの蓄積時間Ｔ１、Ｔ２における光強度（光電流）に対応した蓄積電荷の光強度（光電流）による電圧低下ΔＶ（基準電圧との電圧差）を表す。Ｖｔは蓄積時間Ｔ１における光強度（光電流）ｉ２に対する電位差ΔＶの検出値である。

人間の目の光の強度の感じ方は光強度に対してリニアな感覚をもたず、対数的な感覚である。たとえば、暗いところでは１Ｌｕｘの変化を感じ取ることができるが、明るいところでは、１００Ｌｕｘの変化も感じ取ることができない。すなわち、暗い環境では感度が高く（敏感）、明るい環境では感度が低い（鈍感）。

図３（ａ）に示すように蓄積時間Ｔ１，Ｔ２において飽和電圧Ｖｓが同じ電圧であるため、光強度（光電流）に対する検出値は蓄積時間Ｔ１では検出範囲が広くなり、蓄積時間Ｔ２では狭くなる。これは、蓄積時間が短くなれば低分解能（低感度）、蓄積時間が長くなれば高分解能（高感度）であることを示す。

人間の目に近い特性を得るには、明るい環境では低感度（蓄積時間を長く）、暗い環境では高感度（蓄積時間を短く）にするようにすればよい。

次に、感度切り替えの動作原理について説明する。

図３（ｂ）は蓄積時間Ｔ１と蓄積時間Ｔ２におけるΔＶとＩのリニア特性を合成した特性を示したものである。図３（ａ）では蓄積時間Ｔ１と蓄積時間Ｔ２とでは同じ電圧レンジをもつため、Ｔ１とＴ２におけるΔＶが識別できない。ところが、蓄積時間Ｔ１とＴ２には、Ｔ２＞Ｔ１の関係があるため、蓄積時間の上ではＴ１の最終時点はＴ２の蓄積時間に含まれるため、Ｔ１の最終時点における判定後、蓄積時間をＴ１からＴ２へ変更（延長）することが可能である。

Ｔ１の最終時点でΔＶがＶｔより大か小か判定して、大であればΔＶに（Ｖｓ−Ｖｔ）を加算して検出値とし、小であれば蓄積時間をＴ１からＴ２へ変更（延長）してＴ２の最終時点のΔＶを検出値とする。こうすることで、図３（ｂ）のように、蓄積時間Ｔ１と蓄積時間Ｔ２における２つのリニア特性を合成することができる。

この結果、光強度（光電流）Ｉが０〜ｉ２までの暗い環境では蓄積時間Ｔ２である高感度なリニア特性、ｉ２〜ｉ１の明るい環境では蓄積時間Ｔ１である低感度なリニア特性と人間の感覚に近い出力特性が得られる。

本発明の特徴は人間の感覚に近くするため、明るい環境と暗い環境での光強度の測定値をもとに蓄積時間を変更して、感度を切り替え、広いダイナミックレンジの出力を得ることである。

以下に回路動作について説明する。

まず、蓄積時間Ｔ１のタイミングに対応したリセット信号がリセット回路１６から出力され、スイッチ１７をオンすると、直流電源１９により、フォトダイオード１のカソード端子は基準電圧となり、フォトダイオード１に蓄積されている電荷が初期値にリセットされる。

次に、リセット回路１６がスイッチ１７をオフすると、フォトダイオード１は、直流電源１９から切り離され、またアンプ１３の入力インピーダンスが無限大であるため、カソード端子が電気的に回路から切り離された開放端状態となる。この場合、フォトダイオード１は、図中の破線枠に示したように、ＰＮ接合面がコンデンサと同様に作用し、光によって生じた電荷を蓄積する。そして、直流電源１９によって逆方向にバイアスされていたため、フォトダイオード１に蓄積される電荷によってカソード端子の電圧が光の強度に応じた速さで下がっていく。

アンプ１３は、フォトダイオード１のカソード端子の電圧を検知してこれを増幅し、サンプルホールド回路１５と切り替え手段２０に出力する。

切り替え手段２０は、アンプ１３の出力ΔＶと所定の比較電圧Ｖｔとを蓄積時間Ｔ１のタイミングで比較を行う。
この比較において、ΔＶ＞Ｖｔの場合、切り替え手段２０は
（１）リセット回路１６へリセット間隔の切り替えは行わない。（蓄積時間Ｔ１のタイミングに対応したリセット信号を出力する）
（２）サンプルホールド回路１５へサンプルリング・ホールド信号を送り、サンプルホールド回路１５はアンプ１３の出力ΔＶを保持する。（蓄積時間Ｔ１のタイミングでアンプ１３の出力ΔＶを保持する）
（３）出力手段１２へリファレンス電圧Ｖｓを出力し、出力手段１２はΔＶ＋Ｖｓ（Ｖ）の電圧を演算して、光強度に対応した電圧を出力する。

ΔＶ＜Ｖｔの場合、切り替え手段２０は
（１）リセット回路１６へリセット間隔をＴ２に切り替える。（蓄積時間Ｔ１のタイミングではリセット信号を出力せず、蓄積時間Ｔ２のタイミングに対応したリセット信号を出力する）
（２）Ｔ１のタイミングではサンプルホールド回路１５へサンプルリング・ホールド信号を送らない。比較手段１２は次のＴ２のタイミングでサンプリング・ホールド信号を送り、アンプ１３の出力ΔＶを保持する。（蓄積時間Ｔ２のタイミングでアンプ１３の出力ΔＶを保持する）
（３）Ｔ１のタイミングでは出力手段１２へリファレンス電圧の切り替えを行わず、Ｔ２のタイミングで０Ｖを出力し、出力手段１２はΔＶ＋０（Ｖ）の電圧を演算して、光強度に対応した電圧を出力する。

このようにして、光検出装置１０は図３（ｂ）に示すような光強度（光電流）が暗い環境ではＴ２の高感度なリニア特性、そして、明るい環境ではＴ１の低感度リニア特性が得られる。これにより、人間の目の感度特性に合わせたシステム構築に好適な光検出装置を提供することが可能である。また、フォトダイオードに電荷を蓄積する電荷蓄積方式を用いているので光検出装置の消費電流は小さくすることが可能である。

本実施例ではＴ１タイミングのリファレンス電圧をＶｓ（Ｖ）、Ｔ２タイミングのリファレンス電圧を０（Ｖ）としたが、出力手段のアンプ特性等により、変更することが可能である。また、２つのリニア特性を合成した場合について説明したが、同様の方法で３つ以上のリニア特性を合成することも可能である。

本実施例では一つのフォトダイオードの分光特性を用いているが、望みの分光特性が得られるように２つの異なる分光特性を有する受光素子（フォトダイオード）をアンプへ入力することも可能である。

１ フォトダイオード
１０ 光検出装置
１２ 出力手段
１３ アンプ
１５ サンプルホールド回路
１６ リセット回路
１７ スイッチ
１９ 直流電源
２０ 切り替え手段
２１ 比較回路
２２、２３、２４ 基準電圧源
２５ スイッチ回路
２６ タイミング回路

Claims (3)

1. 光電変換素子へ入射する光の照度に応じて発生する光電流を電圧に変換する光検出装置であって、
   前記光電変換素子に発生した前記光電流を一定の蓄積時間の間電荷として蓄積し、前記蓄積された電荷を増幅して、出力電圧として出力するとともに、前記蓄積時間を切り替えることで、前記出力電圧は前記光の照度の対数をとった値を区分的に直線で近似した特性を有している光検出装置。
2. 光電変換素子へ入射する光の照度に応じて発生する光電流を電圧に変換する光検出装置であって、
   逆バイアスされたフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードの一端に接続されたアンプと、
   前記フォトダイオードを一定の電圧にリセットするためにスイッチを介して前記フォトダイオードに接続された直流電源と、
   前記スイッチを制御するリセット回路と、
   前記アンプの出力に接続されたサンプルホールド回路と、
   前記サンプルホールド回路の出力に接続された出力手段と、
   前記アンプの出力に接続され、前記アンプの出力に応じて蓄積時間を切り替え、前記出力手段からの出力電圧が、前記光の照度の対数をとった値を区分的に直線で近似した特性を有するように前記サンプルホールド回路、前記リセット回路および前記出力手段を制御する切り替え手段と、を有する光検出装置。
3. 前記切り替え手段は、
   前記アンプの出力を受ける比較回路と、
   前記比較回路の出力を受けるタイミング回路を有するスイッチ回路と、からなる請求項２記載の光検出装置。