JP4276119B2 - 低ノイズ光受信機 - Google Patents

Description

本発明は光センサと、出力信号を発生するための処理手段とを備えた低ノイズ光受信機に関する。

信号伝送のために光を電気信号へ変換する時の条件は変わることがあり、多数の実現例が可能である。しかしながら、ほとんどどのケースでも受信した光の信号の所定のバンド幅および強度でできるだけノイズが少なくなるような変換をすべきである。

光信号を電気信号に変換するのに部品としてフォトダイオードが極めてよく使用されている。多くのケースでは、このフォトダイオードは他の変換器よりも優れている。フォトダイオードによって送られる電気信号は通常極めて微弱であるので、この電気信号を利用できるようにするにはアンプによって増幅しなければならない。受信された光の所定のバンド幅および強度では、アンプの出力端で利用できる信号の信号対ノイズ比は主にフォトダイオードとアンプにより決定される。対応する従来技術に関する文献として、例えば１９９６年、ニューヨーク州のマグロウヒル社によって出版された書籍、ジェラルド・Ｇ・グレム著「フォトダイオードアンプ」を挙げることができる。

図１はフォトダイオード１０およびアンプ２０を含む、一般に使用される回路配置を示す。フォトダイオード１０はアンプ２０の反転入力端２１へ接続されており、付加抵抗器１５’を介してアンプ２０の出力端２３に接続されている。フォトダイオード１０が光源９から発せられる光信号を受信する時に、出力端２３で測定される電圧Ｖ_ｏｕｔは、基本的にはフォトダイオード１０が発生する電流に比例する。従って、図１の回路アセンブリは電流−電圧変換器として働く。

図１に示された回路アセンブリのノイズ源はフォトダイオード１０および負荷抵抗器１５’である。他方、アンプ２０が発生するノイズは、センサに応用した場合存在し得る大強度の周辺光内では無視できる大きさである。熱ノイズに起因し、負荷抵抗器１５’はノイズ全体の主要部分を占めるノイズ電流を発生する。次に、図１に示された回路アセンブリの基本的な欠点は、光源９に大強度の周辺光（例えば日中の態様では、例えば１００,０００ルクス）が重ねられた場合でも、アンプ２０が飽和しないよう、負荷抵抗器１５’の大きさを定めなければならないことである。抵抗器１５’の負荷抵抗値を比較的小さく選択することによってアンプ２０が飽和することを防止できる。１ｍｍ^２のチップ表面積を有するフォトダイオードの場合、例えばこの抵抗値はほぼＲ_ｆ＝２２キロオームに等しい。しかしながら、抵抗値Ｒ_ｆが小さい値である場合、抵抗器１５’が発生する熱ノイズ電流は、当然比較的大きい値となる。このことは、次の式１によって示される。

ここで、
ｉ_ｎｔ＝熱ノイズ電流［Ａ］
ｋ＝ボルツマン定数、１．３８×１０^−２３ＪＫ^−１
Ｔ＝ケルビン温度［Ｋ］
Δｆ＝ノイズバンド幅［ヘルツ］
Ｒ_ｆ＝負荷抵抗［オーム］

しかしながら、光受信機の過剰ノイズはその結果、信号対ノイズ比が悪くなるので不利である。

米国特許第5,714,909号は入力ノードにおいて電流信号内の周辺ノイズをキャンセルするためのフィードバック電流信号を発生するためのフィードバックループを備えたアンプについて述べている。

米国特許第B1-6,329,881号は、電流フィードバック回路の平均出力電圧を検出するための平均値検出回路と、検出された平均電圧に従って入力光電圧を分配するための電流制御回路とを含むフィードバック回路を備えたプリアンプについて述べている。

米国特許第B1-6,469,489号はフィードバック手段と電圧制御された電流ソースとを備えた電気回路について述べている。

米国特許第5,734,300号は電気光デバイスからの信号のうちのＤＣ成分とＡＣ成分とをプリアンプの入力端から離間させるように分岐するための制御回路について述べている。

上記米国特許に記載されている電気回路はいずれも大強度の周辺光が大きなショットノイズを発生させ、この結果、信号対ノイズ比を比較的悪くし得るという欠点を有する。

このような従来技術に鑑み、本発明の目的は大強度の周辺光がある条件下でも作動でき、かつ信号対ノイズ比を改善できる光受信機を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の光受信機によって達成され、他の請求項には好ましい実施例が示されている。

請求項１に記載の光受信機は大強度の周辺光の条件下でも使用でき、信号対ノイズ比を改善できるという利点を有する。

以下、図面を参照して好ましい実施例に基づき、本発明について説明する。

図２に示された光受信機は光センサ（例えば従来のタイプのフォトダイオード１０でよい）だけでなく、アンプ２０（オペアンプの形態でもよい）も含む。フォトダイオード１０のカソード１１はアンプ２０の反転入力端２１に接続されているが、他方、フォトダイオード１０のアノード１２およびアンプ２０の非反転入力端２２はアースに接続されている。図２のフォトダイオード１０は光電池モードで作動する。すなわちフォトダイオード１０には外部電圧は印加されていない。しかしながら、フォトダイオード１０を非導通方向（光導電モード）で作動させることもできる。

アンプ２０の出力端２３は抵抗器１５に接続されており、この抵抗器は次にアンプ２０の反転入力端２１に接続されているので、アンプ２０の出力信号をフィードバックすることが可能である。

更に図２から、抵抗器１５に並列接続された負荷電気フィルタ手段２９および３０が設けられていることが明らかである。この目的のために、フィルタ手段２９および３０はアンプ２０の出力端２３およびその反転入力端２１に接続されているので、ネガティーブフィードバックパス３１を形成している。これら部品はローパスフィルタ２９と、このフィルタに接続され、例えば電流制御または電圧制御電流ソースの形態をした電流シンク３０とを含む。電流シンク３０はレギュレートシステムのうちの制御要素を形成し、図２の回路アセンブリの場合、ネガティブフィードバックによりレギュレートが行われる。電流シンク３０およびローパスフィルタ２９は当業者には公知のものであるので、より詳細には説明しない。

有効な光源９、例えば発光ダイオードの光信号を受信する際に、フォトダイオード１０は所望する信号を示す光電流を発生する。この光信号は所望する信号が周波数Ｆｐを示すように所定のパルス周波数Ｆｐの光パルスとして発生される。

次に、干渉光源、例えば自然周辺光および／または人工的な周辺光が存在する場合、フォトダイオード１０は所望する信号に重なった干渉信号を示す不要な別の光電流を発生する。

周波数Ｆｐは、周辺光の周波数レンジが実質的に低くなるように選択されている。一般に、Ｆｐ＝１５キロヘルツである。他方、例えば通常のランプの変調周波数は１００ヘルツである。この実現例に基づき、フォトダイオード１０が発生する光電流は不要信号に対応する成分と干渉信号に対応する成分とに分割できるので、これら２つの成分を別々に処理できる。この目的のために、光受信機の電気フィルタ手段２９および３０は、周波数Ｆｐに従って諸元が定められる。従って、ローパスフィルタ２９のカットオフ周波数は所望する信号が無視できるようにフィードバックされ、従って電流シンク３０が基本的には干渉信号を受信するように周波数Ｆｐよりも低くなるように選択されている。次に電流シンク３０は基本的にはフィードバックされた干渉信号を補償する補正信号として働く電流を発生するように、ネガティブフィードバックによって制御されている。

ネガティブフィードバックパス３１は干渉信号と所望する信号とを分離する周波数クロスオーバーとして働く。抵抗器１５を通過して流れる光電流は基本的には所望する信号に対応するので、抵抗器１５は所望する信号の処理される最大振幅を考慮して設計するだけでよい。このことは、アンプの飽和現象を防止するように抵抗器１５’を干渉信号と所望する信号との合計を考慮して設計しなければならない、図１に示された回路アセンブリと対照的である。従って、抵抗器１５の抵抗値を実質的により高い値に選択できる（一般に約Ｒ_ｆ＝１メグオーム）ので、式１によれば、発生するノイズはより少なくなる。

フィルタ手段２９、３０は不要な別のノイズ源であるが、その結果生じる追加ノイズはより大きい抵抗値の抵抗器１５を使用することによって得られるノイズの低減量と比較して無視できるものである。電流シンク３０が発生するノイズの主要部分はショットノイズ（別々の電荷キャリアの移動によって電荷の移動が得られるという事実から生じる不規則な電流の変動）である。式２を参照して、以後により詳細に説明するように、このショットノイズは基本的には流れる電流のルート（乗根）に比例する。電流シンク３０が発生する電流は、基本的には光電流に等しいので、この結果生じる全体のノイズの増加量は２^１／２≒１．４１にすぎない。しかしながら、上記の例によれば、より高い抵抗値を使用することによって得られるノイズの低減量はかなり大きい。すなわち（１メグオーム／２２キロオーム）^１／２≒６．７５となるローパスフィルタ２９のノイズは、低い周波数レンジ、従って不適当な周波数レンジを考慮して設計されているので無視できる。

図２に係わるフィルタ手段２９および３０を使用することによって、干渉信号から所望する信号を分離できるので、信号処理手段１５、２０は実質的に所望する信号だけを処理でき、一方、干渉信号は電流シンク３０へ転流できる。これによって周辺光によるアンプ２０の飽和を防止すると同時に、光受信機のノイズを低減することが可能となる。

オプションとして、図２に示される光受信機はアンプ２０の出力端２３に直列接続されている公知のタイプの電気バンドパスフィルタ３５を更に含む。このバンドパスフィルタ３５はノイズ低減のためにスペクトルのうちの不要成分をフィルタ除去しながら、所望する信号の追加に実質的に影響しないようになっている。この結果、更に信号対ノイズ比が改善される。

大強度の周辺光の条件下でも、フィードバック回路３１はアンプ２０の飽和を防止する。しかしながら、フォトダイオード１０は大きい光電流を発生し得るので、この結果生じるショットノイズは所定条件下ではそれ以上無視できなくなる。このショットノイズは次の式で示される。

ここで、
ｉ_ｎｓ＝ショットノイズ電流［Ａ］
ｑ＝電子の電荷、１．６×１０^−１９クーロン
Ｉ_ｄ＝暗電流［Ａ］
Ｉ_ｐｈ＝光電流［Ａ］
Δｆ＝ノイズのバンド幅［ヘルツ］

主にこのショットノイズを抑制するために、フォトダイオード１０に入射する周辺光を減衰できるようにする光フィルタ手段４０および５０が設けられているので、光電流Ｉ_ｐｈおよびこれと共にショットノイズ電流ｉ_ｎｓはかなり低減される。光フィルタ手段４０および５０は発光ダイオード９が発生する光信号の波長λ_０（例えばλ_０＝０．６８０μｍ）に従うように設計されており、これらフィルタは第１フィルタ４０および好ましくは第２フィルタ５０を含む。

第１フィルタ４０は誘電バンドパスフィルタ（所定の数の誘電薄膜を含む干渉フィルタ）である。図４内の曲線４１は入射光の波長λを関数とする適当なバンドパスフィルタ４０の透過特性（特性曲線）を示す。この透過バンドは有効光源９の波長λ_０に対して調整され、比較的狭くなっている、曲線４１のエッジは急峻となっている。

バンドパスフィルタ４０の特性は所定の波長レンジ（近レンジ）に対して指定されている。この波長レンジの上限および下限は下記のλ_１およびλ_２によって指定される。とりわけ波長レンジの幅λ_２−λ_１は使用される光学層の数によって決定される。透過曲線４１が図４に示されているバンドパスフィルタ４０では、λ_１が約０．４μｍとなり、λ_２が約１．２μｍとなるように、約６０枚の光学層が使用されている。

しかしながら、指定された波長レンジの外側（λ＜λ_１またはλ＞λ_２、遠レンジ）では、誘電バンドパスフィルタは悪いブロッキング特性を示す。極めて広い波長レンジを有するバンドパスフィルタの製造は、必要な光学層の数が多いために、複雑で、かつ高価である。

更に、λ_１より短い波長に対する良好なブロッキング特性を保証するために、バンドパスフィルタ４０の後に第２フィルタ５０が配置されている。この第２フィルタ５０はカラーフィルタであり、例えば合成材料またはガラスを着色することにより製造されている。図３における曲線５１は適当なカラーフィルタ５０の透過特性を示す。このカラーフィルタはλ_０より短く、特にλ_１より短い波長の光を吸収し、一方、λ_０よりも長い波長の光をほとんど透過できる。従って、このフィルタ５０はカットオフフィルタのように働く。

通常のフォトダイオードは長い波長をほとんど検出できないので、レンジλ＞λ_２内でのバンドパスフィルタ４０のブロック特性が不良であることは極めて不適当である。図４は（最大値で正規化された）代表的なシリコンフォトダイオードのスペクトル感度６０を示す。

この感度はλ_２よりも長い波長に対してはほとんどゼロである。しかしながら、より長い波長に対するバンドパスフィルタ４０のブロッキング特性を改善するために、追加カラーフィルタを使用できる。更に、比較のために図４には（最大値で正規化された）日光のスペクトルエネルギー分布７０も示されている。

曲線４１の特性を有する誘電バンドパスフィルタ４０と、曲線５１の特性を有するカラーフィルタ５０とを連続的に配置した結果、狭バンド光フィルタの特性は極めて急峻な傾きを有するのと同時に遠レンジで極めて良好なブロック特性を有する。図５から明らかなように、カラーフィルタの特性の傾きはバンドパスフィルタ４１の透過バンドの波長の短いほうの端部に位置している。光フィルタ手段４０および５０を応用したことにより、フォトダイオード１０の検出レンジ内で周辺光のかなりの部分を有効に除去することができるので、特にフォトダイオード１０のショットノイズをかなり低減できる。

波長選択的なフォトダイオードを利用することにより、更に光フィルタを得ることができる。フォトダイオードはλ_０のまわりの狭い波長レンジ内でしか感度がない。図６はかかる波長選択的なフォトダイオードの６つの異なるタイプの等化曲線６１を示している。このフィルタ効果はフォトダイオードの半導体材料を選択し、添加することによって決定される。比較のために、図３に示されたシリコンフォトダイオードの感度曲線６０および理論的に可能な限界６３が示されている。

本明細書に説明した電気フィルタ手段および光フィルタ手段を使用することによって、広バンドの大強度周辺光内でのノイズをかなり低減できるようになっている。特に大オーミック抵抗器１５と共にフィードバック回路３１を利用することにより、アンプ２０が飽和する恐れなく、熱ノイズをかなり低減できると共に、光フィルタ手段４０、５０により光センサ１０が発生するショットノイズを実質的に低減できる。周辺光の種類および強度に応じて１５〜２０ｄＢの範囲内で信号対ノイズ比の改善を達成できる。これによって、光受信機と有効光源との間の作動距離を長くし、および／または所望する信号のバンド幅を広くすることが可能となっている。

他の用途のうちで、モニタ分野、例えば製造、取り扱いおよび保管分野において、物体の存在を検出するためのセンサとして働く光電気近接スイッチ内で光受信機が使用される。本発明に係わる光受信機の応用によって、かかる近接スイッチの性能をかなり高めることができる。

当業者であれば、特許請求の範囲に記載の本発明の保護範囲から逸脱することなく、これまでの明細書の記載から種々の変形例が明らかであろう。

本明細書に記載したノイズ低減の対策案は、主に、使用する光センサの種類および作動によっては決定されることはない。従って、例えば非導通方向（光導通モード）のバイアス電圧で作動するフォトダイオード１０の場合でも、かなりのノイズの低減が可能である。

更に、ネガティブフィードバックパス内で所望する信号をフィルタ除去するためにローパスフィルタの代わりに、電気的なバンド除去フィルタを使用することができる。しかしながら、この場合、安定なネガティブフィードバックを保証するのに別の電気部品が必要となる。更に、デジタルフィルタを使用することも可能である。

従来技術の光受信機を示す。 本発明に係わる光受信機を示す。 カラーフィルタの透過曲線５１、代表的なシリコンフォトダイオードのスペクトル感度６０だけでなく、日光のスペクトルエネルギー分布７０も示している。 誘電光フィルタの透過曲線４１だけでなく、図２の２つの曲線６０および７０も示している。 図３と図４との重ね合わせを示す。 異なる波長選択的フォトダイオードのスペクトル感度６１、図３の曲線６０だけでなくスペクトル感度の理論的に達成できる限界６３も示している。

符号の説明

９ 光源
１０ フォトダイオード
１１ カソード
１２ アノード
１５ 抵抗器
２０ アンプ
２１ 反転入力端
２２ 非反転入力端
２３ 出力端
２９、３０ フィルタ手段
３１ ネガティブフィードバックパス

Claims (9)

1. 光源（９）から生じる光源信号および干渉光から生じる干渉信号を含むセンサ信号を発生するための光センサ（１０）と、
   干渉光を減少し、前記光センサによって生成されるショットノイズを低減する光フィルタ手段と、
   前記光センサに接続された電気フィルタ手段であって、前記干渉信号をフィルタ除去し、前記干渉信号を実質的に補償する補正信号を発生するための前記電気フィルタ手段であって、前記補正信号を発生する電流シンク（３０)を有する前記電気フィルタ手段と、
   前記光源信号を処理し、出力信号（Ｖ_ｏｕｔ）を発生するよう、前記光センサおよび前記電気フィルタ手段に接続された処理手段であって、アンプ（２０）および前記アンプに接続されたフィードバック抵抗器（１５）を有する前記処理手段とを備え、前記フィードバック抵抗器（１５）により、前記センサ信号を処理する間、前記アンプ（２０）の飽和を防止し、前記フィードバック抵抗器における熱ノイズを減少する低ノイズ光受信機であって、前記光フィルタ手段は、前記光センサにおいて生じるショットノイズを低減するため、前記光センサへ入射する感度波長レンジの光を低減する光バンドパスフィルタ（４０）を有することを特徴とする低ノイズ光受信機。
2. 前記光フィルタ手段が少なくとも１つの光カットオフフィルタ（５０）を有する、請求項１記載の光受信機。
3. 前記光カットオフフィルタ（５０）の特性の傾きが前記光バンドパスフィルタ（４０）の透過レンジのうちの波長の短いほうの端部にある、請求項２記載の光受信機。
4. 前記光カットオフフィルタ（５０）がカラーフィルタである、請求項２〜３のいずれかに記載の光受信機。
5. 前記光センサが波長選択的なフォトダイオードである、請求項１〜４のいずれかに記載の光受信機。
6. 前記電気フィルタ手段がローパスフィルタ（２９）を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の光受信機。
7. 前記電流シンク（３０）が基本的には干渉信号を補償するよう、調節自在である、請求項１〜６記載の光受信機。
8. 前記電気フィルタ手段が前記処理手段（１５、２０）に並列に接続されている、請求項１〜７のいずれかに記載の光受信機。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の光受信機を備えた、光電気近接スイッチ。

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