JP4815282B2

JP4815282B2 - 光電変換装置

Info

Publication number: JP4815282B2
Application number: JP2006176474A
Authority: JP
Inventors: 敏英三宅
Original assignee: シリンクス株式会社
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: JP2008008647A

Description

本発明は照度を電気信号に変換する光電変換装置に関し、特に照度に比例した電流を発生する複数の光電変換回路を備えた光電変換装置に関する。

照度に比例した電流を発生する光電変換回路を使った従来の光電変換装置は、光電変換回路で発生する電流を抵抗に流し込み、その抵抗の両端電圧を出力値とするものであった（例えば特許文献１参照）。しかし、この構成では出力電圧が照度に対して線形的に変化するため、照度範囲が広い場合、低照度側の分解能が低下する。例えば、薄暗い部屋の照度は約0.01（lx）であるのに対し、真夏の炎天下では約30000（lx）にも達し、その差は極めて大きい。このため、照度に対して線形的に変化する出力電圧によってリニア表示すると、薄暗い状態の照度の検出精度が極端に低下する。

そこで、次式に示すようにダイオードの両端電圧Vfが流れ込む電流Iの対数に比例することを利用し、光電変換回路で発生した電流をダイオードに流し込んで、その電流値の対数に比例する電圧に変換する光電変換装置が知られている（例えば特許文献２参照）。
Vf=k×T／q×ln(I/Is) …(1)
ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは素電荷、Isはダイオードの飽和電流、lnはeを底とするlog関数である。

このような対数変換を行う光電変換装置によれば、高照度側に比べて低照度側の分解能を高めることができるため、薄暗い状態の照度も精度良く検出することが可能になる。

特開２００３−１３０７２９号公報特開２００５−２４１３０６号公報

カメラなどでは露光前に照度を測定することは非常に重要である。照度により露光時間を調整しなければ、より適切な画像を得ることができないからである。この場合、構図のなかの或る１点の照度を測定するだけで露光時間を決めるよりは、構図のなかを複数箇所に分割しそれぞれの箇所で照度を測定し、それらを平均化した照度から露光時間を決めた方が、より最適な画像を得ることができる。そのためには、一つの光電変換回路しか有しない従来の光電変換装置では不十分であり、複数の光電変換回路が扱える光電変換装置が必要になってくる。

図２はその種の光電変換装置の開発過程において本発明者が試作した一つの回路例を示す。同図に示す光電変換装置は、照度に比例した電流ii1〜iinを発生する複数の光電変換回路P1〜Pnと、アノードが基準電圧Vrに接続され、カソードが光電変換回路P1〜Pnに接続された複数のダイオードD1〜Dnと、複数のダイオードD1〜Dnのカソード電圧V1〜Vnを平均化する変換回路CNT1とから構成される。また、変換回路CNT1は、複数のバッファー回路BF1〜BFnと、同じ抵抗値の複数の抵抗R1〜Rnとで構成される。なお、光電変換回路P1〜Pnは、フォトダイオードやフォトトランジスタ等で構成される。

図２の回路において、アノードを基準電圧Vrに接続した複数のダイオードD1〜Dnに、それぞれ光電変換回路P1〜Pnから出力される光の照度に比例した電流ii1〜iinを流し込むことによって、ダイオードD1〜Dnのカソードにそれらの電流ii1〜iinの対数に比例した電圧V1〜Vnを発生させることができる。また、それらの電圧V1〜Vnを、バッファー回路BF1〜BFnを通して抵抗R1〜Rnに加えることで、それらの電圧V1〜Vnの平均電圧Voを取り出すことができる。数式を用いて説明すると、以下のようになる。

光電変換回路P1〜Pnから出力される光の照度に比例した電流をii1〜iin、ダイオードD1〜Dnのカソード電圧をV1〜Vn、抵抗R1〜Rnの抵抗値をR、それらの抵抗R1〜Rnを流れる電流をi1〜in、変換回路CNT1の出力電圧をVoとすると、次式(2)、次式(3-1)〜(3-n)が成り立つ。
i1+i2+i3+……+in=0 …(2)
V1-Vo=R×i1 …(3-1)
V2-Vo=R×i2 …(3-2)
……
Vn-Vo=R×in …(3-n)

上記の式(2)、式(3-1)〜(3-n)からi1〜inを消去すると、変換回路CNT1の出力電圧Voは以下のように与えられる。
Vo=(V1+V2+V3+……+Vn)/n …(4)

一方、ダイオードD1〜Dnの両端電圧は次の式で表される。
Vr-V1=Vt×ln(ii1/Is) …(5-1)
Vr-V2=Vt×ln(ii2/Is) …(5-2)
……
Vr-Vn=Vt×ln(iin/Is) …(5-n)
ここで、Vt=k×T／ｑ

式(5-1)〜(5-n)を式(1)に代入してV1〜Vnを消去し整理すると、
Vr-Vo=Vt×ln(ⁿ√(ii1×ii2×ii3×…×iin)/Is) …(6)
となり、変換回路CNT1の出力電圧Voは、光電変換回路P1〜Pnから出力される電流ii1〜iinの相乗平均の対数に比例した電圧となる。

図２に示した光電変換装置によれば、照度に比例した電流ii1〜iinを発生する複数の光電変換回路P1〜Pnを備えているので、複数箇所の照度をそれぞれ独立に測定することが可能になる。また、各々の電流ii1〜iinをその電流値の対数に比例する電圧V1〜Vnに変換する複数のダイオードD1〜Dnを備えているため、各々の測定箇所の照度が小さい場合でも精度良く検出することができる。さらに、各々の電圧V1〜Vnの平均電圧Voを出力する変換回路CNT1を備えているため、各々の測定箇所の照度を平均化した照度を得ることができる。

しかしながら、式(6)から明らかなように、平均化された照度は、各々の測定箇所の照度の相乗平均になる。このため、例えば、n=2で、ii1=1、ii2=100とすると、その相乗平均は√(1×100)=10となる。光電変換回路から出力される電流は照度に比例しているため、2箇所の照度の中間値を表すのではなく、暗い側の照度に近い値となる。このため、正確な露光時間の設定が困難になるという問題があった。

他方、図２の回路において、ダイオードD1〜Dnを抵抗R'に置換すれば、変換回路CNT1の出力電圧Voは、次式(7)に示されるように、光電変換回路から出力される光の照度に比例した電流ii1〜iinの相加平均値になる。
Vr-Vo=(ii1+ii2+ii3+…+iin)R'/n …(7)

このため、前述と同様、n=2で、ii1=1、ii2=100とすると、その相加平均値は(1+100)/2=50.5となる。光電変換回路から出力される電流は照度に比例しているため、2箇所の照度のほぼ中間値を表すことになり、露光時間の設定が容易になる。しかしながら、前述したように照度の変動幅は10の6乗程度あるので、V1〜Vnの最大値を3Vとしても最小値は3μVとなり、実現は困難である。また、最小入力電流は0.1pA以下なので、3μVが扱えたとしても、検出抵抗R'は30MΩとなり、ICでは実現が難しい。

本発明はこのような事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、複数箇所の照度をそれぞれ独立に測定することができ、且つ、各々の測定箇所の照度が小さい場合でも精度良く検出でき、さらに各々の測定箇所の照度の相加平均値を出力する光電変換装置を提供することにある。

本発明の光電変換装置は、照度に比例した電流を発生する複数の光電変換回路と、各々の前記光電変換回路で発生した電流をその電流値の対数に比例する電圧に変換する複数の非線形素子と、前記複数の非線形素子による変換で得られた電圧を入力し、前記複数の光電変換回路で発生した電流の相加平均値の対数に比例する電圧を出力する変換回路とを備えている。

また前記変換回路は、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに前記複数の非線形素子による変換で得られた電圧が入力される複数の第１のトランジスタと、エミッタが前記第１のトランジスタのエミッタに接続され、ベースとコレクタが互いに接続された第２のトランジスタと、前記複数の第１のトランジスタのエミッタと前記第２のトランジスタのエミッタに接続された定電流源と、前記複数の第１のトランジスタのコレクタ電流の和と概略同じ電流を前記第２のトランジスタのコレクタに流す回路とを備え、前記第２のトランジスタのエミッタ面積が、前記第１のトランジスタのエミッタ面積の総和にほぼ等しくされる。

本発明によれば以下のような効果が得られる。

複数箇所の照度をそれぞれ独立に測定することができる。その理由は、照度に比例した電流を発生する複数の光電変換回路を備えているためである。

各々の測定箇所の照度が小さい場合でも精度良く検出することができる。その理由は、照度に比例した電流をその電流値の対数に比例する電圧に変換する複数の非線形素子（例えばダイオード）を備えているためである。

カメラの露光制御に適用した場合、正確な露光時間の設定が可能になる。その理由は、複数の光電変換回路で発生した電流の相加平均値の対数に比例する電圧を出力する変換回路を備えているためである。

図１を参照すると、本発明の実施の形態にかかる光電変換装置は、照度に比例した電流ii1〜iinを発生する複数の光電変換回路P1〜Pnと、アノードが基準電圧Vrに接続され、カソードが光電変換回路P1〜Pnに接続された複数のダイオードD1〜Dnと、複数のダイオードD1〜Dnのカソード電圧V1〜Vnを入力し、複数の光電変換回路P1〜Pnで発生した電流ii1〜iinの相加平均値の対数に比例する電圧Voを出力する変換回路CNT2とから構成される。図２に示した光電変換装置と比較すると、変換回路CNT1の代わりに変換回路CNT2を備えている点が相違する。

変換回路CNT2は、特性の等しい複数の第１のトランジスタTR1〜TRnと、この複数の第１のトランジスタTR1〜TRnのエミッタ面積の総和に等しいエミッタ面積を有する第２のトランジスタTTと、定電流源ＳＳと、カレントミラー回路CMとから構成される。第１のトランジスタTR1〜TRnのエミッタどうし及びコレクタどうしは互いに共通電極に接続され、それらのベースにダイオードD1〜Dnのカソード電圧V1〜Vnが入力される。第２のトランジスタTTのエミッタは第１のトランジスタTR1〜TRnのエミッタと同じ電極に接続され、ベースとコレクタは互いに共通電極に接続されて、その共通電極から出力Voが取り出されるようになっている。定電流源SSは、複数の第１のトランジスタTR1〜TRnのエミッタと第２のトランジスタTTのエミッタに電流を流す手段である。カレントミラー回路CMは、複数の第１のトランジスタTR1〜TRnのコレクタ電流の和と概略同じ電流を第２のトランジスタTTのコレクタに流すために設けられている。

本実施の形態にかかる光電変換装置において、アノードを基準電圧Vrに接続した複数のダイオードD1〜Dnに、それぞれ光電変換回路P1〜Pnから出力される光の照度に比例した電流ii1〜iinを流し込むと、ダイオードD1〜Dnのカソードにそれらの電流ii1〜iinの対数に比例した電圧V1〜Vnが発生する。そして、この発生した電圧V1〜Vnが変換回路CNT2に入力され、複数の光電変換回路P1〜Pnで発生した電流ii1〜iinの相加平均値の対数に比例する電圧Voが生成される。数式を用いて説明すると、以下のようになる。

基準電圧をVr、各ダイオードD1〜Dnのカソード電位をV1〜Vn、光電変換回路P1〜Pnの出力電流をii1〜iinとすると、次の式が成り立つ。
Vr-V1=Vt×ln(ii1/Is) …(8-1)
Vr-V2=Vt×ln(ii2/Is) …(8-2)
……
Vr-Vn=Vt×ln(iin/Is) …(8-n)
ここで、Vt=k×T／ｑ

また、第１のトランジスタTR1〜TRnのエミッタ電圧をV、各コレクタ電流をi1〜inとすると、次の式が成り立つ。
V-V1=Vt×ln(i1/Is) …(9-1)
V-V2=Vt×ln(i2/Is) …(9-2)
……
V-Vn=Vt×ln(in/Is) …(9-n)

式(8-1)〜(8-n)と式(9-1)〜(9-n)とから、i1とi2〜inとの電流比は、ii1とii2〜iinとの電流比に等しいという以下の式(10-2)〜(10-n)が導出できる。
i2=(ii2/ii1)×i1 …(10-2)
i3=(ii3/ii1)×i1 …(10-3)
……
in=(iin/ii1)×i1 …(10-n)

一方、第１のトランジスタTR1〜TRnのコレクタと第２のトランジスタTTのコレクタはカレントミラー回路CMに接続されているため、第１のトランジスタTR1〜TRnのコレクタ電流の総和(i1+i2+…+in)と、第２のトランジスタTTのコレクタ電流とは等しくなる。また、第２のトランジスタTTのエミッタ面積は、第１のトランジスタTR1〜TRnのエミッタ面積の総和に等しい。従って、次の式が成り立つ。
V-Vo=Vt×ln((i1+i2+i3+…+in)/(n×Is)) …(11)

この式(11)に、i1=(ii1/ii1)×i1…式(10-1)と、式(10-2)〜(10-n)を代入して、さらに式(8-1)と式(9-1)をあわせると、以下の式が得られる。
Vr-Vo=Vt×ln((ii1+ii2+ii3+…+iin)/(n×Is)) …(12)
すなわち、第２のトランジスタTTのコレクタ電位Voは、光電変換回路P1〜Pnの出力電流ii1〜iinの相加平均値を対数に変換した電圧となる。

次に本実施の形態の効果を説明する。

本実施の形態によれば、複数箇所の照度をそれぞれ独立に測定することができ、且つ、各々の測定箇所の照度が小さい場合でも精度良く検出でき、さらに各々の測定箇所の照度の相加平均値を出力することができる。

また本実施の形態によれば、ダイオードD1〜Dnのカソード電位V1〜Vnが安定した時点から数μs程度の短時間で、光電変換回路P1〜Pnの出力電流ii1〜iinの相加平均値を対数に変換した電圧Voを得ることができる。その理由は、複数の第１のトランジスタTR1〜TRnと第２のトランジスタTTとは一種の差動増幅器によるホロワであり、対数に圧縮されたものを一旦元のリニアに伸長して加算後再び圧縮する場合のような応答の遅れがないためである。

以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明は以上の実施の形態にのみ限定されず、その他各種の付加変更が可能である。例えば、図１の回路では、複数ある光電変換回路P1〜Pnの全ての電流ii1〜iinの相加平均値を対数に変換した電圧Voを生成したが、各第１のトランジスタTR1〜TRnのベースと対応するダイオードD1〜Dnのカソードとの間にスイッチング素子を挿入してそのオン、オフを制御すること等により、任意の数の光電変換回路のグループ毎にその電流の相加平均値を対数に圧縮した電圧を順次求めるようにしても良い。

本発明の光電変換装置の実施の形態の回路図である。本発明の前提となる光電変換装置の回路図である。

符号の説明

P1〜Pn…光電変換回路
D1〜Dn…ダイオード
TR1〜TRn…第１のトランジスタ
TT…第２のトランジスタ
SS…定電流源
CM…カレントミラー回路
CNT1、CNT2…変換回路
BF1〜BFn…バッファー
R1〜Rn…抵抗

Claims

照度に比例した電流を発生する複数の光電変換回路と、各々の前記光電変換回路で発生した電流をその電流値の対数に比例する電圧に変換する複数の非線形素子と、変換回路とを備え、
前記変換回路は、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに前記複数の非線形素子による変換で得られた電圧が入力される複数の第１のトランジスタと、エミッタが前記第１のトランジスタのエミッタに接続され、ベースとコレクタが互いに接続された第２のトランジスタと、前記複数の第１のトランジスタのエミッタと前記第２のトランジスタのエミッタに接続された定電流源と、前記複数の第１のトランジスタのコレクタ電流の和と概略同じ電流を前記第２のトランジスタのコレクタに流す回路とを備え、前記第２のトランジスタのエミッタ面積が、前記第１のトランジスタのエミッタ面積の総和にほぼ等しい
ことを特徴とする光電変換装置。