JPS60143728A - 光学式センサの受光回路 - Google Patents
光学式センサの受光回路Info
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- JPS60143728A JPS60143728A JP24917083A JP24917083A JPS60143728A JP S60143728 A JPS60143728 A JP S60143728A JP 24917083 A JP24917083 A JP 24917083A JP 24917083 A JP24917083 A JP 24917083A JP S60143728 A JPS60143728 A JP S60143728A
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- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
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- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
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- 238000011895 specific detection Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
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- Radiation Pyrometers (AREA)
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、高電圧、誘導ノイズ、可燃性ガスなどの雰囲
気下で、温度、圧力、磁場などの物理量を光学式センサ
で測定する場合に、より高精度に測定することを可能と
する光学式センサの受光回路に関する。
気下で、温度、圧力、磁場などの物理量を光学式センサ
で測定する場合に、より高精度に測定することを可能と
する光学式センサの受光回路に関する。
従来例の構成とその問題点
従来、光学式センサの受光回路は、ＰＮ接合ホトダイオ
ードと増幅回路で構成され、ホトダイオードモードと電
圧増幅回路又はホトボルタイックモードとトランスイン
ピーダンス増幅回路の組合せが主に用いられている。前
者はホトダイオードに逆方向バイアスを加え、後者は零
バイアスで用いられてきた。
ードと増幅回路で構成され、ホトダイオードモードと電
圧増幅回路又はホトボルタイックモードとトランスイン
ピーダンス増幅回路の組合せが主に用いられている。前
者はホトダイオードに逆方向バイアスを加え、後者は零
バイアスで用いられてきた。
前者の例を第１図に、後者の例を第２図にそれぞれ示す
。
。
第１図では、ホトダイオード（１）を、バイアス電源（
２）で逆方向にバイアスし、負荷抵抗（３）の両端に生
ずる降下電圧を電圧増幅回路（４）で増幅している。
２）で逆方向にバイアスし、負荷抵抗（３）の両端に生
ずる降下電圧を電圧増幅回路（４）で増幅している。
負荷電流はホトダイオード（１）の暗電流と光電流の和
であり、それに比例した出力電圧を得ている。
であり、それに比例した出力電圧を得ている。
第２図では、演算増幅器（５）の差動入力端子間にホト
ダイオード（６）を接続し、帰還抵抗（７）によりトラ
ンスインピーダンス増幅回路を構成している。ホトダイ
オード（６）に光が照射されると短絡電流が帰還抵抗を
流れ、電流に比例した出力電圧が得られる。
ダイオード（６）を接続し、帰還抵抗（７）によりトラ
ンスインピーダンス増幅回路を構成している。ホトダイ
オード（６）に光が照射されると短絡電流が帰還抵抗を
流れ、電流に比例した出力電圧が得られる。
さて、このような受光回路を、本発明の利用対象である
光学式センサに適用すると、以下に述べるような２つの
問題を生じる。ここに云う光学式センサとは、温度、圧
力、磁場などの物理量を、光量の変化によって検出する
もので、磁場センサの例を第３図に示す。第３図におい
て、（８）はファラデー効果を有する材料、（９）およ
び顛は相互に４５゜の偏光通過方向を持つ偏光子および
検光子である。
光学式センサに適用すると、以下に述べるような２つの
問題を生じる。ここに云う光学式センサとは、温度、圧
力、磁場などの物理量を、光量の変化によって検出する
もので、磁場センサの例を第３図に示す。第３図におい
て、（８）はファラデー効果を有する材料、（９）およ
び顛は相互に４５゜の偏光通過方向を持つ偏光子および
検光子である。
ａｔ＋および０２はレンズ、Ｑｌおよびα４は入射光フ
ァイバと出射光ファイバである。このような構成の磁場
センサは、図中太い矢印で示す方向の磁場Ｈに対して、
入射光ファイバＱ３から一定強度の光を送ると出射光の
強度がＨにほぼ比例して変化する。
ァイバと出射光ファイバである。このような構成の磁場
センサは、図中太い矢印で示す方向の磁場Ｈに対して、
入射光ファイバＱ３から一定強度の光を送ると出射光の
強度がＨにほぼ比例して変化する。
すなわち、磁場Ｈ＝Ｏの時の出射光パワーをＰ。
とすると、ＨＮＯにおける出射光パワーＰは、ｐ ＝
ＰＯ（１＋ｓｉｎαＨ）α：比例定数 であるがセンサ
として用いる直線性の良い領域ではαＨ＜＜１の範囲で
、この時は良い近似で Ｐ＝Ｐｏ（１＋αＨ）が成り立
つ。この特性を第４図に示す。すなわち信号光用、は一
種のバイアス光量Ｐ。からの増減分として得られる。
ＰＯ（１＋ｓｉｎαＨ）α：比例定数 であるがセンサ
として用いる直線性の良い領域ではαＨ＜＜１の範囲で
、この時は良い近似で Ｐ＝Ｐｏ（１＋αＨ）が成り立
つ。この特性を第４図に示す。すなわち信号光用、は一
種のバイアス光量Ｐ。からの増減分として得られる。
いま、このような光学式センサの受光回路として、前に
述べた従来の受光回路を適用した場合のセンサ装置とし
ての信号対雑音比（以下ＳＮＲと略称する）を考える。
述べた従来の受光回路を適用した場合のセンサ装置とし
ての信号対雑音比（以下ＳＮＲと略称する）を考える。
解析は比検出率の良い、換言すればＳＮＲの高い第２図
の回路について行なうが、第１図の回路についても原理
的に同じ理論が成り立つ。
の回路について行なうが、第１図の回路についても原理
的に同じ理論が成り立つ。
ＳＮＲがより問題になるのは信号が小さい時、すなわち
微弱磁場の測定の時であり、この時はαＨは１に比べて
無視できる程度に小さい。入力電流は先の関係式から、
ホトダイオードの感度をηとすると、” ＝ ９ｐ。（
ｌ＋αＨ）であり、出力電圧は帰還抵抗（７）の値をＲ
８とすると、凶＝ ｙＲｓ Ｐ（１（１＋αＨ）となる
。この式の第一項はバイアス光量Ｐ。に対応するバイア
ス出力電圧で、第二項が信号出力電圧である。第一の問
題点は、後続する回路系の雑音の影響を少なくするため
には、初段で信号をなるべく大きくすることが重要であ
るが、前記の関係 αＨ（（１から、帰還抵抗値Ｒｓを
大きくすると、バイアス出力電圧が大きくなり回路系が
飽和するため、Ｒ８にはこの点からの制限が加わり、結
果として第二項すなわち信号出力電圧が非常に小さくな
らざるを得ない。このことが後続する回路の雑音が混入
しやすい結果となる。
微弱磁場の測定の時であり、この時はαＨは１に比べて
無視できる程度に小さい。入力電流は先の関係式から、
ホトダイオードの感度をηとすると、” ＝ ９ｐ。（
ｌ＋αＨ）であり、出力電圧は帰還抵抗（７）の値をＲ
８とすると、凶＝ ｙＲｓ Ｐ（１（１＋αＨ）となる
。この式の第一項はバイアス光量Ｐ。に対応するバイア
ス出力電圧で、第二項が信号出力電圧である。第一の問
題点は、後続する回路系の雑音の影響を少なくするため
には、初段で信号をなるべく大きくすることが重要であ
るが、前記の関係 αＨ（（１から、帰還抵抗値Ｒｓを
大きくすると、バイアス出力電圧が大きくなり回路系が
飽和するため、Ｒ８にはこの点からの制限が加わり、結
果として第二項すなわち信号出力電圧が非常に小さくな
らざるを得ない。このことが後続する回路の雑音が混入
しやすい結果となる。
次に、受光回路のＳＩＲは、受光パワーが大きい程高・
くなることはよく知られており、光学式センサの設計に
おいては受光パワーを大きくする方向にある。通常、こ
の値は数μＷから数百μＷが得られるが、このような光
パワー値に対するホトダイオードの雑音は、大部分が光
電流によるショット雑音である。ショット雑音電流ｔｚ
は理論的にＡｓ ＝ Ｊ ２ ｑ ４＝ Ｂ で与えら
れる。ここにｑは電気素量、Ｂは周波数帯域である。受
光回路の他の雑音源は帰還抵抗の熱雑音と、増幅器雑音
であるが、前述ゐ受光パワーにおいては、これらはいづ
れもホトダイオードのショット雑音に比べ省略できる程
度に小さい。そして、原理的に低減できないショット雑
音は、 １ｓ＝Ｊ２ｑｌｉＢ ＝Ｊ２ｑＢηｐｏ（１＋αＨ） と表わされ、１〉αＨから、バイアス光量Ｐ。による部
分がほとんどであることがゎがる。すなわち、第二の問
題点として、被検出物理量の変化に伴なって、受光光量
が一定のバイアス光量Ｐ。がらの増減変化するような光
学式センサの受光回路の主たる雑音源は、バイアス光量
Ｐ。である。まとめると、前述の２つの問題点は、いづ
れも強度の大きいバイアス光量に起因する。
くなることはよく知られており、光学式センサの設計に
おいては受光パワーを大きくする方向にある。通常、こ
の値は数μＷから数百μＷが得られるが、このような光
パワー値に対するホトダイオードの雑音は、大部分が光
電流によるショット雑音である。ショット雑音電流ｔｚ
は理論的にＡｓ ＝ Ｊ ２ ｑ ４＝ Ｂ で与えら
れる。ここにｑは電気素量、Ｂは周波数帯域である。受
光回路の他の雑音源は帰還抵抗の熱雑音と、増幅器雑音
であるが、前述ゐ受光パワーにおいては、これらはいづ
れもホトダイオードのショット雑音に比べ省略できる程
度に小さい。そして、原理的に低減できないショット雑
音は、 １ｓ＝Ｊ２ｑｌｉＢ ＝Ｊ２ｑＢηｐｏ（１＋αＨ） と表わされ、１〉αＨから、バイアス光量Ｐ。による部
分がほとんどであることがゎがる。すなわち、第二の問
題点として、被検出物理量の変化に伴なって、受光光量
が一定のバイアス光量Ｐ。がらの増減変化するような光
学式センサの受光回路の主たる雑音源は、バイアス光量
Ｐ。である。まとめると、前述の２つの問題点は、いづ
れも強度の大きいバイアス光量に起因する。
発明の目的
本発明は、光学式センサの受光回路において、バイアス
光量に起因する雑音を低減し、よりＳＮＨの高い光学式
センサの受光回路を得るにある。
光量に起因する雑音を低減し、よりＳＮＨの高い光学式
センサの受光回路を得るにある。
発明の構成
本発明は、受光素子を演算増幅器の差動入力端子間に接
続し、前記演算増幅器の出力端と前記受光素子間に帰還
抵抗を接続した光学式センサの受光回路において、前記
受光素子の光電流を減少させる方向にバイアス電源を接
続したものであり、実施例として、前記受光素子が順方
向にバイアスされるよう前記バイアス電源を接続すると
共に、前記バイアス電源の（ハ）端子をアースしたり、
前記受光素子の入力端子と前記バイアス電源の（ト）端
子を接続し、前記受光素子の出力端子と前記バイアス電
源の（ハ）端子を前記演算増幅器の差動入力端子に接続
すると共に前記バイアス電源の（ト）端子をアースした
り、前記受光素子をＰＮ接合ホトダイオードとし、前記
受光素子の入力端子を前記帰還抵抗に接続し、前記受光
素子の出力端子と前記バイアス電源の（ハ）端子を接続
し、前記受光素子の入力端子と前記バイアス電源の（ト
）端子を前記演算増幅器の差動入力端子に接続すると共
に前記バイアス電源の（ト）端子をアースしたり、前記
受光素子をＰＮ接合ホトダイオードとし、前記受光素子
の入力端子を前記帰還抵抗に接続し、前記受光素子の出
力端子と前記バイアス電源の（へ）端子を接続し、前記
受光素子の入力端子と前記バイアス電源の（ト）端子を
前記演算増幅器の差動入力端子に接続すると共に前記バ
イアス電源の（ハ）端子をアースしたりすることができ
る。
続し、前記演算増幅器の出力端と前記受光素子間に帰還
抵抗を接続した光学式センサの受光回路において、前記
受光素子の光電流を減少させる方向にバイアス電源を接
続したものであり、実施例として、前記受光素子が順方
向にバイアスされるよう前記バイアス電源を接続すると
共に、前記バイアス電源の（ハ）端子をアースしたり、
前記受光素子の入力端子と前記バイアス電源の（ト）端
子を接続し、前記受光素子の出力端子と前記バイアス電
源の（ハ）端子を前記演算増幅器の差動入力端子に接続
すると共に前記バイアス電源の（ト）端子をアースした
り、前記受光素子をＰＮ接合ホトダイオードとし、前記
受光素子の入力端子を前記帰還抵抗に接続し、前記受光
素子の出力端子と前記バイアス電源の（ハ）端子を接続
し、前記受光素子の入力端子と前記バイアス電源の（ト
）端子を前記演算増幅器の差動入力端子に接続すると共
に前記バイアス電源の（ト）端子をアースしたり、前記
受光素子をＰＮ接合ホトダイオードとし、前記受光素子
の入力端子を前記帰還抵抗に接続し、前記受光素子の出
力端子と前記バイアス電源の（へ）端子を接続し、前記
受光素子の入力端子と前記バイアス電源の（ト）端子を
前記演算増幅器の差動入力端子に接続すると共に前記バ
イアス電源の（ハ）端子をアースしたりすることができ
る。
実施例の説明
本発明の光学式センサの受光回路の一実施例を第５図に
示す。
示す。
図において、ホトダイオードａ！９とバイアス電源Ｏ［
９を直列接続したものを演算増幅器ａηの差動入力端子
間に接続する。バイアス電源０ｅの方向はホトダイオー
ドα９が順方向にバイアスされるように決定する。バイ
アス電圧の値は、通常の磁場センサの場合、Ｈ＝０の時
に光電流とバイアス電流が丁度打消し合い、ホトダイオ
ードａ！９の電流が零もしくは調整可能な最小値になる
ような大きさに選ぶ。
９を直列接続したものを演算増幅器ａηの差動入力端子
間に接続する。バイアス電源０ｅの方向はホトダイオー
ドα９が順方向にバイアスされるように決定する。バイ
アス電圧の値は、通常の磁場センサの場合、Ｈ＝０の時
に光電流とバイアス電流が丁度打消し合い、ホトダイオ
ードａ！９の電流が零もしくは調整可能な最小値になる
ような大きさに選ぶ。
バイアス点が安定に保たれるように、定電圧化した雑音
の少ないものを用いる。
の少ないものを用いる。
第６図、第７図および第８図は本発明の他の実施例を示
す。
す。
これらは、ホトダイオードａ！９およびバイアス電源（
ｌ［９の極性を逆にしたもの、あるいはバイアス電源ａ
ｌの位置を変えたものである。バイアス光による光電流
を打ち消し、受光素子ａりに流れる全電流をＨ＝０の時
、最小にする回路はこれらの回路例に限らない。
ｌ［９の極性を逆にしたもの、あるいはバイアス電源ａ
ｌの位置を変えたものである。バイアス光による光電流
を打ち消し、受光素子ａりに流れる全電流をＨ＝０の時
、最小にする回路はこれらの回路例に限らない。
また、本発明の別の実施例として、Ｈ＝ＨｏＮ。
の時の光電流を打ち消すようなバイアスを与えることも
できる。すなわち、被測定物理量が所定の基準値の時に
、受光素子に流れる電流を最小にする場合がある。この
ようなセンサ装置は、例えば地球磁場のような一定の背
景値が存在する場合、その影響を打ち消したり、またそ
の基準値がらの変化を測定する場合に用いることができ
る。
できる。すなわち、被測定物理量が所定の基準値の時に
、受光素子に流れる電流を最小にする場合がある。この
ようなセンサ装置は、例えば地球磁場のような一定の背
景値が存在する場合、その影響を打ち消したり、またそ
の基準値がらの変化を測定する場合に用いることができ
る。
発明の効果
本発明の効果を、第５図について述べる。
（１）被測定物理量が小さい時はど受光素子を流れる全
電流によるショット雑音が示さくなるため、ＳＮＲは高
くなると云う理想的な雑音特性を生ずる。
電流によるショット雑音が示さくなるため、ＳＮＲは高
くなると云う理想的な雑音特性を生ずる。
（２）バイアス光量による光電流が打ち消されるため、
増幅度が高くとれて、初段の出力信号が大きく、後段回
路の雑音の影響を受けにくい。
増幅度が高くとれて、初段の出力信号が大きく、後段回
路の雑音の影響を受けにくい。
すなわち、本発明は、光学式センサの最も重要な課題の
ひとつであるＳＮＨの向上に、大きな効果を有し、産業
上利用し得る効果を生ずる。
ひとつであるＳＮＨの向上に、大きな効果を有し、産業
上利用し得る効果を生ずる。
第１図および第２図は従来の受光回路、第３図は本発明
の適用対象である光学式センサの一例で、磁場を検出す
る磁場センサの構成図、第４図は磁場センサの特性を説
明する特性図、第５図は本発明の光学式センサの受光回
路の実施例、第６図、第７図および第８図は他の実施例
、を示す。 １５：ホトダイオード １６：バイアス電源１７：演算
増幅器 １８：帰還抵抗 特許出願人 松下電器産業株式会社 代理人弁理士 阿 部 功 第１図 第２図 第４図 第５図 第６図
の適用対象である光学式センサの一例で、磁場を検出す
る磁場センサの構成図、第４図は磁場センサの特性を説
明する特性図、第５図は本発明の光学式センサの受光回
路の実施例、第６図、第７図および第８図は他の実施例
、を示す。 １５：ホトダイオード １６：バイアス電源１７：演算
増幅器 １８：帰還抵抗 特許出願人 松下電器産業株式会社 代理人弁理士 阿 部 功 第１図 第２図 第４図 第５図 第６図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、 受光素子を演算増幅器の差動入力端子間に接続し
、前記演算増幅器の出力端と前記受光素子間に帰還抵抗
を接続した光学式センサの受光回路において、前記受光
素子の光電流を減少させる方向にバイアス電源を接続し
た光学式センサの受光回路。 ２、 前記受光素子が順方向にバイアスされるよう前記
バイアス電源を接続すると共に前記バイアス電源の（ハ
）端子を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式
センサの受光回路。 ３、 前記受光素子の入力端子と前記バイアス電源の（
ト）端子を接続し、前記受光素子の出力端子と前記バイ
アス電源の（へ）端子を前記演算増幅器の差動入力端子
に接続すると共に前記バイアス電源の（ト）端子を特徴
とする特許請−求の範囲第１項記載の光学式センサの受
光回路。 ４ 前記受光素子をＰＮ接合ホトダイオードとし、前記
受光素子の入力端子を前記帰還抵抗に接続し、前記受光
素子の出力端子と前記バイアス電源の（ハ）端子を接続
し、前記受光素子の入力端子と前記バイアス電源の（ト
）端子を前記演算増幅器の差動入力端子に接続すると共
に前記バイアス電源の（ト）端子を特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の光学式センサの受光回路。 ５・ 前記受光素子をＰＮＮ会合ホトダイオードし、前
記受光素子の入力端子を前記帰還抵抗に接続し、前記受
光素子の出力端子と前記バイアス電源の（ハ）端子を接
続し、前記受光素子の入力端子と前記バイアス電源の（
ト）端子を前記演算増幅器の差動入力端子に接続すると
共に前記バイアス電源（７）（ハ）端子を特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の光学式センサの受光回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24917083A JPS60143728A (ja) | 1983-12-29 | 1983-12-29 | 光学式センサの受光回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24917083A JPS60143728A (ja) | 1983-12-29 | 1983-12-29 | 光学式センサの受光回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60143728A true JPS60143728A (ja) | 1985-07-30 |
Family
ID=17188944
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24917083A Pending JPS60143728A (ja) | 1983-12-29 | 1983-12-29 | 光学式センサの受光回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60143728A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05322651A (ja) * | 1992-05-25 | 1993-12-07 | Shimadzu Corp | 光検出器 |
-
1983
- 1983-12-29 JP JP24917083A patent/JPS60143728A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05322651A (ja) * | 1992-05-25 | 1993-12-07 | Shimadzu Corp | 光検出器 |
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