WO2023153112A1 - 検出回路、光学センサ - Google Patents

Abstract

例えば、検出回路１２は、アナログ入力信号ＡＩＮを積分することによりアナログ出力信号ＡＯＵＴを生成するように構成された積分器（１２１～１２５）と、アナログ出力信号ＡＯＵＴをデジタル出力信号ＤＯＵＴに変換するように構成されたアナログ／デジタル変換器１２８と、積分器（１２１～１２５）の積分期間にデジタル出力信号ＤＯＵＴが第１閾値ｄ１に達するとアナログ出力信号ＡＯＵＴを放電するように構成された制御部１２９と、を備える。

Description

検出回路、光学センサ

　本明細書中に開示されている発明は、光学センサ（例えば、スマートフォン用の照度センサ又は近接センサ）、及び、これに用いられる検出回路に関する。

　光を検出する光学センサは、様々なアプリケーションに搭載されている。

　なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献１を挙げることができる。

特開２０２１－１１０６５８号公報

　しかしながら、従来の光学センサ（特にこれに用いられる検出回路）では、高速動作とＳＮ比向上を両立することが困難であった。

　例えば、本明細書中に開示されている検出回路は、アナログ入力信号を積分することによりアナログ出力信号を生成するように構成された積分器と、前記アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換するように構成されたアナログ／デジタル変換器と、前記積分器の積分期間に前記デジタル出力信号が第１閾値に達すると前記アナログ出力信号を放電するように構成された制御部と、を備える。

　なお、その他の特徴、要素、ステップ、利点、及び、特性については、以下に続く発明を実施するための形態及びこれに関する添付の図面によって、さらに明らかとなる。

　本明細書中に開示されている発明によれば、高速動作とＳＮ比向上を両立することのできる光学センサ、及び、これに用いる検出回路を提供することが可能となる。

図１は、光学センサの第１比較例を示す図である。 図２は、第１比較例における光検出動作の一例を示す図である。 図３は、光学センサの第２比較例を示す図である。 図４は、第２比較例における光検出動作の一例を示す図である。 図５は、段階放電期間がボトルネックとなる様子を示す図である。 図６は、アナログ出力信号の実波形と理想波形を示す図である。 図７は、光学センサの新規な実施形態を示す図である。 図８は、新規な実施形態における光検出動作の第１例を示す図である。 図９は、新規な実施形態における光検出動作の第２例を示す図である。 図１０は、新規な実施形態における光検出動作の第３例を示す図である。

＜光学センサ（第１比較例）＞
　まず、光学センサの新規な実施形態の説明に先立ち、これと対比される比較例について簡単に説明する。図１は、光学センサの第１比較例を示す図である。本比較例の光学センサ１０は、光を検出して電気信号に変換する半導体集積回路装置（照度センサＩＣなど）であり、受光素子１１と検出回路１２を有する。

　受光素子１１は、入射光に応じた受光信号ＩＰＤ（＝電流信号）を生成する光電変換素子である。受光信号ＩＰＤは、入射光が強いほど大きくなり、入射光が弱いほど小さくなる。受光素子１１としては、フォトダイオードまたはフォトトランジスタを好適に用いることができる。

　検出回路１２は、受光信号ＩＰＤを検出してアナログ出力信号ＡＯＵＴを生成する回路部であり、オペアンプ１２１と、キャパシタ１２２と、スイッチ１２３～１２５を含む。

　オペアンプ１２１の反転入力端（－）は、アナログ入力信号ＡＩＮの印加端に接続されている。オペアンプ１２１の非反転入力端（＋）は、バイアス電圧ＶＢ（例えば、ＶＢ＝０．５Ｖ）の印加端に接続されている。オペアンプ１２１の出力端は、アナログ出力信号ＡＯＵＴの印加端に接続されている。なお、アナログ出力信号ＡＯＵＴには、不図示の後段回路において、増幅処理及びＡ／Ｄ［analog-to-digital］変換処理などが施される。

　キャパシタ１２２（容量値Ｃ１）は、オペアンプ１２１の反転入力端（－）と出力端との間に接続されている。

　スイッチ１２３は、キャパシタ１２２に並列接続されており、切替信号ＳＷ１に応じてオン／オフされる。例えば、スイッチ１２３は、ＳＷ１＝Ｈであるときにオンして、ＳＷ１＝Ｌであるときにオフする。

　スイッチ１２４は、受光素子１１（例えばフォトダイオードのカソード）とオペアンプ１２１の反転入力端（－）との間に接続されており、切替信号ＳＷ２に応じてオン／オフされる。例えば、スイッチ１２４は、ＳＷ２＝Ｈであるときにオンして、ＳＷ２＝Ｌであるときにオフする。

　スイッチ１２５は、受光素子１１（例えばフォトダイオードのカソード）とバイアス電圧ＶＢの印加端との間に接続されており、反転切替信号ＳＷ２Ｂ（＝切替信号ＳＷ２の論理反転信号）に応じてオン／オフされる。例えば、スイッチ１２５は、ＳＷ２Ｂ＝Ｈであるときにオンして、ＳＷ２Ｂ＝Ｌであるときにオフする。

　図２は、第１比較例における光検出動作の一例を示す図であり、上から順に、光学センサ１０の動作状態（ＳＴＡＴＥ）、切替信号ＳＷ１及びＳＷ２、反転切替信号ＳＷ２Ｂ、並びに、アナログ出力信号ＡＯＵＴが描写されている。

　時刻ｔ１１以前は、光学センサ１０の待機期間に相当する。このとき、ＳＷ１＝ＳＷ２＝Ｈとなり、ＳＷ２Ｂ＝Ｌとなる。すなわち、スイッチ１２３及び１２４がオンして、スイッチ１２５がオフする。その結果、検出回路１２は、受光信号ＩＰＤ（延いてはアナログ入力信号ＡＩＮ）の積分動作を行わない状態となるので、ＡＯＵＴ＝ＶＢとなる。

　時刻ｔ１１～ｔ１２は、光学センサ１０の積分期間に相当する。このとき、ＳＷ１＝ＳＷ２Ｂ＝Ｌとなり、ＳＷ２＝Ｈとなる。すなわち、スイッチ１２３及び１２５がオフしてスイッチ１２４がオンする。その結果、検出回路１２は、受光信号ＩＰＤ（延いてはアナログ入力信号ＡＩＮ）の積分動作を行う状態となるので、アナログ出力信号ＡＯＵＴがバイアス電圧ＶＢから上昇していく。

　時刻ｔ１２以降は、光学センサ１０の測定期間に相当する。このとき、ＳＷ１＝ＳＷ２＝Ｌとなり、ＳＷ２Ｂ＝Ｈとなる。すなわち、スイッチ１２３及び１２４がオフして、スイッチ１２５がオンする。その結果、アナログ出力信号ＡＯＵＴは、時刻ｔ１２直前の信号値に保持される。このアナログ出力信号ＡＯＵＴは、受光信号ＩＰＤの大きさ（延いては入射光の強さ）に比例した電圧値を持ち、入射光の測定値として利用される。

　ところで、光学センサ１０として、最も重要な特性の一つに検出感度がある。この検出感度を上げる方法としては、同じ入射光の強さに対してアナログ出力信号ＡＯＵＴが大きくなればよいので、積分期間（＝時刻ｔ１１～ｔ１２）を長くすることが考えられる。

　ただし、アナログ出力信号ＡＯＵＴには、光学センサ１０の電源電圧と回路方式に依存した上限値（出力ダイナミックレンジ）があり、アナログ出力信号ＡＯＵＴが上限値に到達すると正しい積分動作ができなくなる。

　例えば、光学センサ１０の電源電圧が３Ｖである場合には、検出回路１２をどのような回路構成にしても、３Ｖ以上のアナログ出力信号ＡＯＵＴを得ることはできない。また、オペアンプ１２１の出力段を形成するトランジスタが飽和しないよう、電圧マージンを取る必要もあるので、実際には３Ｖよりも低い電圧（例えば２．８Ｖ）がアナログ出力信号ＡＯＵＴの上限値となる。　

　以下では、アナログ出力信号ＡＯＵＴが上限値に達しないように、回路構成に工夫が凝らされた第２比較例について説明する。

＜光学センサ（第２比較例）＞
　図３は、光学センサの第２比較例を示す図である。本比較例の光学センサ１０は、第１比較例（図１）を基本としつつ、検出回路１２の構成要素として、放電部１２６と制御部１２７をさらに有する。

　放電部１２６は、オペアンプ１２１の反転入力端（－）に接続されており、制御部１２７から入力される切替信号ＳＷ３に応じて、キャパシタ１２２に蓄えられた電荷を放電する。具体的に述べると、放電部１２６は、例えばＳＷ３＝Ｈであるときにキャパシタ１２２の放電動作を行い、ＳＷ３＝Ｌであるときにキャパシタ１２２の放電動作を停止する。

　制御部１２７は、アナログ出力信号ＡＯＵＴと上限値ＶＨ及び下限値ＶＬ（ただしＶＬ＜ＶＢ＜ＶＨ）をそれぞれ比較して、放電部１２６を制御するための切替信号ＳＷ３を生成する。また、制御部１２７は、キャパシタ１２２の放電回数（＝切替信号ＳＷ３をハイレベルに立ち上げた回数）に基づいて、受光信号ＩＰＤの積分値データＤＡＴＡを生成する機能も備えている。

　また、キャパシタ１２２の容量値Ｃ１は、固定値ではなく、反転切替信号Ｓ２Ｂに応じた可変値とされている。より具体的に述べると、Ｓ２Ｂ＝Ｌであるときには、Ｃ１＝Ｃ１ａとなり、Ｓ２Ｂ＝Ｈであるときには、Ｃ１＝Ｃ１ｂ（＝ｍ×Ｃ１ａ、ただしｍ＞１）となる（例えば、ｍ＝３２、Ｃ１ａ＝０．５ｐＦ、Ｃ１ｂ＝１６ｐＦ）。

　本比較例の光学センサ１０では、入射光が強いほどキャパシタ１２２の放電動作が頻繁に発生することになる。そのため、キャパシタ１２２の放電を行う度にデジタルの積分値データＤＡＴＡをインクリメントしていくようにすれば、アナログ出力信号ＡＯＵＴを出力ダイナミックレンジに収めつつ、入射光を正しく測定することができる。

　図４は、第２比較例における光検出動作の一例を示す図であり、上から順に、光学センサ１０の動作状態（ＳＴＡＴＥ）、切替信号ＳＷ１及びＳＷ２、反転切替信号ＳＷ２Ｂ、切替信号ＳＷ、アナログ出力信号ＡＯＵＴ、積分値データＤＡＴＡが描写されている。

　時刻ｔ２１以前は、光学センサ１０の待機期間に相当する。このとき、ＳＷ１＝ＳＷ２＝Ｈとなり、ＳＷ２Ｂ＝Ｌとなる。すなわち、スイッチ１２３及び１２４がオンしてスイッチ１２５がオフする。その結果、検出回路１２は、受光信号ＩＰＤ（延いてはアナログ入力信号ＡＩＮ）の積分動作を行わない状態となるので、ＡＯＵＴ＝ＶＢとなる。

　なお、上記の待機期間には、ＳＷ３＝Ｌに維持されるので、キャパシタ１２２の放電動作は行われない。また、積分値データＤＡＴＡは、初期値（＝０）とされている。

　時刻ｔ２１～ｔ２２は、光学センサ１０の積分期間に相当する。このとき、ＳＷ１＝ＳＷ２Ｂ＝Ｌとなり、ＳＷ２＝Ｈとなる。すなわち、スイッチ１２３及び１２５がオフしてスイッチ１２４がオンする。その結果、検出回路１２は、受光信号ＩＰＤ（延いてはアナログ入力信号ＡＩＮ）の積分動作を行う状態となるので、アナログ出力信号ＡＯＵＴがバイアス電圧ＶＢから上昇していく。

　また、上記の積分期間には、アナログ出力信号ＡＯＵＴが上限値ＶＨに達する度に、切替信号ＳＷ３がハイレベルに立ち上げられて、キャパシタ１２２の一括放電動作が行われる。その結果、アナログ出力信号ＡＯＵＴは、上記の一括放電動作が行われる度に上限値ＶＨからバイアス電圧ＶＢまで低下する。すなわち、１回の一括放電動作により、アナログ出力信号ＡＯＵＴは、放電量Ｖ１（＝ＶＨ－ＶＢ）だけ低下する（例えば、ＶＨ＝１．１Ｖ、ＶＢ＝０．５Ｖ、Ｖ１＝０．６Ｖ）。

　なお、積分値データＤＡＴＡは、上記の一括放電動作が行われる度に、１つずつインクリメントされていく。本図に即して述べると、上記の積分期間に３回の一括放電動作が行われているので、時刻ｔ２２では、ＤＡＴＡ＝３となっている。

　時刻ｔ２２～ｔ２３は、光学センサ１０の段階放電期間に相当する。このとき、ＳＷ１＝ＳＷ２＝Ｌとなり、ＳＷ２Ｂ＝Ｈとなる。すなわち、スイッチ１２３及び１２４がオフしてスイッチ１２５がオンする。

　また、上記の段階放電期間には、キャパシタ１２２の容量値Ｃ１が積分期間における容量値Ｃ１ａ（例えば０．５ｐＦ）からより大きい容量値Ｃ１ｂ（例えば１６ｐＦ）に切り替えられた上で、キャパシタ１２２の段階放電動作が繰り返される。その結果、アナログ出力信号ＡＯＵＴは、上記の段階放電動作が行われる度に、先出の放電量Ｖ１よりも小さい放電量Ｖ２（＝Ｖ１／ｍ）ずつ低下していく（例えば、ｍ＝３２、Ｖ１＝０．６Ｖ、Ｖ２＝１８．８ｍＶ）。このような段階放電動作は、アナログ出力信号ＡＯＵＴが下限値ＶＬを下回る時刻ｔ２３まで継続される。

　なお、積分値データＤＡＴＡは、上記の段階放電動作が行われる度に、１／ｍずつインクリメントされていく。本図に即して述べると、上記の段階放電期間にｎ回の段階放電動作が行われているので、時刻ｔ２３では、ＤＡＴＡ＝３＋（ｎ／ｍ）となっている。このように、上記の段階放電動作によれば、積分値データＤＡＴＡの小数点以下を計測することができるので、積分値データＤＡＴＡの分解能を向上させることが可能となる。

　結果として、本比較例の光学センサ１０では、「受光信号ＩＰＤ（延いては入射光）の強さに比例した電圧」を放電量Ｖ２（例えば１８．８ｍＶ）で割った除算値が積分値データＤＡＴＡとして得られる。

　この手法を採用すれば、積分期間を長く設定するほど、光学センサ１０の検出感度を上げることができる。しかしながら、実際にはアプリケーション上の制約などにより、積分期間を無制限に延長することはできない。例えば、スマートフォン用の近接センサなどでは、１０～１００μｓ程度で積分動作を完了させる必要がある。

　図５は、段階放電期間がボトルネックとなる様子を示す図である。第２比較例の光検出動作を採用する場合には、積分期間だけでなく一定の長さの段階放電期間を必要とする。なお、本図の上段で示したように、積分期間を十分に確保することのできるアプリケーション（例えば高速応答が不要なアプリケーション）であれば、積分期間に対する段階放電期間の相対比率が低いので、光学センサ１０の検出感度に影響を及ぼしにくい。

　一方、本図の下段で示したように、フリッカー動作など高速応答が求められるアプリケーションでは、段階放電期間がボトルネックとなるので、積分期間を十分に確保することができなくなり、検出感度の低下に繋がる。逆に、積分期間の確保（検出感度の維持）を優先すると、応答速度に制限が掛かるといったトレードオフが生まれる。

　図６は、アナログ出力信号ＡＯＵＴの実波形と理想波形を示す図であり、上から順に、光学センサ１０の動作状態ＳＴＡＴＥ、切替信号ＳＷ１、及び、アナログ出力信号ＡＯＵＴが描写されている。なお、アナログ出力信号ＡＯＵＴについて、実線は実際の挙動を示しており、破線は理想的な挙動を示している。

　アナログ出力信号ＡＯＵＴに発生するノイズには、２つのノイズ成分ｎ１及びｎ２が含まれている。

　１つ目のノイズ成分ｎ１は、時刻ｔ３１で積分動作を開始した瞬間、すなわち、切替信号ＳＷ１をハイレベルからローレベルに切り替えた瞬間（延いてはスイッチ１２３をオンからオフに切り替えた瞬間）に生じる電圧変動である。

　２つ目のノイズ成分ｎ２は、受光素子１１の寄生容量（容量値Ｃｐ）と積分容量（＝キャパシタ１２２の容量値Ｃ１）との比でゲインアップされたオペアンプ１２１のアナログ出力信号ＡＯＵＴが積分動作中に発生する電圧変動である。

　先述の段階放電動作は、時刻ｔ３２で積分動作を終了した時点におけるアナログ出力信号ＡＯＵＴの電圧値を元に実施される。そのため、光学センサ１０のＳＮ比を向上するためには、上記２つのノイズ成分ｎ１及びｎ２の影響を抑えることが重要となる。

　以下では、上記の考察に鑑み、高速動作とＳＮ比向上を両立することのできる新規な実施形態について提案する。

＜光学センサ（実施形態）＞
　図７は光学センサの新規な実施形態を示す図である。本実施形態の光学センサ１０は、先出の第１比較例（図１）を基本としつつ、検出回路１２の構成要素として、アナログ／デジタル変換器１２８と制御部１２９をさらに有する。

　既出の構成要素であるオペアンプ１２１、キャパシタ１２２及びスイッチ１２３～１２５は、アナログ入力信号ＡＩＮを積分することによりアナログ出力信号ＡＯＵＴを生成する積分器を形成している。

　アナログ／デジタル変換器１２８は、アナログ出力信号ＡＯＵＴをデジタル出力信号ＤＯＵＴに変換する。なお、アナログ／デジタル変換器１２８は、例えば、逐次比較レジスタ型（いわゆるＳＡＲ［successive　approximation　register］型）であってもよい。

　制御部１２９は、上記積分器の積分期間にデジタル出力信号ＤＯＵＴが信号値ｄ１（＝第１閾値に相当）に達すると、アナログ出力信号ＡＯＵＴを放電するようにスイッチ１２３（＝放電スイッチに相当）を制御する。また、制御部１２９は、アナログ出力信号ＡＯＵＴの放電直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値と、積分期間の満了直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値を足し合わせて積分値データＤＡＴＡを生成する（詳細については後述）。

　なお、先出の第２比較例（図３）と対比すると、本実施形態の光学センサ１０は、段階放電動作を行うための放電部１２６、及び、アナログ出力信号ＡＯＵＴと上限値ＶＨ及び下限値ＶＬを比較するための制御部１２７に代えて、オペアンプ１２１の後段にアナログ／デジタル変換器１２８を接続した構成であると言える。

　図８は、本実施形態における光検出動作の第１例を示す図であり、上から順に、光学センサ１０の動作状態（ＳＴＡＴＥ）、切替信号ＳＷ１及びＳＷ２、アナログ出力信号ＡＯＵＴ、デジタル出力信号ＤＯＵＴ、並びに、積分値データＤＡＴＡが描写されている。

　時刻ｔ４１以前は、光学センサ１０の待機期間に相当する。このとき、ＳＷ１＝ＳＷ２＝Ｈとなり、ＳＷ２Ｂ＝Ｌとなる。すなわち、スイッチ１２３及び１２４がオンしてスイッチ１２５がオフする。その結果、検出回路１２は、受光信号ＩＰＤ（延いてはアナログ入力信号ＡＩＮ）の積分動作を行わない状態となるので、ＡＯＵＴ＝ＶＢとなる。なお、上記の待機期間において、デジタル出力信号ＤＯＵＴ及び積分値データＤＡＴＡは、いずれも初期値（＝０）とされている。

　時刻ｔ４１～ｔ４３は、光学センサ１０の積分期間（例えばＴ１＝数十μｓ～数ｍｓ）に相当する。このとき、ＳＷ１＝ＳＷ２Ｂ＝Ｌとなり、ＳＷ２＝Ｈとなる。すなわち、スイッチ１２３及び１２５がオフして、スイッチ１２４がオンする。その結果、検出回路１２は、受光信号ＩＰＤ（延いてはアナログ入力信号ＡＩＮ）の積分動作を行う状態となるので、アナログ出力信号ＡＯＵＴがバイアス電圧ＶＢから上昇していく。

　また、アナログ／デジタル変換器１２８は、所定のサンプリング周期（例えばＴ２＝数μｓ）でアナログ出力信号ＡＯＵＴをＡ／Ｄ変換することにより、デジタル出力信号ＤＯＵＴを生成する。従って、時刻ｔ４１以降、アナログ出力信号ＡＯＵＴの上昇に伴い、デジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値も増大していく。

　なお、時刻ｔ４２で示したように、上記の積分期間には、デジタル出力信号ＤＯＵＴが信号値ｄ１に達する度に、切替信号ＳＷ１がハイレベルに立ち上げられてキャパシタ１２２の一括放電動作が行われる。その結果、アナログ出力信号ＡＯＵＴは、上記の一括放電動作が行われる度に上限値からバイアス電圧ＶＢまで低下する。また、デジタル出力信号ＤＯＵＴは、アナログ出力信号ＡＯＵＴの一括放電に伴い、信号値ｄ１から初期値０にリセットされる。また、積分値データＤＡＴＡは、アナログ出力信号ＡＯＵＴの放電直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値ｄ１に書き換えられる。

　キャパシタ１２２の一括放電動作が行われた後、切替信号ＳＷ１が再びローレベルに立ち下げられると、受光信号ＩＰＤ（延いてはアナログ入力信号ＡＩＮ）の積分動作が再開されるので、アナログ出力信号ＡＯＵＴがバイアス電圧ＶＢから上昇していく。また、これに伴い、デジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値も増大していく。

　時刻ｔ４３において、上記の積分期間が満了すると、ＳＷ１＝ＳＷ２＝Ｌとなり、ＳＷ２Ｂ＝Ｈとなる。すなわち、スイッチ１２３及び１２４がオフしてスイッチ１２５がオンする。そして、制御部１２９は、アナログ出力信号ＡＯＵＴの放電直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値（本図では時刻ｔ４２における信号値ｄ１）と、積分期間の満了直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値（本図では時刻ｔ４３における信号値ｄ２）を足し合わせて積分値データ（＝ｄ１＋ｄ２）を生成する。

　このように、本実施形態の光学センサ１０であれば、先出の第２比較例（図３）と異なり、段階放電期間を要することなく、積分期間のみで積分値データを確定することができる。従って、高速応答が求められるアプリケーションでも、積分期間をより長く確保することができるので、検出感度を高めることが可能となる。

　図９は、本実施形態における光検出動作の第２例を示す図であり、上から順に、光学センサ１０の動作状態（ＳＴＡＴＥ）、切替信号ＳＷ１、及び、アナログ出力信号ＡＯＵＴが描写されている。

　制御部１２９は、時刻ｔ５１～ｔ５２で示したように、待機期間から積分期間への移行に際して、スイッチ１２３をオフしてから所定時間Ｔ３の経過後にサンプリング数ｍ（例えばｍ＝６４）だけアナログ出力信号ＡＯＵＴのＡ／Ｄ変換を行い、デジタル出力信号ＤＯＵＴの第１平均値ＡＶＥ１を求める。

　なお、所定時間Ｔ３は、スイッチ１２３をオンからオフに切り替えた瞬間に生じる電圧変動（＝図６のノイズ成分ｎ１に相当）が平衡状態に至るだけの長さに設定すればよい。

　また、サンプリング数ｍは、アナログ出力信号ＡＯＵＴの積分動作中に発生する電圧変動（＝図６のノイズ成分ｎ２に相当）を平滑化し得るだけの数に設定すればよい。

　時刻ｔ５２以降、制御部１２９は、定期的にアナログ出力信号ＡＯＵＴ（延いてはデジタル出力信号ＤＯＵＴ）を監視し、デジタル出力信号ＤＯＵＴが信号値ｄ１に達するか、或いは、積分期間が満了する時刻ｔ５３となるまでアナログ出力信号ＡＯＵＴの積分動作を続ける。なお、本図では明示されていないが、積分期間の途中でデジタル出力信号ＤＯＵＴが信号値ｄ１に達した場合には、アナログ出力信号ＡＯＵＴの放電動作が行われた後に積分動作が再開される。

　ここで、制御部１２９は、積分期間の満了直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの第２平均値ＡＶＥ２を求め、第２平均値ＡＶＥ２から第１平均値ＡＶＥ１を差し引いた差分値（＝ＡＶＥ２－ＡＶＥ１）を、積分期間の満了直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値とする。

　なお、第２平均値ＡＶＥ２のサンプリング数は、第１平均値ＡＶＥ１のサンプリング数ｍに応じた値（例えば第１平均値ＡＶＥ１のサンプリング数ｍと同値）であってもよい。

　また、本図では明示していないが、制御部１２９は、積分期間の途中でアナログ出力信号ＡＯＵＴの放電動作を行う場合、アナログ出力信号ＡＯＵＴの放電直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの第２平均値ＡＶＥ２を求め、第２平均値ＡＶＥ２から先述の第１平均値ＡＶＥ１を差し引いた差分値（＝ＡＶＥ２－ＡＶＥ１）を、アナログ出力信号ＡＯＵＴの放電直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値とする。

　このような信号処理によれば、図６のノイズ成分ｎ１及びｎ２の影響を受け難くなるので、光学センサ１０のＳＮ比を向上することが可能となる。

　図１０は、本実施形態における光検出動作の第３例を示す図であり、上から順に、光学センサ１０の動作状態（ＳＴＡＴＥ）、切替信号ＳＷ１及びＳＷ２、並びに、アナログ出力信号ＡＯＵＴ（デジタル出力信号ＤＯＵＴと理解してもよい）が描写されている。

　積分期間におけるアナログ出力信号ＡＯＵＴの傾きは、アナログ入力信号ＡＩＮの強度（延いては入射光の強度）により変化する。従って、積分期間中におけるキャパシタ１２２の放電タイミングは一定でない。

　そのため、先に説明したデジタル出力信号ＤＯＵＴの平均化処理に際して、第１平均値ＡＶＥ１及び第２平均値ＡＶＥ２それぞれのサンプリング数ｍを固定値とした場合には、入射光の強度（延いてはアナログ出力信号ＡＯＵＴの傾き）が大きいと、サンプリング完了前にデジタル出力信号ＤＯＵＴが信号値ｄ１（＝放電制御用の第１閾値）に達してしまい、動作に破綻を来すおそれがある。

　そこで、先述した第１平均値ＡＶＥ１のサンプリング数（延いては、第２平均値ＡＶＥ２のサンプリング数）は、アナログ入力信号ＡＩＮの強度に応じた可変値にするとよい。具体的に述べると、第１平均値ＡＶＥ１のサンプリング数は、アナログ入力信号ＡＩＮが大きいほど少なくなり、アナログ入力信号ＡＩＮが小さいほど多くなるように、ダイナミックに設定することが望ましい。

　本図に即して述べると、積分期間の開始時におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの第１平均値ＡＶＥ１は、時刻ｔ６１においてスイッチ１２３がオフされてからアナログ出力信号ＡＯＵＴが信号値ａ２に達するまでの間に得られたサンプリング数ｍ１のデジタル出力信号ＤＯＵＴから算出される。

　すなわち、第１平均値ＡＶＥ１のサンプリング数ｍ１は、アナログ出力信号ＡＯＵＴが信号値ａ２（＝サンプリング数設定用の第２閾値に相当）に達した時点でのサンプリング数に設定される。従って、サンプリング数ｍ１は、アナログ出力信号ＡＯＵＴの傾きが大きいほど少なくなり、アナログ出力信号ＡＯＵＴの傾きが小さいほど多くなる。

　時刻ｔ６２においてアナログ出力信号ＡＯＵＴが信号値ａ１（＝放電制御用の第１閾値に相当）に達すると、先述のサンプリング数ｍ１だけアナログ出力信号ＡＯＵＴのＡ／Ｄ変換が行われてデジタル出力信号ＤＯＵＴの第２平均値ＡＶＥ２が求められる。

　そして、第２平均値ＡＶＥ２から第１平均値ＡＶＥ１を差し引いた差分値（＝ＡＶＥ２－ＡＶＥ１）が、アナログ出力信号ＡＯＵＴの放電直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値として取り扱われる。

　なお、デジタル出力信号ＤＯＵＴの第２平均値ＡＶＥ２が算出されると、時刻ｔ６３においてスイッチ１２３が一時的にオンされて、アナログ出力信号ＡＯＵＴがバイアス電圧ＶＢとなるまで放電される。

　上記の放電動作が行われた後、積分再開時におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの第１平均値ＡＶＥ１’は、時刻ｔ６３においてスイッチ１２３が再びオフされてからアナログ出力信号ＡＯＵＴが信号値ａ２に達するまでの間に得られたサンプリング数ｍ２のデジタル出力信号ＤＯＵＴから算出される。

　すなわち、第１平均値ＡＶＥ１’のサンプリング数ｍ２は、アナログ出力信号ＡＯＵＴが信号値ａ２に達した時点でのサンプリング数に設定される。なお、本図では、時刻ｔ６１～ｔ６３と比べて、時刻ｔ６３～ｔ６４におけるアナログ出力信号ＡＯＵＴの傾きが急峻となっている。従って、サンプリング数ｍ２がサンプリング数ｍ１よりも小さくなる。

　その後、時刻ｔ６４における積分期間の満了直前に、先述のサンプリング数ｍ２だけアナログ出力信号ＡＯＵＴのＡ／Ｄ変換が行われて、デジタル出力信号ＤＯＵＴの第２平均値ＡＶＥ２’が求められる。

　そして、第２平均値ＡＶＥ２’から第１平均値ＡＶＥ１’を差し引いた差分値（＝ＡＶＥ２’－ＡＶＥ１’）が、積分期間の満了直前におけるデジタル出力信号ＤＯＵＴの信号値として取り扱われる。

＜総括＞
　以下では、上記で説明した種々の実施形態について総括的に述べる。

　例えば、本明細書中に開示されている検出回路は、アナログ入力信号を積分することによりアナログ出力信号を生成するように構成された積分器と、前記アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換するように構成されたアナログ／デジタル変換器と、前記積分器の積分期間に前記デジタル出力信号が第１閾値に達すると前記アナログ出力信号を放電するように構成された制御部と、を備える構成（第１の構成）とされている。

　上記第１の構成による検出回路において、前記制御部は、前記アナログ出力信号の放電直前における前記デジタル出力信号の信号値と、前記積分期間の満了直前における前記デジタル出力信号の信号値を足し合わせて積分値データを生成する構成（第２の構成）にしてもよい。

　上記第１又は第２の構成による検出回路において、前記積分器は、反転入力端が前記アナログ入力信号の印加端に接続されて非反転入力端がバイアス電圧の印加端に接続されて出力端が前記アナログ出力信号の印加端に接続されるように構成されたオペアンプと、前記オペアンプの前記反転入力端と前記オペアンプの前記出力端との間に接続されるように構成された積分容量と、前記積分容量に並列接続されるように構成された放電スイッチとを含む構成（第３の構成）にしてもよい。

　上記第３の構成による検出回路において、前記制御部は、前記放電スイッチをオフしてから所定時間の経過後に前記デジタル出力信号の第１平均値を求めるとともに、前記アナログ出力信号の放電直前又は前記積分期間の満了直前における前記デジタル出力信号の第２平均値を求め、前記第２平均値から前記第１平均値を差し引いた差分値を、前記アナログ出力信号の放電直前又は前記積分期間の満了直前における前記デジタル出力信号の信号値とする構成（第４の構成）にしてもよい。

　上記第４の構成による検出回路において、前記第２平均値のサンプリング数は、前記第１平均値のサンプリング数に応じて設定される構成（第５の構成）にしてもよい。

　上記第５の構成による検出回路において、前記第１平均値のサンプリング数は前記アナログ入力信号の強度に応じた可変値である構成（第６の構成）にしてもよい。

　上記第６の構成による検出回路において、前記第１平均値のサンプリング数は、前記アナログ入力信号が大きいほど少なくなり、前記アナログ入力信号が小さいほど多くなる構成（第７の構成）にしてもよい。

　上記第７の構成による検出回路において、前記第１平均値のサンプリング数は、前記アナログ出力信号が第２閾値に達した時点でのサンプリング数に設定される構成（第８の構成）にしてもよい。

　上記第１～第８いずれかの構成による検出回路において、前記アナログ／デジタル変換器は、逐次比較レジスタ型である構成（第９の構成）にしてもよい。

　また、例えば、本明細書中に開示されている光学センサは、受光信号を生成するように構成された受光素子と、前記アナログ入力信号として前記受光信号の入力を受け付けるように構成された上記第１～第９いずれかの構成による検出回路と、を備える構成（第１０の構成）とされている。

＜その他の変形例＞
　なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲により規定されるものであって、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

　　　１０　　光学センサ
　　　１１　　受光素子（フォトダイオード）
　　　１２　　検出回路
　　　１２１　　オペアンプ
　　　１２２　　キャパシタ
　　　１２３　　スイッチ
　　　１２４　　スイッチ
　　　１２５　　スイッチ
　　　１２６　　放電部
　　　１２７　　制御部
　　　１２８　　アナログ／デジタル変換器
　　　１２９　　制御部

Claims (10)

1. 　アナログ入力信号を積分することによりアナログ出力信号を生成するように構成された積分器と、
   　前記アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換するように構成されたアナログ／デジタル変換器と、
   　前記積分器の積分期間に前記デジタル出力信号が第１閾値に達すると前記アナログ出力信号を放電するように構成された制御部と、
   　を備える、検出回路。
2. 　前記制御部は、前記アナログ出力信号の放電直前における前記デジタル出力信号の信号値と、前記積分期間の満了直前における前記デジタル出力信号の信号値を足し合わせて積分値データを生成する、請求項１に記載の検出回路。
3. 　前記積分器は、
   　反転入力端が前記アナログ入力信号の印加端に接続されて非反転入力端がバイアス電圧の印加端に接続されて出力端が前記アナログ出力信号の印加端に接続されるように構成されたオペアンプと、
   　前記オペアンプの前記反転入力端と前記オペアンプの前記出力端との間に接続されるように構成された積分容量と、
   　前記積分容量に並列接続されるように構成された放電スイッチと、
   　を含む、請求項１又は２に記載の検出回路。
4. 　前記制御部は、前記放電スイッチをオフしてから所定時間の経過後に前記デジタル出力信号の第１平均値を求めるとともに、前記アナログ出力信号の放電直前又は前記積分期間の満了直前における前記デジタル出力信号の第２平均値を求め、前記第２平均値から前記第１平均値を差し引いた差分値を、前記アナログ出力信号の放電直前又は前記積分期間の満了直前における前記デジタル出力信号の信号値とする、請求項３に記載の検出回路。
5. 　前記第２平均値のサンプリング数は、前記第１平均値のサンプリング数に応じて設定される、請求項４に記載の検出回路。
6. 　前記第１平均値のサンプリング数は、前記アナログ入力信号の強度に応じた可変値である、請求項５に記載の検出回路。
7. 　前記第１平均値のサンプリング数は、前記アナログ入力信号が大きいほど少なくなり、前記アナログ入力信号が小さいほど多くなる、請求項６に記載の検出回路。
8. 　前記第１平均値のサンプリング数は、前記アナログ出力信号が第２閾値に達した時点でのサンプリング数に設定される、請求項７に記載の検出回路。
9. 　前記アナログ／デジタル変換器は、逐次比較レジスタ型である、請求項１～８のいずれか一項に記載の検出回路。
10. 　受光信号を生成するように構成された受光素子と、
    　前記アナログ入力信号として前記受光信号の入力を受け付けるように構成された請求項１～９のいずれか一項に記載の検出回路と、
    　を備える、光学センサ。

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