專利名稱：光檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及將光電轉換元件的光電流轉換為電壓的光檢測裝置。
背景技術：
光檢測裝置在光入射到光電二極管、光電晶體管等光電轉換元件時，將根據光的 照度而產生的光電流轉換為電壓并輸出。在光電二極管、光電晶體管等光電轉換元件中產生的光電流與照度成比例。因此， 在將光電流轉換為電壓的現(xiàn)有的光電轉換電路中，作為輸出電壓的輸出形式，存在輸出與 光的照度成比例的電壓的形式、以及輸出與光的照度的對數(shù)成比例的電壓的形式。例如，圖4所示的專利文獻1的光檢測裝置采用了通過電阻3、在放大器2中對光 電二極管1因光產生的光電流進行電壓轉換的方式，得到的輸出電壓為光電二極管產生的 電流的大小的一次式。由此，能夠得到與光的照度成比例的電壓。另外，例如在圖5所示的專利文獻2的光檢測裝置中，與作為光電轉換元件的光電 晶體管4串聯(lián)連接著二極管1，利用二極管的電流電壓特性呈指數(shù)函數(shù)這一情況，以使輸出 電壓與光電晶體管產生的光電流的大小的對數(shù)成比例的方式，來配置放大器2和電阻3。由 于光電流的大小與照度成比例，從而得到了與光的照度的對數(shù)成比例的輸出。因此，照度越 小，越能提高照度檢測的分辨率。專利文獻1日本特開平11-211563號公報專利文獻2日本特開2005-241306號公報這里，在得到與光的照度的對數(shù)成比例的輸出的情況下，會發(fā)生如下問題。第一，光檢測裝置的消耗電流增大。這是因為，為了得到輸出電壓，需要使電流持 續(xù)流過光電轉換元件，并且，為了改善SN比并得到充分的感光度，需要增大流過受光元件 的電流。第二，由于電路的輸出為對數(shù)，所以，無法使用數(shù)字電路簡便、高精度地進行此后的
信號處理。

發(fā)明內容
因此，為了解決上述課題，采用了對光電二極管產生的電荷進行一定時間的蓄積、 并利用放大器對蓄積的電荷進行放大而得到輸出的電荷蓄積方式，進而，通過切換蓄積時 間，使電路的輸出具有分段地對照度的對數(shù)進行直線近似的特性。具體而言，構成了如下的光檢測裝置，該光檢測裝置將根據向光電轉換元件入射 的光的照度而產生的光電流轉換為電壓，其中，在一定的蓄積時間的期間，將所述光電轉換 元件產生的所述光電流作為電荷進行蓄積，對蓄積的所述電荷進行放大，得到輸出電壓，并 且，通過切換所述蓄積時間，使所述輸出電壓具有分段地對照度的對數(shù)進行直線近似的特 性。通過使用電荷蓄積方式，與電流電壓轉換方式相比，能夠削減功耗。并且，電路的 輸出具有分段地對對數(shù)進行直線近似的特性，因此，相比于輸出與照度成比例的電壓的線性形式，能夠實現(xiàn)很寬的動態(tài)范圍的輸出。通過將多個線性特性進行組合，能夠根據目標系 統(tǒng)實現(xiàn)最佳的照度-電壓轉換特性。在電路規(guī)模方面，能夠以線性形式為基礎，通過追加小 規(guī)模的電路來實現(xiàn)。


圖1是用于說明本發(fā)明的光檢測裝置的實施例的框圖。圖2是用于說明切換單元的實施例的框圖。圖3是用于說明本發(fā)明的光檢測裝置的動作的圖。圖4是說明現(xiàn)有的輸出與光的照度成比例的電壓的光檢測裝置的電路圖。圖5是說明現(xiàn)有的輸出與光的照度的對數(shù)成比例的電壓的光檢測裝置的電路圖。標號說明1 光電二極管；10 光檢測裝置；12 輸出單元；13 :放大器；15 采樣保持電路； 16 復位電路；17 開關；19 直流電源；20 切換單元；21 比較電路；22、23、24 基準電壓 源；25 開關電路；26 定時電路。
具體實施例方式圖1是用于說明本實施方式的光檢測裝置10的結構的圖。光檢測裝置10例如被用作測定外界照度的照度計，例如可用于在移動電話的液 晶顯示畫面中調節(jié)背光的亮度。作為產生與入射光的照度對應的光電流的光電轉換元件的光電二極管1被連接 成反偏形式，即，其陽極端子接地，陰極端子與放大器13連接，且經由開關17與直流電源19 連接。開關17由晶體管等開關元件構成，根據來自復位電路16的復位信號，來接通或斷開 光電二極管1與直流電源19之間的連接。放大器13由運算放大器等放大電路構成，檢測 光電二極管1的陰極端子的電壓并對其進行放大，并且，放大器13與采樣保持電路15和切 換單元20連接。放大器13例如構成為，其輸入阻抗無限大，從而來自光電二極管1的電流 無法流入，因此能夠在不影響光電二極管1產生的電壓的情況下對其進行放大。直流電源 19例如由恒壓電路構成，當開關17接通時，使光電二極管1的陰極端子成為基準電壓。另一方面，當開關17斷開時，陰極端子在電氣上成為開放端狀態(tài)(懸浮狀態(tài))，在 光電二極管1中蓄積與光強對應的電荷。在該情況下，由于光電二極管1被直流電源19進 行了反向偏置，因此，陰極端子的電壓因光電二極管1中產生的電子而下降。這樣，能夠以電壓形式檢測到蓄積在光電二極管1中的電荷量。而且，其下降速度 與電子的生成速度、即光強成反比。當開關17再次接通時，蓄積在光電二極管1中的電荷被復位成初始狀態(tài)，陰極端 子的電壓變?yōu)榛鶞孰妷?。復位電?6根據切換單元20的判定結果來切換復位間隔，以規(guī) 定間隔向開關17發(fā)送復位信號，使開關17接通或斷開。而且，復位電路16通過將開關17 接通來使光電二極管1的陰極端子的電壓復位成基準電壓(即，將蓄積在光電二極管1中 的電荷復位成初始值)，而通過使開關17斷開來在光電二極管1中蓄積電荷。這樣，通過將受光元件的端子設為開放端狀態(tài)，從而復位電路16和開關17作為 使該受光元件蓄積所產生的電荷的蓄積單元發(fā)揮功能，并且，通過將受光元件的規(guī)定電極
4(該情況下為陰極端子)連接至規(guī)定的恒壓源(直流電源19)，從而復位電路16和開關17 作為使蓄積在該受光元件中的電荷復位的復位單元發(fā)揮功能。采樣保持電路15例如可由運算放大器、開關、電阻、電容器構成，針對從放大器13 輸出的電壓，該采樣保持電路15按照切換單元20生成的定時，保持放大器13的輸出電平。 并且，向輸出單元12輸出該保持的電壓。這樣，采樣保持電路15作為取得蓄積在受光元件 (光電二極管1)中的電荷的測定值的單元發(fā)揮功能，并且，作為在下次測定之前一直保持 該取得的輸出的單元發(fā)揮功能。在以上的說明中，使用了光電二極管來作為輸出與光的照度對應的光電流的光電 轉換元件，不過，也可以使用光電晶體管，此外，還可以使用其他傳感器。接著，使用圖2來具體說明切換單元20的結構。切換單元20由比較電路21、開關 電路25、基準電壓源22、23、24構成，將放大器13的輸出電壓與規(guī)定電壓進行大小比較，根 據其判定結果，生成用于切換復位電路16的復位間隔的信號、采樣保持電路15的采樣/保 持信號、輸出單元12的參考電壓。開關電路25取得各信號的定時，且具有定時電路26，該 定時電路26用于在恰當?shù)臅r機來切換基準電壓23、24。輸出單元12由使用了運算放大器等的放大電路構成，通過如下的加法處理等運 算處理，針對接收的光強，進行唯一的輸出，所述加法處理是將構成切換單元的開關電路 25生成的參考電壓和采樣保持電路15保持的與光強成比例的電壓進行相加。由此，能夠判 定外界的照度。另外，未作圖示，輸出單元12例如與調節(jié)液晶顯示裝置的背光的亮度的亮度調節(jié) 部連接，該亮度調節(jié)部根據輸出單元12的電壓值來調節(jié)液晶顯示裝置的背光的亮度。這 里，液晶顯示裝置作為顯示圖像的圖像顯示單元發(fā)揮功能，亮度調節(jié)部作為根據輸出單元 12判別的亮度來調節(jié)圖像顯示單元的亮度的亮度調節(jié)單元發(fā)揮功能。使用圖3來說明如上構成的光檢測裝置10的工作原理。在將由蓄積電荷的光強(光電流)引起的電壓下降設為△ V(與基準電壓之間的 電壓差)時，光強(光電流)I與蓄積電荷Q之間的關系為Q = CA V，并且，光電流I、蓄積 時間T以及蓄積電荷Q之間的關系為Q = IT，電位差Δ V可表示為AV=IT/C。S卩，在把 T/C設為常數(shù)時，光電流I可由電位差AV來表示。在電路結構上，ΔΥ存在上限值(飽和 電壓)，所以，通過可變地設置多個蓄積時間Τ，能夠測定大范圍的光電流。圖3(a)示出了 2個蓄積時間Τ1、Τ2的光強(光電流)I和因蓄積電荷引起的電位 差Δ V的特性。Vs是飽和電壓，對于蓄積時間Τ1、Τ2雙方而言是相同的值。il是蓄積時間 Tl的最大光強(光電流)，i2是蓄積時間T2的最大光強(光電流)。這里的AV的值表示 由與各個蓄積時間Τ1、Τ2中的光強(光電流)對應的蓄積電荷的光強(光電流)引起的電 壓下降Δ V(與基準電壓之間的電壓差)。Vt是蓄積時間Tl的針對光強(光電流) 2的電 位差Δ V的檢測值。人眼對光強的感覺方式是相對于光強呈對數(shù)關系的感覺，而不是呈線性關系的感 覺。例如，在暗的地方可感覺到ILux的變化，而在亮的地方，卻無法感覺到lOOLux的變化。 即，在暗環(huán)境中感光度高(敏感)，而在亮環(huán)境中感光度低(遲鈍)。如圖3(a)所示，在蓄積時間Tl、T2中，飽和電壓Vs為相同電壓，因此，光強(光電 流)的檢測值在蓄積時間Tl中檢測范圍大，在蓄積時間Τ2中檢測范圍小。這表示，如果蓄
5積時間短，則分辨率低(感光度低)，如果蓄積時間長，則分辨率高(感光度高)。為了得到接近人眼的特性，只要在亮環(huán)境中設為低感光度(縮短蓄積時間)、在暗 環(huán)境中設為高感光度(延長蓄積時間)即可。接著，說明感光度切換的工作原理。圖3 (b)示出了對蓄積時間Tl和蓄積時間T2中的Δ V禾Π I的線性特性進行合成 后的特性。在圖3(a)中，蓄積時間Tl和蓄積時間Τ2具有相同的電壓范圍，所以，無法識別 Tl和Τ2的Δ V。但是，蓄積時間Tl與Τ2存在T2> Tl的關系，所以，在蓄積時間上，Tl的 最終時點包含在Τ2的蓄積時間內，所以，可以在Tl的最終時點的判定后，使蓄積時間從Tl 變更(延長)為Τ2。在Tl的最終時點，判定AV比Vt大還是比Vt小，如果比Vt大，則對ΔV加上 (Vs-Vt)作為檢測值，如果比Vt小，則使蓄積時間從Tl變更(延長)為Τ2，將Τ2的最終時 點的ΔΥ作為檢測值。這樣，如圖3(b)所示，能夠將蓄積時間Tl和蓄積時間Τ2的2個線 性特性進行合成。其結果，得到了接近人眼感覺的輸出特性，S卩，在光強(光電流)1為0 i2的暗 環(huán)境中，得到蓄積時間T2的高感光度的線性特性，在光強度(光電流)1為i2 il的亮環(huán) 境中，得到蓄積時間Tl的低感光度的線性特性。本發(fā)明的特征在于，為了接近人的感覺，根據亮環(huán)境和暗環(huán)境下光強度的測定值 來變更蓄積時間，切換感光度，從而得到很大的動態(tài)范圍的輸出。下面說明電路動作。首先，當從復位電路16輸出與蓄積時間Tl的定時對應的復位信號而接通了開關 17時，通過直流電源19使光電二極管1的陰極端子成為基準電壓，將蓄積在光電二極管1 中的電荷復位為初始值。接著，當復位電路16將開關17斷開時，光電二極管1與直流電源19之間被切斷， 并且，由于放大器13的輸入阻抗為無限大，所以，陰極端子在電氣上成為與電路切斷的開 放端狀態(tài)。在該情況下，如圖中的虛線框所示，光電二極管1的PN接合面發(fā)揮與電容器相 同的作用，蓄積由光產生的電荷。而且，通過直流電源19進行反向偏置，因此，由于蓄積在 光電二極管1中的電荷，陰極端子的電壓以與光強對應的速度下降。放大器13檢測光電二極管1的陰極端子的電壓并進行放大，將其輸出到采樣保持 電路15和切換單元20。切換單元20在蓄積時間Tl的定時，對放大器13的輸出Δ V與規(guī)定的比較電壓Vt 進行比較。在該比較中，在AV > Vt的情況下，切換單元20進行如下處理(1)不對復位電路16進行復位間隔的切換。(輸出與蓄積時間Tl的定時對應的 復位信號)(2)向采樣保持電路15發(fā)送采樣/保持信號，采樣保持電路15保持放大器13的 輸出Δ V。(在蓄積時間Tl的定時保持放大器13的輸出Δ V)(3)向輸出單元12輸出參考電壓Vs，輸出單元12運算AV+Vs(V)的電壓，輸出與 光強對應的電壓。在Δ V < Vt的情況下，切換單元20進行以下處理
(1)將復位電路16的復位間隔切換為T2。(在蓄積時間Tl的定時，不輸出復位信 號，而是輸出與蓄積時間T2的定時對應的復位信號)(2)在Tl的定時，不向采樣保持電路15發(fā)送采樣/保持信號。比較單元21在接 下來的T2的定時發(fā)送采樣/保持信號，保持放大器13的輸出AV。(在蓄積時間Τ2的定 時保持放大器13的輸出Δ V)(3)在Tl的定時，不對輸出單元12進行參考電壓的切換，在Τ2的定時，輸出0V， 輸出單元12運算Δν+0(ν)的電壓，輸出與光強對應的電壓。這樣，光檢測裝置10在圖3(b)所示的光強(光電流)暗的環(huán)境中得到了 Τ2的高 感光度的線性特性，而且，在亮的環(huán)境中得到了 Tl的低感光度的線性特性。由此，能夠提供 有利于構筑符合人眼的感光度特性的系統(tǒng)的光檢測裝置。并且，由于使用了在光電二極管 中蓄積電荷的電荷蓄積方式，所以，能夠減小光檢測裝置的消耗電流。在本實施例中，設Tl定時的參考電壓為Vs (V)、Τ2定時的參考電壓為0 (V)，不過， 可以根據輸出單元的放大器特性等進行變更。并且，說明了對2個線性特性進行合成的情 況，不過，也可以利用同樣的方法對3個以上的線性特性進行合成。在本實施例中，使用了一個光電二極管的分光特性，不過，為了得到期望的分光特 性，也可以向放大器接入具有2種不同分光特性的受光元件(光電二極管)。
權利要求
一種光檢測裝置，該光檢測裝置具有光電轉換元件，其將根據入射的光的照度而產生的光電流轉換為電壓，并在一定的蓄積時間的期間，作為電荷進行蓄積；放大電路，其與所述光電轉換元件連接，用于將所述蓄積的電荷轉換為輸出電壓；以及切換電路，其與所述光電轉換元件以及所述放大電路連接，用于切換所述蓄積時間，其中，以使所述輸出電壓具有分段地對取所述光的照度的對數(shù)的值進行直線近似的特性的方式，切換所述蓄積時間。
2.一種光檢測裝置，該光檢測裝置將根據向光電轉換元件入射的光的照度而產生的光 電流轉換為電壓，該光檢測裝置具有反向偏置的光電二極管；放大器，其與所述光電二極管的一端連接；直流電源，其經由開關與所述光電二極管連接，用于將所述光電二極管復位為一定的 電壓；復位電路，其控制所述開關；采樣保持電路，其與所述放大器的輸出連接；輸出單元，其與所述采樣保持電路的輸出連接；以及切換單元，其與所述放大器的輸出連接，根據所述放大器的輸出來切換蓄積時間，并 且，以使來自所述輸出單元的輸出電壓具有分段地對取所述光的照度的對數(shù)的值進行直線 近似的特性的方式，對所述采樣保持電路、所述復位電路和所述輸出單元進行控制。
3.根據權利要求2所述的光檢測裝置，其中， 所述切換單元包含以下電路比較電路，其接受所述放大器的輸出；以及開關電路，其接受所述比較電路的輸出，且具有定時電路。
全文摘要
本發(fā)明提供光檢測裝置。采用了對光電二極管產生的電荷進行一定時間的蓄積、并利用放大器對蓄積的電荷進行放大而得到輸出的電荷蓄積方式，進而，通過切換蓄積時間，使電路的輸出具有分段地對照度的對數(shù)進行直線近似的特性。即使在很暗的情況下，也能夠具有充分的分辨率。
文檔編號G01J1/42GK101893480SQ20101018525
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權日2009年5月21日
發(fā)明者藤井勇 申請人:精工電子有限公司