專利名稱：光檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將光電轉(zhuǎn)換元件的光電流轉(zhuǎn)換為電壓的光檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
光檢測(cè)裝置在光入射到光電二極管、光電晶體管等光電轉(zhuǎn)換元件時(shí)，將根據(jù)光的 照度而產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)換為電壓并輸出。在光電二極管、光電晶體管等光電轉(zhuǎn)換元件中產(chǎn)生的光電流與照度成比例。因此， 在將光電流轉(zhuǎn)換為電壓的現(xiàn)有的光電轉(zhuǎn)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(duì)數(shù)成比例的電壓的形式。例如，圖4所示的專利文獻(xiàn)1的光檢測(cè)裝置采用了通過(guò)電阻3、在放大器2中對(duì)光 電二極管1因光產(chǎn)生的光電流進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的方式，得到的輸出電壓為光電二極管產(chǎn)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(xiàn)2的光檢測(cè)裝置中，與作為光電轉(zhuǎn)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(chǎn)生的光電流的大小的對(duì)數(shù)成比例的方式，來(lái)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(duì)數(shù)成比例的輸出。因此，照度越 小，越能提高照度檢測(cè)的分辨率。專利文獻(xiàn)1日本特開平11-211563號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開2005-241306號(hào)公報(bào)這里，在得到與光的照度的對(duì)數(shù)成比例的輸出的情況下，會(huì)發(fā)生如下問(wèn)題。第一，光檢測(cè)裝置的消耗電流增大。這是因?yàn)?，為了得到輸出電壓，需要使電流?續(xù)流過(guò)光電轉(zhuǎn)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(guò)受光元件 的電流。第二，由于電路的輸出為對(duì)數(shù)，所以，無(wú)法使用數(shù)字電路簡(jiǎn)便、高精度地進(jìn)行此后的
信號(hào)處理。

發(fā)明內(nèi)容
因此，為了解決上述課題，采用了對(duì)光電二極管產(chǎn)生的電荷進(jìn)行一定時(shí)間的蓄積、 并利用放大器對(duì)蓄積的電荷進(jìn)行放大而得到輸出的電荷蓄積方式，進(jìn)而，通過(guò)切換蓄積時(shí) 間，使電路的輸出具有分段地對(duì)照度的對(duì)數(shù)進(jìn)行直線近似的特性。具體而言，構(gòu)成了如下的光檢測(cè)裝置，該光檢測(cè)裝置將根據(jù)向光電轉(zhuǎn)換元件入射 的光的照度而產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)換為電壓，其中，在一定的蓄積時(shí)間的期間，將所述光電轉(zhuǎn)換 元件產(chǎn)生的所述光電流作為電荷進(jìn)行蓄積，對(duì)蓄積的所述電荷進(jìn)行放大，得到輸出電壓，并 且，通過(guò)切換所述蓄積時(shí)間，使所述輸出電壓具有分段地對(duì)照度的對(duì)數(shù)進(jìn)行直線近似的特 性。通過(guò)使用電荷蓄積方式，與電流電壓轉(zhuǎn)換方式相比，能夠削減功耗。并且，電路的 輸出具有分段地對(duì)對(duì)數(shù)進(jìn)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?qū)崿F(xiàn)很寬的動(dòng)態(tài)范圍的輸出。通過(guò)將多個(gè)線性特性進(jìn)行組合，能夠根據(jù)目標(biāo)系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳的照度-電壓轉(zhuǎn)換特性。在電路規(guī)模方面，能夠以線性形式為基礎(chǔ)，通過(guò)追加小 規(guī)模的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。


圖1是用于說(shuō)明本發(fā)明的光檢測(cè)裝置的實(shí)施例的框圖。圖2是用于說(shuō)明切換單元的實(shí)施例的框圖。圖3是用于說(shuō)明本發(fā)明的光檢測(cè)裝置的動(dòng)作的圖。圖4是說(shuō)明現(xiàn)有的輸出與光的照度成比例的電壓的光檢測(cè)裝置的電路圖。圖5是說(shuō)明現(xiàn)有的輸出與光的照度的對(duì)數(shù)成比例的電壓的光檢測(cè)裝置的電路圖。標(biāo)號(hào)說(shuō)明1 光電二極管；10 光檢測(cè)裝置；12 輸出單元；13 :放大器；15 采樣保持電路； 16 復(fù)位電路；17 開關(guān)；19 直流電源；20 切換單元；21 比較電路；22、23、24 基準(zhǔn)電壓 源；25 開關(guān)電路；26 定時(shí)電路。
具體實(shí)施例方式圖1是用于說(shuō)明本實(shí)施方式的光檢測(cè)裝置10的結(jié)構(gòu)的圖。光檢測(cè)裝置10例如被用作測(cè)定外界照度的照度計(jì)，例如可用于在移動(dòng)電話的液 晶顯示畫面中調(diào)節(jié)背光的亮度。作為產(chǎn)生與入射光的照度對(duì)應(yīng)的光電流的光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管1被連接 成反偏形式，即，其陽(yáng)極端子接地，陰極端子與放大器13連接，且經(jīng)由開關(guān)17與直流電源19 連接。開關(guān)17由晶體管等開關(guān)元件構(gòu)成，根據(jù)來(lái)自復(fù)位電路16的復(fù)位信號(hào)，來(lái)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(yùn)算放大器等放大電路構(gòu)成，檢測(cè) 光電二極管1的陰極端子的電壓并對(duì)其進(jìn)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(gòu)成為，其輸入阻抗無(wú)限大，從而來(lái)自光電二極管1的電流 無(wú)法流入，因此能夠在不影響光電二極管1產(chǎn)生的電壓的情況下對(duì)其進(jìn)行放大。直流電源 19例如由恒壓電路構(gòu)成，當(dāng)開關(guān)17接通時(shí)，使光電二極管1的陰極端子成為基準(zhǔn)電壓。另一方面，當(dāng)開關(guān)17斷開時(shí)，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(qiáng)對(duì)應(yīng)的電荷。在該情況下，由于光電二極管1被直流電源19進(jìn) 行了反向偏置，因此，陰極端子的電壓因光電二極管1中產(chǎn)生的電子而下降。這樣，能夠以電壓形式檢測(cè)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(qiáng)成反比。當(dāng)開關(guān)17再次接通時(shí)，蓄積在光電二極管1中的電荷被復(fù)位成初始狀態(tài)，陰極端 子的電壓變?yōu)榛鶞?zhǔn)電壓。復(fù)位電路16根據(jù)切換單元20的判定結(jié)果來(lái)切換復(fù)位間隔，以規(guī) 定間隔向開關(guān)17發(fā)送復(fù)位信號(hào)，使開關(guān)17接通或斷開。而且，復(fù)位電路16通過(guò)將開關(guān)17 接通來(lái)使光電二極管1的陰極端子的電壓復(fù)位成基準(zhǔn)電壓(即，將蓄積在光電二極管1中 的電荷復(fù)位成初始值)，而通過(guò)使開關(guān)17斷開來(lái)在光電二極管1中蓄積電荷。這樣，通過(guò)將受光元件的端子設(shè)為開放端狀態(tài)，從而復(fù)位電路16和開關(guān)17作為 使該受光元件蓄積所產(chǎn)生的電荷的蓄積單元發(fā)揮功能，并且，通過(guò)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(fù)位電路16和開關(guān)17 作為使蓄積在該受光元件中的電荷復(fù)位的復(fù)位單元發(fā)揮功能。采樣保持電路15例如可由運(yùn)算放大器、開關(guān)、電阻、電容器構(gòu)成，針對(duì)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(shí)，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(cè)定值的單元發(fā)揮功能，并且，作為在下次測(cè)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(shuō)明中，使用了光電二極管來(lái)作為輸出與光的照度對(duì)應(yīng)的光電流的光電 轉(zhuǎn)換元件，不過(guò)，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(lái)具體說(shuō)明切換單元20的結(jié)構(gòu)。切換單元20由比較電路21、開關(guān) 電路25、基準(zhǔn)電壓源22、23、24構(gòu)成，將放大器13的輸出電壓與規(guī)定電壓進(jìn)行大小比較，根 據(jù)其判定結(jié)果，生成用于切換復(fù)位電路16的復(fù)位間隔的信號(hào)、采樣保持電路15的采樣/保 持信號(hào)、輸出單元12的參考電壓。開關(guān)電路25取得各信號(hào)的定時(shí)，且具有定時(shí)電路26，該 定時(shí)電路26用于在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)來(lái)切換基準(zhǔn)電壓23、24。輸出單元12由使用了運(yùn)算放大器等的放大電路構(gòu)成，通過(guò)如下的加法處理等運(yùn) 算處理，針對(duì)接收的光強(qiáng)，進(jìn)行唯一的輸出，所述加法處理是將構(gòu)成切換單元的開關(guān)電路 25生成的參考電壓和采樣保持電路15保持的與光強(qiáng)成比例的電壓進(jìn)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(diào)節(jié)液晶顯示裝置的背光的亮度的亮度調(diào)節(jié) 部連接，該亮度調(diào)節(jié)部根據(jù)輸出單元12的電壓值來(lái)調(diào)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(diào)節(jié)部作為根據(jù)輸出單元 12判別的亮度來(lái)調(diào)節(jié)圖像顯示單元的亮度的亮度調(diào)節(jié)單元發(fā)揮功能。使用圖3來(lái)說(shuō)明如上構(gòu)成的光檢測(cè)裝置10的工作原理。在將由蓄積電荷的光強(qiáng)(光電流)引起的電壓下降設(shè)為△ V(與基準(zhǔn)電壓之間的 電壓差)時(shí)，光強(qiáng)(光電流)I與蓄積電荷Q之間的關(guān)系為Q = CA V，并且，光電流I、蓄積 時(shí)間T以及蓄積電荷Q之間的關(guān)系為Q = IT，電位差Δ V可表示為AV=IT/C。S卩，在把 T/C設(shè)為常數(shù)時(shí)，光電流I可由電位差A(yù)V來(lái)表示。在電路結(jié)構(gòu)上，ΔΥ存在上限值(飽和 電壓)，所以，通過(guò)可變地設(shè)置多個(gè)蓄積時(shí)間Τ，能夠測(cè)定大范圍的光電流。圖3(a)示出了 2個(gè)蓄積時(shí)間Τ1、Τ2的光強(qiáng)(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(duì)于蓄積時(shí)間Τ1、Τ2雙方而言是相同的值。il是蓄積時(shí)間 Tl的最大光強(qiáng)(光電流)，i2是蓄積時(shí)間T2的最大光強(qiáng)(光電流)。這里的AV的值表示 由與各個(gè)蓄積時(shí)間Τ1、Τ2中的光強(qiáng)(光電流)對(duì)應(yīng)的蓄積電荷的光強(qiáng)(光電流)引起的電 壓下降Δ V(與基準(zhǔn)電壓之間的電壓差)。Vt是蓄積時(shí)間Tl的針對(duì)光強(qiáng)(光電流) 2的電 位差Δ V的檢測(cè)值。人眼對(duì)光強(qiáng)的感覺方式是相對(duì)于光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)關(guān)系的感覺，而不是呈線性關(guān)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(wú)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(shí)間Tl、T2中，飽和電壓Vs為相同電壓，因此，光強(qiáng)(光電 流)的檢測(cè)值在蓄積時(shí)間Tl中檢測(cè)范圍大，在蓄積時(shí)間Τ2中檢測(cè)范圍小。這表示，如果蓄
5積時(shí)間短，則分辨率低(感光度低)，如果蓄積時(shí)間長(zhǎng)，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(shè)為低感光度(縮短蓄積時(shí)間)、在暗 環(huán)境中設(shè)為高感光度(延長(zhǎng)蓄積時(shí)間)即可。接著，說(shuō)明感光度切換的工作原理。圖3 (b)示出了對(duì)蓄積時(shí)間Tl和蓄積時(shí)間T2中的Δ V禾Π I的線性特性進(jìn)行合成 后的特性。在圖3(a)中，蓄積時(shí)間Tl和蓄積時(shí)間Τ2具有相同的電壓范圍，所以，無(wú)法識(shí)別 Tl和Τ2的Δ V。但是，蓄積時(shí)間Tl與Τ2存在T2> Tl的關(guān)系，所以，在蓄積時(shí)間上，Tl的 最終時(shí)點(diǎn)包含在Τ2的蓄積時(shí)間內(nèi)，所以，可以在Tl的最終時(shí)點(diǎn)的判定后，使蓄積時(shí)間從Tl 變更(延長(zhǎng))為Τ2。在Tl的最終時(shí)點(diǎn)，判定AV比Vt大還是比Vt小，如果比Vt大，則對(duì)ΔV加上 (Vs-Vt)作為檢測(cè)值，如果比Vt小，則使蓄積時(shí)間從Tl變更(延長(zhǎng))為Τ2，將Τ2的最終時(shí) 點(diǎn)的ΔΥ作為檢測(cè)值。這樣，如圖3(b)所示，能夠?qū)⑿罘e時(shí)間Tl和蓄積時(shí)間Τ2的2個(gè)線 性特性進(jìn)行合成。其結(jié)果，得到了接近人眼感覺的輸出特性，S卩，在光強(qiáng)(光電流)1為0 i2的暗 環(huán)境中，得到蓄積時(shí)間T2的高感光度的線性特性，在光強(qiáng)度(光電流)1為i2 il的亮環(huán) 境中，得到蓄積時(shí)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(jù)亮環(huán)境和暗環(huán)境下光強(qiáng)度的測(cè)定值 來(lái)變更蓄積時(shí)間，切換感光度，從而得到很大的動(dòng)態(tài)范圍的輸出。下面說(shuō)明電路動(dòng)作。首先，當(dāng)從復(fù)位電路16輸出與蓄積時(shí)間Tl的定時(shí)對(duì)應(yīng)的復(fù)位信號(hào)而接通了開關(guān) 17時(shí)，通過(guò)直流電源19使光電二極管1的陰極端子成為基準(zhǔn)電壓，將蓄積在光電二極管1 中的電荷復(fù)位為初始值。接著，當(dāng)復(fù)位電路16將開關(guān)17斷開時(shí)，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(wú)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(chǎn)生的電荷。而且，通過(guò)直流電源19進(jìn)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(qiáng)對(duì)應(yīng)的速度下降。放大器13檢測(cè)光電二極管1的陰極端子的電壓并進(jìn)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(shí)間Tl的定時(shí)，對(duì)放大器13的輸出Δ V與規(guī)定的比較電壓Vt 進(jìn)行比較。在該比較中，在AV > Vt的情況下，切換單元20進(jìn)行如下處理(1)不對(duì)復(fù)位電路16進(jìn)行復(fù)位間隔的切換。(輸出與蓄積時(shí)間Tl的定時(shí)對(duì)應(yīng)的 復(fù)位信號(hào))(2)向采樣保持電路15發(fā)送采樣/保持信號(hào)，采樣保持電路15保持放大器13的 輸出Δ V。(在蓄積時(shí)間Tl的定時(shí)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(yùn)算AV+Vs(V)的電壓，輸出與 光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的電壓。在Δ V < Vt的情況下，切換單元20進(jìn)行以下處理
(1)將復(fù)位電路16的復(fù)位間隔切換為T2。(在蓄積時(shí)間Tl的定時(shí)，不輸出復(fù)位信 號(hào)，而是輸出與蓄積時(shí)間T2的定時(shí)對(duì)應(yīng)的復(fù)位信號(hào))(2)在Tl的定時(shí)，不向采樣保持電路15發(fā)送采樣/保持信號(hào)。比較單元21在接 下來(lái)的T2的定時(shí)發(fā)送采樣/保持信號(hào)，保持放大器13的輸出AV。(在蓄積時(shí)間Τ2的定 時(shí)保持放大器13的輸出Δ V)(3)在Tl的定時(shí)，不對(duì)輸出單元12進(jìn)行參考電壓的切換，在Τ2的定時(shí)，輸出0V， 輸出單元12運(yùn)算Δν+0(ν)的電壓，輸出與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的電壓。這樣，光檢測(cè)裝置10在圖3(b)所示的光強(qiáng)(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(gòu)筑符合人眼的感光度特性的系統(tǒng)的光檢測(cè)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(cè)裝置的消耗電流。在本實(shí)施例中，設(shè)Tl定時(shí)的參考電壓為Vs (V)、Τ2定時(shí)的參考電壓為0 (V)，不過(guò)， 可以根據(jù)輸出單元的放大器特性等進(jìn)行變更。并且，說(shuō)明了對(duì)2個(gè)線性特性進(jìn)行合成的情 況，不過(guò)，也可以利用同樣的方法對(duì)3個(gè)以上的線性特性進(jìn)行合成。在本實(shí)施例中，使用了一個(gè)光電二極管的分光特性，不過(guò)，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(quán)利要求
一種光檢測(cè)裝置，該光檢測(cè)裝置具有光電轉(zhuǎn)換元件，其將根據(jù)入射的光的照度而產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)換為電壓，并在一定的蓄積時(shí)間的期間，作為電荷進(jìn)行蓄積；放大電路，其與所述光電轉(zhuǎn)換元件連接，用于將所述蓄積的電荷轉(zhuǎn)換為輸出電壓；以及切換電路，其與所述光電轉(zhuǎn)換元件以及所述放大電路連接，用于切換所述蓄積時(shí)間，其中，以使所述輸出電壓具有分段地對(duì)取所述光的照度的對(duì)數(shù)的值進(jìn)行直線近似的特性的方式，切換所述蓄積時(shí)間。
2.一種光檢測(cè)裝置，該光檢測(cè)裝置將根據(jù)向光電轉(zhuǎn)換元件入射的光的照度而產(chǎn)生的光 電流轉(zhuǎn)換為電壓，該光檢測(cè)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(jīng)由開關(guān)與所述光電二極管連接，用于將所述光電二極管復(fù)位為一定的 電壓；復(fù)位電路，其控制所述開關(guān)；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(jù)所述放大器的輸出來(lái)切換蓄積時(shí)間，并 且，以使來(lái)自所述輸出單元的輸出電壓具有分段地對(duì)取所述光的照度的對(duì)數(shù)的值進(jìn)行直線 近似的特性的方式，對(duì)所述采樣保持電路、所述復(fù)位電路和所述輸出單元進(jìn)行控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光檢測(cè)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(guān)電路，其接受所述比較電路的輸出，且具有定時(shí)電路。
全文摘要
本發(fā)明提供光檢測(cè)裝置。采用了對(duì)光電二極管產(chǎn)生的電荷進(jìn)行一定時(shí)間的蓄積、并利用放大器對(duì)蓄積的電荷進(jìn)行放大而得到輸出的電荷蓄積方式，進(jìn)而，通過(guò)切換蓄積時(shí)間，使電路的輸出具有分段地對(duì)照度的對(duì)數(shù)進(jìn)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(hào)G01J1/42GK101893480SQ20101018525
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日
發(fā)明者藤井勇 申請(qǐng)人:精工電子有限公司