JPH04134224A

JPH04134224A - 光検出装置

Info

Publication number: JPH04134224A
Application number: JP25828390A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Terada; 由孝寺田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1990-09-27
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1992-05-08
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JP2928616B2

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。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、フォトダイオードなどの光電変換素子によっ
て光電変換された光電流のうち、信号光によるもののみ
を増幅して出力する光検出装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、フォトダイオードなどの光電変換素子と、これ
によって光電変換された光電流を電流・電圧変換して増
幅する増幅器とから成る光検出装置では、検出されるべ
き信号光と同時に、太陽光などの外乱光が光電変換素子
に入射する。この場合に、信号光による光電流のみを増
幅して出力する必要かある。特に信号光が交流変調光あ
るいはパルス変調光であり、外乱光が直流光あるいは信
号光の周波数よりもかなり低い周波数の光である場合に
は、増幅回路において、光電変換された光電流から直流
成分および低周波数成分を取り除くことで、信号光によ
る光電流のみを抽出して出力することができる。

このような従来装置としては、例えば特開昭６４−２０
４１８号公報に開示されるものかある。

この装置では、光電変換素子として２個のフォトダイオ
ードが用いられ、一方のフォトダイオードの出力側に設
けられる増−回路については、低周波成分のみを取り出
すようにし、この低周波成分によって他方のフォトダイ
オードの出力中の低周波成分を相殺するようにしている
。このようにすれば、低周波成分は外乱光などの雑音に
対応しているので、結果として外乱光の影響を受けない
光検出が可能になっている。

この場合、２個のフォトダイオードは例えば第３図のよ
うに構成される。同図はその平面図で、信号光検出用の
第１のフォトダイオード３１と外乱光検出用の第２のフ
ォトダイオード３２は、不感領域３３を挟んで同心に近
接して設けられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、電灯などの像か外乱光の像として第３図の点線
領域３４のように結像されると、正確な外乱光の検出か
できなくなる。すなわち、電灯などの明るい像が第１の
フォトダイオード３１を中心に結像されると、信号出力
中の直流あるいは低周波の雑音成分は多くなるのに対し
て第２のフォトダイオード３２では雑音はあまり検出で
きず、逆に第２のフォトダイオード３２を中心に結像す
ると、第１のフォトダイオード３１の信号出力中には雑
音はあまり含まれていないのに、第２のフォトダイオー
ド３２では大きな雑音に対応する出力が現れる。このた
め、例えば上記の光検出装置をカメラのオートフォーカ
ス回路に用いると、撮影しようとする被写体の明暗の分
布状態、背景の明るさなどに伴って、信号検出が正確に
出来たり出来なかったりする。

そこで本発明は、信号光による成分のみを安定して正確
に検出できる光検出装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る光検出装置は、光電変換素子と、この素子
からの光電流を第１および第２の光電流に分配して出力
する抵抗手段と、第１の光電流を電圧に変換して増幅す
る第１の電流・電圧変換増幅手段と、この第１の電流・
電圧変換増幅手段の周波数帯域幅よりも狭い帯域幅をも
ち第２の光電流の低周波数の成分に応答しこれを電流に
変換して増幅する第２の電流・電圧変換増幅手段と、こ
の第２の電流・電圧変換増幅手段からの出力電圧を所定
の利得で電流に変換して前記第１の電流・電圧変換増幅
手段の入力端に加える電圧・電流変換増幅手段とを備え
、電圧・電流変換増幅手段からの電流は、第１の光電流
を相殺する方向に第１の電流・電圧変換増幅手段の入力
端に流入するようになっていることを特徴とする。

二こで、光電変換素子に入射する光量に対する第２の電
流・電圧変換増幅手段のダイナミックレンジは、電圧・
電流変換手段から第１の電流・電圧変換増幅手段の入力
端に電流か流入しないとしたときの光電変換素子に入射
する光量に対する第１の電流・電圧変換増幅手段のダイ
ナミックレンジよりも大きくなっていてもよい。

〔作用〕

本発明では、入射した光により光電変換素子から出力さ
れる光電流を、抵抗手段により第１および第２の光電流
に分配し、第１の光電流を第１の電流・電圧変換増幅手
段によって電圧に変換し増幅して出力する。ところで本
発明では、さらに第２の光電流を電圧に変換して増幅す
る第２の電流・電圧変換増幅手段と、この出力電圧を電
流に変換して第１の電流・電圧変換増幅手段の入力端に
加える電圧・電流変換手段とを備えている。この第２の
電流・電圧変換増幅手段は、第１の電流・電圧変換増幅
手段の周波数帯域幅よりも狭い帯域幅をもち、第２の光
電流の低周波成分だけに応答するので、これから出力さ
れる電圧は、光電変換素子に入射する光のうち、外乱光
によるものたけとなり、これか第１の光電流を相殺する
方向に流入する。これにより、第１の電流・電圧変換増
幅手段に流入する第１の光電流のうち、外乱光による直
流電圧成分、低周波成分を減少させ、信号光による交流
成分を感度よく出力させることかできる。このとき、第
１および第２の光電流は単一の光電変換素子の出力（光
電流）を抵抗手段で分配することにより得られるので、
光電変換素子の受光面での外乱光による像の形状、明暗
の分布等にかかわりなく、安定した信号検出か可能にな
る。

また、分配された第２の光電流に対する第２の電流・電
圧変換増幅手段のダイナミックレンジを、分配された第
１の光電流に対する第１の電流・電圧変換増幅手段のダ
イナミックレンジよりも大きく設定することにより、強
い外乱光の場合にも、第１の電流・電圧変換増幅手段を
何ら飽和させずに、信号光による交流成分たけを感度良
くかつ精度良く出力させることかできる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る光検出装置の実施例の構成図であ
る。図示の光検出装置は、１つの光電変換素子１１と、
光電変換素子１１によって光電変換された光電流を第１
および第２の光電流１１Ｉ２に分配する抵抗１．２と、
これら分配された光電流１　　、Ｉ　　をそれぞれ電圧
に変換する第１および第２の電流・電圧変換増幅手段３
，４と、第２の電流・電圧変換増幅手段４の出力端と第
１の電流・電圧変換増幅手段３の入力端とを接続する電
流・電圧変換手段としての抵抗５とを備えている。

光電変換素子１１はフォトダイオードからなっており、
これは並列接続された充電流分配用の抵抗１，２に接続
される。ここで、抵抗１．２の抵抗値をそれぞれＲ、Ｒ
とすると、ＢＲＡ／ＲＢく１　　　　　　　　　・・・（１）の関係
を満たすように構成されている。

また電流・電圧変換増幅手段３は、高ケインの反転増幅
器６と、この出力をその入力側に帰還させる帰還抵抗７
とからなっており、電流・電圧変換増幅手段４は、高ゲ
インの反転増幅器８と、この出力をその入力側に帰還さ
せる帰還抵抗９および帰還容量１０とからなっている。

電流・電圧変換増幅手段３．４における直流の電流・電
圧変換利得すなわちゲインは、それぞれの帰還抵抗７９
の抵抗値Ｒ、Ｈによって決定される。すなＰｉ　　　　
　Ｆ２わち電流・電圧変換増幅手段３，４のゲインはそれぞれ
、Ｒ、Ｒとなる。また、電流・電圧変ＦＩ　　　　　Ｆ
２換増幅手段４は帰還容量１０を有しているが、この帰還
容量１０の容量値Ｃｒによって、電流・電圧変換増幅手
段４のカットオフ周波数ｆ。は、ｆｏ−１／２πＣＦＲ
Ｆ２　　　　　−（２）となり、第２図に示すように、
電流・電圧変換増幅手段４の帯域幅ｆ２は、電流・電圧
変換増幅手段３の帯域幅ｆ１よりもかなり小さくなって
いる。

電流・電圧変換増幅手段４の出力端と電流・電圧変換増
幅手段３の入力端とを接続する抵抗５は、電流・電圧変
換増幅手段４からの出力電圧を電流に変換して電流・電
圧変換増幅手段３の人力に加えるためのものであり、前
述のように電圧・電流変換手段として機能する。なお、
この抵抗５の抵抗値をＲ８とすると、この抵抗５による
電圧・電流変換利得は、１／Ｒとなる。このような構成
の光検出装置ては、光電変換素子１１に外乱光を含んだ
信号光を入射させると、抵抗１，２には分配された第１
および第２の光電流Ｉ　　、Ｉ　　がそれそれ流れる。

抵抗１，２の抵抗値Ｒ、Ｒは、Ｂ前述ノ（１）　式の関係のようになっているので、光電
流１．■２間には、ｋを定数として、■ Ｉ、−、−に−１２・・・（３）の関係か成立する。第２の光電流■２が第２の電流・電
圧変換増幅手段４に加わると、この電流・電圧変換増幅
手段４の出力電圧Ｖ。２は、Ｖ　　−−１−Ｒ−−１−
ＲＦ２／ｋ・・・（４）０２　　　　　２　　　　　Ｆ
２　　　　　１となり、この出力電圧Ｖ。２により抵抗
５を介して電流・電圧変換増幅手段３の入力端に流入す
る電流Ｉ　は、Ｉ　−ｖｏ２／Ｒ８Ｃ −−Ｉ　　　−Ｒ，／（ｋ−Ｒｏ）　　　−・・（５）
■ となる。いま、帰還抵抗９の抵抗値ＲＦ２と抵抗５の抵
抗値ＲとをＲＦ２／Ｒｏ−ｋ　　　　　　　　　　　、、・（６）
の関係を満たすように選定すると、（５）式から、抵抗
５を介して電流・電圧変換増幅手段３の入力端に流入す
る電流Ｉ　は、Ｉ　　−−１１・・・（７）となり、光電変換素子１１から出力されて分配された第
１の光電流１１を相殺し、第１の電流・電圧変換増幅手
段３に流入する電流を零にすることができる。

但し、全ての帯域において電流を相殺すると、外乱光に
よる直流成分、低周波成分のみならず、信号光による交
流成分も失われてしまうので、本実施例では、帰還容量
１０によって外乱光による直流成分、低周波成分の電流
だけを相殺するようにしている。すなわち、第２図に示
すように帰還容量１０によって電流・電圧変換増幅手段
４の周波数帯域（帯域幅ｆ、）を信号光による交流成分
の周波数帯域（帯域幅ｆ２）に対して十分低く設定すれ
ば、電流・電圧変換増幅手段４の出力電圧ｖｏ２は、信
号光による交流成分を含ます外乱光による直流成分、低
周波成分だけのものとなり、従って抵抗５を介して電流
、電圧変換増幅手段３に流入する電流■　も、直流成分
、低周波成分だけのものとなる。これにより、光電変換
素子１１からの光電流Ｉ　の分流■１のうち直流成分、
低周波成分のものだけを電流Ｉ　により実質的に取除く
ことができる。

このようにして電流・電圧変換増幅手段３の入力端には
、光電流１１のうち信号光による交流成分のもののみが
加わるので、第１の電流・電圧変換増幅手段３は、この
信号光による光電流だけをゲインを小さくする必要なく
利得Ｒ１１で電流・電圧変換して出力することかできる
ので、感度を著しく向上させることが可能となる。

このとき、２つの光電流１　　、Ｉ　　は単一の光電変
換素子１１の出力光電流Ｉ　を、抵抗１．２により分配
することにより得られるので、外乱光の状態が第３図の
ようになっていても低周波成分は光電流１．１２に所定
割合で分配される。言■ い換えれば、外乱光による低周波成分が光電流■　側の
みで多くなったり、逆に光電流Ｉ２側でのみ多くなるこ
とは、単一の光電変換素子を用いているため、原理上あ
り得ない。このため、安定した信号検出が可能になる。

また第１図の光検出装置において、抵抗１，２、電流・
電圧変換増幅手段４、抵抗５を設けず、電流・電圧変換
増幅手段３の入力端に抵抗５からの電流■　を流入させ
ない場合には、飽和出力電圧ｖｌＨの反転増幅器６を飽
和させずに動作させる限界の光電流■　　は、ＨＴ１−Ｖ／Ｒ・・・（８）ＩＴ）Ｉ　　　ＴＨＰｉとなる。これに対して、本実施例のように、電流・電圧
変換増幅手段３の入力端に抵抗５からの電流Ｉ　を流入
させる場合には、電流Ｉ　を流入さＣＣせない場合に比べてダイナミックレンジは著しく広くな
る。すなわち、反転増幅器８が反転増幅器６と同じ飽和
出力電圧ＶＴＨをもっているとすると、反転増幅器８を
飽和させずに正常に動作させる限界の光電流Ｉ　　は、ＴＨ１−Ｖ／Ｒ・・・（９）２ＴＨＴＨＦ２となる。（９）式を（８）式と比較するとわかるように
電流・電圧変換増幅手段４のダイナミックレンジは、電
流・電圧変換増幅手段３単体のダイナミックレンジに比
べて、（１−Ｒ）／（１−Ｒ）ＩＴＨＰｌ　　　　　２ＴＨＦ２＝　ｋ”　ＲＦｌ／ＲＦ２　　　　　　　　　　　・・
・（１０）倍、増加することになる。

このように、本実施例の光検出装置では、外乱光に対す
るダイナミックレンジが大きくかつ交流変調光としての
信号光に対する電流・電圧変換利得が大きいので、信号
光とともに強い外乱光が入射したとしても、信号光によ
る光信号のみを感度良く増幅することができて、これに
より電流・電圧変換増幅手段３の後段に接続される信号
処理回路を簡素化することが可能となり、全体の回路規
模を小さくすることができる。

また、本実施例の装置は全体負帰還を有しておらす、外
乱光の直流成分、低周波成分を負帰還しないので、装置
全体を安定して動作させことかてきる。このため、容；
１０の容量値Ｃｐを小さな値にしても良く、これにより
容量１０を光電変換素子１１、分配抵抗１，２、反転増
幅器６，８、抵抗７．９および信号処理回路（図示せず
）とともに１つのモノリンツクＩＣ内に集積化して形成
することかできる。

なお、電流・電圧変換増幅手段３は、（３）式乃至（７
）式の条件が満たされれば、外乱光の直流成分、低周波
成分に対して全く応答しないか、分配抵抗１，２の抵抗
比Ｒ／ＲＢのずれ、あるいは抵抗値Ｒ−Ｒの抵抗比ＲＦ
２／ＲｏのすれＦ２　　　　　ｃによって、電流・電圧変換増幅手段３が外乱光の直流成
分、低周波成分に対し僅かに応答することも考えられる
。このために電流・電圧変換増幅手段３とこの後段の信
号処理回路（図示せず）との間に結合容量を直列に接続
し、電流・電圧変換増幅手段３から出力される恐れのあ
る外乱光のわずかな直流成分、低周波成分を結合容量に
より取除いて後段の信号処理回路に人力させるようにし
ても良い。

第１図に示す実施例では、抵抗１，２値は固定としてき
たが、可変抵抗として光電流Ｉ　の分配比を調整できる
ようにしてもよい。この場合には、外乱光と信号光のレ
ベルの比に応じて、分配比を製品（光検出装置）として
の出荷時に、あるいは実使用時にダイナミックに設定す
ることか考えられる。すなわち、信号光の周波数が高く
なると入力インピーダンスか高くなるので、使用したい
信号の周波数帯域に合せて、出荷時に抵抗１，２を調整
することが考えられる。また、装置の実使用時の外乱光
のレベルに応じて、ダイナミックに抵抗１，２を調整す
ることも考えられる。

抵抗２，３の値の変更、調整については、その比たけで
なく絶対値を対象にしてもよい。すなわち、信号光のレ
ベル自体の高低に応じて、抵抗１゜２の値を共に高低調
整してもよい。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明したように本発明によれば、同一の光
電変換素子の出力（光電流）を第１および第２の光電流
に分流し、一方を信号検出用に用いて第１の電流・電圧
変換増幅手段に入力し、他方を低周波検出用に用いて第
２の充電圧変換増幅手段に入力し、低周波成分に応答し
た電流を、信号検出用の光電流を相殺する方向で第１の
電流・電圧変換増幅手段の入力端に流入させるようにし
ているので、外乱光の入射される情況にかかわりなく、
信号光による交流成分のみを安定した状態で高感度に出
力することができる。

６．８・−反転増幅器、７，９・・・帰還抵抗、１０・
・帰還容量、３１・・第１のフォトダイオード、３２・
・・第２のフォトダイオード、ｆｏ・・・カットオフ周
波数、ｆ、ｆ２・・・周波数帯域幅。

■

Claims

【特許請求の範囲】１、光電変換素子と、この光電変換素子からの光電流を
第１および第２の光電流に分配して出力する抵抗手段と
、前記第１の光電流を電圧に変換して増幅する第１の電
流・電圧変換増幅手段と、この第１の電流・電圧変換増
幅手段の周波数帯域幅よりも狭い帯域幅をもち前記第２
の光電流の低周波数の成分に応答しこれを電流に変換し
て増幅する第２の電流・電圧変換増幅手段と、この第２
の電流・電圧変換増幅手段からの出力電圧を所定の利得
で電流に変換して前記第１の電流・電圧変換増幅手段の
入力端に対して前記第１の光電流を相殺する方向に加え
る電圧・電流変換増幅手段とを備えることを特徴とする
光検出装置。２、前記光電変換素子に入射する光量に対する前記第２
の電流・電圧変換増幅手段のダイナミックレンジは、前
記電圧・電流変換手段から前記第１の電流・電圧変換増
幅手段の入力端に電流が流入しないとしたときの前記光
電変換素子に入射する光量に対する前記第１の電流・電
圧変換増幅手段のダイナミックレンジよりも大きくなっ
ていることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。