(57)【要約】  光量検出装置（１）は、入力された光の光量を電流に変換する光電気変換素子（１０）と、光電気変換素子の第１端子（Ｐ端子）に接続された正の入力端子（Ｉｎ＋）、光電気変換素子の第２端子（Ｎ端子）に接続された負の入力端子（Ｉｎ−）、正の入力端子に入力された電流の極性を反転して電圧として出力する負の出力端子（Ｏｕｔ−）、負の入力端子に入力された電流の極性を反転して電圧として出力する正の出力端子（Ｏｕｔ＋）、正の入力端子と前記負の出力端子との間に接続される第１負帰還抵抗、及び、負の入力端子と前記正の出力端子との間に接続される第２負帰還抵抗を有し、光電気変換素子をゼロバイアスにさせると共に前記変換された電流を電圧に変換する電流電圧変換手段（１００）と、変換された電圧を増幅する増幅手段（３００）とを備える。
2011001523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された光の光量を電流に変換する光電気変換素子と、
前記光電気変換素子の第１端子に接続された正の入力端子、前記光電気変換素子の第２端子に接続された負の入力端子、前記正の入力端子に入力された電流の極性を反転して電圧として出力する負の出力端子、前記負の入力端子に入力された電流の極性を反転して電圧として出力する正の出力端子、前記正の入力端子と前記負の出力端子との間に接続される第１負帰還抵抗、及び、前記負の入力端子と前記正の出力端子との間に接続される第２負帰還抵抗を有し、前記光電気変換素子をゼロバイアスにさせると共に前記変換された電流を電圧に変換する電流電圧変換手段と、
前記変換された電圧を増幅する増幅手段と
を備えることを特徴とする光量検出装置。
【請求項２】
前記電流電圧変換手段は、前記負の出力端子と前記正の出力端子との間の中点電位と基準電位との電位差を負帰還する共通負帰還手段を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光量検出装置。
【請求項３】
前記共通負帰還手段は、光電気変換素子の第１端子の電位と、第２端子の電位とを等しくすることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光量検出装置。
【請求項４】
前記増幅手段は、前記負の出力端子及び前記正の出力端子が夫々出力した電圧を差動増幅することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光量検出装置。
【請求項５】
前記変換された電流の周波数より高い所定周波数で規定される奇数番目の周期に前記変換された電圧の極性を反転し、前記所定周波数で規定される偶数番目の周期で前記変換された電圧の極性を反転しないことにより、前記変換された電圧の電圧信号を変調する変調手段と、
前記奇数番目の周期で前記変換された電圧の極性を反転し、前記偶数番目の周期で前記変換された電圧の極性を反転しないことにより、前記変換された電圧の電圧信号を復調する復調手段とを更に備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光量検出装置。
【請求項６】
前記変調手段として、前記第１端子と前記正の入力端子とが接続され、且つ、前記第２端子と前記負の入力端子とが接続された第１接続状態と、
前記第１端子と前記負の入力端子とが接続され、且つ、前記第２端子と前記正の入力端子とが接続された第２接続状態とを前記所定周波数で切り替える第１スイッチ手段を更に備えることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光量検出装置。
【請求項７】
前記変調手段として、前記負の出力端子と前記第１負帰還抵抗とが接続され、且つ、前記正の出力端子と前記第２負帰還抵抗とが接続された第３接続状態と、
前記負の出力端子と前記第２負帰還抵抗とが接続され、且つ、前記正の出力端子と前記第１負帰還抵抗とが接続された第４接続状態とを前記所定周波数で切り替える第２スイッチ手段を更に備えることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の光量検出装置。
【請求項８】
前記増幅手段は、前記負の出力端子が出力する負の検出電圧と、前記正の出力端子が出力する正の検出電圧とを差動増幅する減算増幅手段を含み、
前記復調手段として、前記負の検出電圧と前記正の検出電圧との極性を前記所定周波数で反転する第３スイッチ手段を更に備えることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光量検出装置。
【請求項９】
前記増幅手段は、前記変換された電圧の電圧信号を復調するタイミングを所定時間だけ遅延させる遅延手段を含むことを特徴とすることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光量検出装置。
【請求項１０】
前記変調された電圧の電圧信号の低周波ノイズを除去するための高域通過フィルタ手段を更に備えることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光量検出装置。
【請求項１１】
前記復調された電圧の電圧信号の高周波ノイズを除去するための低域通過フィルタ手段を更に備えることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光量検出装置。
【請求項１２】
請求の範囲第１項に記載の光量検出装置と、
前記増幅された電圧の電圧信号である光検出信号を信号処理する信号処理手段と
を備えることを特徴とする光量情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、微小な光量を電気信号に変換する光電変換装置などの光量検出装置、並びに、例えば、微小な光量に応じた光検出信号を信号処理する光量情報処理装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置として、特許文献１等では、光通信に使用する高速通信用の光受信回路に関する技術が開示されている。具体的には、フォトダイオードに、バイアス素子によって、逆バイアス電圧を印加することにより、フォトダイオードの両端子間の静電容量を低下させ、光検出帯域を広帯域化する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２２４６５２号公報
【特許文献２】特開２０００-２６１３８５号公報
【特許文献３】特開２０００-３５７９２９号公報
【特許文献４】特開平６−８４１７６号公報
【特許文献５】特表２００８−５１０３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１等では、フォトダイオードにおいて、逆バイアス電圧を印加するので、逆バイアス電圧の印加によりＰ端子とＮ端子との間の静電容量を低下させることはできるが、弊害として、入力光量がなくても、逆方向に流れる電流、即ち、暗電流が発生してしまうという技術的な問題点が生じる。このため、検出された光量の変化が微弱であることによって、フォトダイオードによって検出された電流も微弱な電流量である場合、逆バイアス電圧の印加によって暗電流が増加してしまうとノイズ成分が増加し、微弱な光量を検出することが困難となってしまうという技術的な問題点が生じる。【０００５】
本発明は、例えば上述した従来の問題点に鑑みなされたものであり、より微弱な光量を検出することが可能な光量検出装置、及び光量情報処理装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る光量検出装置は、入力された光の光量を電流に変換する光電気変換素子（例えばＰＩＮダイオード）と、前記光電気変換素子の第１端子に接続された正の入力端子、前記光電気変換素子の第２端子に接続された負の入力端子、前記正の入力端子に入力された電流の極性を反転して電圧として出力する負の出力端子、前記負の入力端子に入力された電流の極性を反転して電圧として出力する正の出力端子、前記正の入力端子と前記負の出力端子との間に接続される第１負帰還抵抗、及び、前記負の入力端子と前記正の出力端子との間に接続される第２負帰還抵抗を有し、前記光電気変換素子をゼロバイアスにさせると共に前記変換された電流を電圧に変換する電流電圧変換手段と、前記変換された電圧を増幅する増幅手段とを備える。【０００７】
本発明に係る光量検出装置によれば、例えばＰＩＮダイオード（P-Intrinsic-N Diode）等の光電気変換素子によって、入力された光の光量が電流に変換される。【０００８】
電流電圧変換手段は、次の６つの端子を有し、光電気変換素子をゼロバイアスにさせると共に変換された電流を電圧に変換する。ここに、本発明に係る「ゼロバイアス」とは、光電気変換素子に逆バイアス電圧を殆ど又は完全に印加しないバイアスの状態を意味する。このような電流電圧変換手段は、光電気変換素子における、例えばＰ端子等の第１端子に接続された正の入力端子、光電気変換素子における、例えばＮ端子等の第２端子に接続された負の入力端子、正の入力端子に入力された電流の極性を反転して電圧として出力する負の出力端子、負の入力端子に入力された電流の極性を反転して電圧として出力する正の出力端子、正の入力端子と負の出力端子との間に接続される第１負帰還抵抗、負の入力端子と正の出力端子との間に接続される第２負帰還抵抗を有する。【０００９】
増幅手段によって、変換された電圧は増幅されることにより、受光量に応じた光検出信号として出力可能である。【００１０】
本発明によれば、上述したように、例えばＰＩＮダイオード等の光電気変換素子を、当該光電気変換素子に逆バイアス電圧を殆ど又は完全に印加しないゼロバイアスの状態、所謂、発電モードとして動作させることが可能である。これにより、暗電流を殆ど又は完全にゼロに漸近させることができる。その結果、光検出信号における、暗電流のゆらぎによるノイズ電流を低下させ、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能である。典型的には、例えば血液中のヘモグロビンによる光の散乱に起因した微弱な光量及び微弱な光量の変化を検出可能である。【００１１】
加えて、本発明によれば、光電気変換素子へのゼロバイアス印加の作用を、第１負帰還抵抗及び第２負帰還抵抗による負帰還作用で実施している。これにより、光電気変換素子をゼロバイアスの状態にするのに、この特別なバイアス素子を追加する必要を殆ど又は完全に無くすことができる。この結果、光量検出装置を、例えばＬＳＩ（Large Scaled Integrated Circuits）化する際に、チップ面積を低減できることが可能であるので、光量検出装置の製造の低コスト化を実現することが可能である。【００１２】
仮に、光電気変換素子において、例えばＰ端子等の第１端子の電位より、例えばＮ端子等の第２端子の電位を高くして、逆バイアス電圧を印加した場合、逆バイアス電圧の印加により第１端子と第２端子との間の静電容量を低下させることはできるが、弊害として、入力光量がなくても、逆方向に流れる電流、即ち、暗電流が発生してしまう。このため、検出された光量の変化が微弱であることによって、受光素子によって検出された電流も微弱な電流量である場合、逆バイアス電圧の印加によって暗電流が増加してしまうとノイズ成分が増加し、微弱な光量及び微弱な光量の変化を検出することは技術的に困難となってしまう。言い換えると、検出された電流信号に比較して、暗電流のゆらぎによるノイズ電流が増大してしまい、Ｓ／Ｎ比が大きく低下してしまうという技術的な問題点が生じる。【００１３】
本発明に係る光量検出装置の一の態様では、前記電流電圧変換手段は、前記負の出力端子と前記正の出力端子との間の中点電位と基準電位との電位差を負帰還する共通負帰還手段を有する。尚、前記共通負帰還手段は、前記中点電位を検出するための中点電位検出手段を含んでよい。【００１４】
この態様によれば、光電気変換素子を、ゼロバイアスの状態、所謂、発電モードとして動作させることにより、電流電圧変換手段の入力バイアスと、光電気変換素子のバイアスとを電気的に分離させることなく、第１負帰還抵抗、第２負帰還抵抗、共通負帰還手段の協調的な作用により電流電圧変換手段の入力バイアスを、基準電位に漸近させ適正化することが可能である。【００１５】
この結果、電流電圧変換手段の入力バイアスと、光電気変換素子のバイアスとを電気的に分離させるための特別なコンデンサや特別なバイアス素子を追加することなく、電流電圧変換手段による差動増幅における動作点を最適化でき、歪み特性の向上を実現することが可能である。加えて、バイアスを分離させるための特別なコンデンサや上述の特別なバイアス素子を追加することなく、光量検出装置において、ダイナミックレンジを向上させることが可能である。【００１６】
更に、加えて、本実施形態によれば、光量検出装置において、コンデンサを設ける必要性がないので、低コスト化を実現可能である。また、コンデンサを設ける必要がないので、光電気変換素子と、電流電圧変換手段とを、同一のＬＳＩ上に形成する所謂、ＯＥＩＣ（Optical Electric Integrated Circuits）化の際にチップの面積を低減することが可能であるので、簡便且つ低コストのＬＳＩ化を実現可能である。【００１７】
本発明に係る光量検出装置の他の態様では、前記共通負帰還手段は、光電気変換素子の第１端子の電位と、第２端子の電位とを等しくする。【００１８】
この態様によれば、光電気変換素子における暗電流を殆ど又は完全にゼロに漸近させることができる。その結果、暗電流のゆらぎによるノイズ電流を低下させ、Ｓ／Ｎ比をより向上させることが可能である。典型的には、例えば血液中のヘモグロビンによる光の散乱に起因した微弱な光量及び微弱な光量の変化を検出可能である。【００１９】
本発明に係る光量検出装置の他の態様では、前記増幅手段は、前記負の出力端子及び前記正の出力端子が夫々出力した電圧を差動増幅する。【００２０】
この態様によれば、例えばインスツルメンテーションアンプ等の増幅手段によって、電圧は、負の出力端子及び正の出力端子を介して、差動増幅される。これにより、Ｓ／Ｎ比がより向上した光検出信号に基づいて、微弱な光量及び微弱な光量の変化をより高精度に検出可能である。【００２１】
本発明に係る光量検出装置の他の態様では、前記変換された電流の周波数より高い所定周波数で規定される奇数番目の周期に前記変換された電圧の極性を反転し、前記所定周波数で規定される偶数番目の周期で前記変換された電圧の極性を反転しないことにより、前記変換された電圧の電圧信号を変調する変調手段と、前記奇数番目の周期で前記変換された電圧の極性を反転し、前記偶数番目の周期で前記変換された電圧の極性を反転しないことにより、前記変換された電圧の電圧信号を復調する復調手段とを更に備える。【００２２】
この態様によれば、電流電圧変換手段の電圧は、変調手段により、所定周波数で振幅変調を施した波形とほぼ等価となる。これにより、光電気変換素子によって変換された電流は、所定周波数をキャリア周波数として、上下の周波数、所謂、上側波と、下側波との周波数スペクトルを有する振幅変調波へと変調されつつ、電流電圧変換が施される。特に、キャリア周波数としての所定周波数は、光電気変換素子によって変換された電流の周波数と比較して高い。これにより、キャリア周波数としての所定周波数を中心としたスペクトルに周波数変換されつつ、電流電圧変換されるので、この電流電圧変換のために用いる増幅器が発生する「１／ｆノイズ」、即ち、低周波ノイズの影響を殆ど又は完全に無くすことが可能である。【００２３】
言い換えると、低周波ノイズは、主に差動増幅を行う電流電圧変換手段における増幅器の「１／ｆノイズ」であり、周波数が高くなるに従って減少する傾向にある。そこで、変調手段によって、光電気変換素子によって変換された電流の周波数より高い所定周波数で、変換された電圧を変調しつつ、電流電圧変換を行うことにより、この低周波ノイズの影響を殆ど又は完全に無くすことが可能である。【００２４】
この結果、差動増幅を行う電流電圧変換手段の「１／ｆノイズ」の影響を殆ど又は完全に無くしつつ、光検出信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能である。以上の結果、低周波の周波数領域における光検出特性（又は光検出性能）が顕著に優れているので、例えば血流信号等の低周波成分が含まれる微弱な信号を測定する光センサからの光量をより高精度且つ適切に検出することが可能である。【００２５】
ここで、仮に、上述した変調手段及び復調手段による変調及び復調を行わない場合の技術的な問題点について、光電気変換素子によって変換された電流が、一例として、中心周波数ｆｓなる有色スペクトルを有する場合を例にして説明する。この中心周波数ｆｓなる有色スペクトルに対して、そのまま電流電圧変換が施される。この場合、差動増幅を行う電流電圧変換手段は、所謂、「１／ｆノイズ」といわれる低周波ノイズを発生する。この低周波ノイズは、周波数が低くなるに従ってそのノイズの度合いが大きくなる傾向を有する。このため、この「１／ｆノイズ」が電流電圧変換の際に、周波数ｆｓの信号成分に加算されて電流電圧変換が施されてしまい、上述した変調手段及び復調手段による変調及び復調を行わない場合、Ｓ／Ｎ比が顕著に低下してしまうという技術的な問題点が生じる可能性がある。【００２６】
本発明に係る光量検出装置の他の態様では、前記変調手段として、前記第１端子と前記正の入力端子とが接続され、且つ、前記第２端子と前記負の入力端子とが接続された第１接続状態と、前記第１端子と前記負の入力端子とが接続され、且つ、前記第２端子と前記正の入力端子とが接続された第２接続状態とを前記所定周波数で切り替える第１スイッチ手段を更に備える。【００２７】
この態様によれば、第１スイッチ手段によるスイッチ作用によって、上述した変調を適切に行うことができる。【００２８】
本発明に係る光量検出装置の他の態様では、前記変調手段として、前記負の出力端子と前記第１負帰還抵抗とが接続され、且つ、前記正の出力端子と前記第２負帰還抵抗とが接続された第３接続状態と、前記負の出力端子と前記第２負帰還抵抗とが接続され、且つ、前記正の出力端子と前記第１負帰還抵抗とが接続された第４接続状態とを前記所定周波数で切り替える第２スイッチ手段を更に備える。【００２９】
この態様によれば、上述の第１スイッチ手段に加えて、第２スイッチ手段によるスイッチ作用によって、上述した変調を適切に行うことができる。【００３０】
本発明に係る光量検出装置の他の態様では、前記増幅手段は、前記負の出力端子が出力する負の検出電圧と、前記正の出力端子が出力する正の検出電圧とを差動増幅する減算増幅手段を含み、前記復調手段として、前記負の検出電圧と前記正の検出電圧との極性を前記所定周波数で反転する第３スイッチ手段を更に備える。【００３１】
この態様によれば、第３スイッチ手段によるスイッチ作用によって、上述した復調を適切に行うことができる。【００３２】
本発明に係る光量検出装置の他の態様では、前記増幅手段は、前記変換された電圧の電圧信号を復調するタイミングを所定時間だけ遅延させる遅延手段を含む。【００３３】
この態様によれば、遅延手段による所定時間だけ復調タイミングを遅延させる遅延作用によって、変調手段による変調タイミングと、復調手段による復調タイミングとの時間差に起因して発生する、復調時のキャリア周波数の高調波成分の残留を効果的に防止することが可能である。この結果、復調時に発生する高域ノイズを効果的に抑制することが可能であり、光検出信号のＳ／Ｎ比の更なる向上を実現可能である。【００３４】
本発明に係る光量検出装置の他の態様では、前記変調された電圧の電圧信号の低周波ノイズを除去するための高域通過フィルタ手段を更に備える。【００３５】
この態様によれば、高域通過フィルタ手段によって、変調後及び復調前に存在する上述の「１／ｆノイズ」等の低周波ノイズを適切に除去することが可能である。その後、復調されるので、光検出信号のＳ／Ｎ比を顕著に向上可能であるので、実践上、大変好ましい。【００３６】
本発明に係る光量検出装置の他の態様では、前記復調された電圧の電圧信号の高周波ノイズを除去するための低域通過フィルタ手段を更に備える。【００３７】
この態様によれば、低域通過フィルタ手段によって、復調時に除去しきれなかったキャリア周波数成分等の高域ノイズを除去可能であるので、光検出信号のＳ／Ｎ比をより顕著に向上可能であるので、実践上、更に大変好ましい。【００３８】
上記課題を解決するために、本発明に係る光量情報処理装置は、上述した本発明に係る光量検出装置と、前記増幅された電圧の電圧信号である光検出信号を信号処理する信号処理手段とを備える。【００３９】
本発明に係る光量情報処理装置によれば、増幅された電圧の電圧信号である光検出信号を適切に信号処理しつつ、上述した本発明の光量検出装置が有する各種利益を享受することが可能となる。典型的には、信号処理手段によって、光検出信号を、量子化することによって、例えば通信網を介して伝送する場合における、外界環境からのノイズに強くなるので、光検出信号の長距離伝送を実現することが可能である。【００４０】
尚、上述した本発明の光量検出装置が有する各種態様に対応して、本発明の光量情報処理装置も各種態様を採ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施形態に係る光量検出装置１の全体構成を概念的に示すブロック図である。
【図２】第１実施形態に係る光量検出装置１の詳細な構成を図式的に示すブロック図である。
【図３】第１実施形態に係る電流電圧変換器１００の詳細な構成を図式的に示すブロック図である。
【図４】第１実施形態に係る増幅器３００の詳細な構成を図式的に示す回路図である。
【図５】第１実施形態に係るゼロバイアス及び比較例に係る逆バイアス電圧を図式的に示すグラフ（図５（ａ））、比較例に係る受光素子の回路図（図５（ｂ））、及び第１実施形態に係る受光素子の回路図（図５（ｃ））である。
【図６】第２実施形態に係る増幅器３００ａの詳細な構成を図式的に示す回路図である。
【図７】第３実施形態に係る電流電圧変換器１００ｂの詳細な構成を図式的に示すブロック図である。
【図８】第３実施形態に係る増幅器３００ｂの詳細な構成を図式的に示す回路図である。
【図９】第３実施形態に係る受光素子の検出電流Ｉｄｔ、検出電圧ＶＯｕｔ＋、ＶＯｕｔ−、スイッチ作用の制御信号ＳＷＰ１、ＳＷＰ２、ＳＷＰ３、光検出信号ＤｔＯｕｔの時間軸に沿った波形図である。
【図１０】第３実施形態に係るスペクトル解析における、被変調波、変調波、復調波のパワースペクトルを図式的に示したグラフである。
【図１１】第４実施形態に係る生体情報検出装置の一具体例である血流量センサの全体構成を概念的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００４３】
＜第１実施形態＞
＜全体構成：光量検出装置＞
先ず、図１及び図２を参照して、本発明に係る第１実施形態の基本構成について説明する。ここに、図１は、第１実施形態に係る光量検出装置１の全体構成を概念的に示すブロック図である。図２は、第１実施形態に係る光量検出装置１の詳細な構成を図式的に示すブロック図である。
【００４４】
図１及び図２に示されるように、第１実施形態に係る光量検出装置１は、受光素子１０、差動増幅部２００を含む電流電圧変換器１００、及び増幅器３００を備えて構成されている。電流電圧変換器１００は、差動増幅部２００、及び帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２を備えて構成されている。増幅器３００は、入力端子Ｉｎ１、Ｉｎ２、及び出力端子Ｏｕｔを備える。
【００４５】
受光素子１０は、外部から入力された微弱光量を受光し、受光量に応じて検出電流を出力する。典型的には、受光素子１０は、例えばＰＩＮダイオード等のフォトダイオードであり、この受光素子１０の両端は、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋、Ｉｎ−に夫々接続される。詳細には、受光素子１０のＰ型半導体は、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋に接続されている。また、受光素子１０のＮ型半導体は、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ−に接続されている。
【００４６】
電流電圧変換器１００は、受光素子１０が検出した検出電流を、帰還抵抗Ｒｆ1、Ｒｆ２の作用により、電流電圧変換し、互いに信号極性の異なる検出電圧ＶＯｕｔ−とＶＯｕｔ＋とを、出力端子Ｏｕｔ−、Ｏｕｔ＋を介して、差動出力する。帰還抵抗Ｒｆ1は、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋と出力端子Ｏｕｔ−との間に接続されると共に、帰還抵抗Ｒｆ２は、入力端子Ｉｎ−と出力端子Ｏｕｔ＋との間に接続され、これらの帰還抵抗Ｒｆ1、Ｒｆ２は負帰還を施すと同時に、電流を電圧に変換する。
【００４７】
電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の検出電圧ＶＯｕｔ−とＶＯｕｔ＋は、増幅器３００の入力端子Ｉｎ1、Ｉｎ２にそれぞれ入力される。増幅器３００は入力された電圧を増幅し、光検出信号を出力する。
【００４８】
尚、受光素子１０によって、本発明に係る光電気変換素子の一例が構成されている。また、電流電圧変換器１００によって、本発明に係る電流電圧変換手段の一例が構成されている。帰還抵抗Ｒｆ1、Ｒｆ２によって、本発明に係る第１負帰還抵抗、第２負帰還抵抗の一例が構成されている。また、増幅器３００によって、本発明に係る増幅手段の一例が構成されている。
【００４９】
＜詳細構成：電流電圧変換器＞
次に、図３を参照して、第１実施形態に係る電流電圧変換器１００の詳細構成について説明する。ここに、図３は、第１実施形態に係る電流電圧変換器１００の詳細な構成を図式的に示すブロック図である。
【００５０】
上述したように、電流電圧変換器１００は、帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２、及び差動増幅部２００を備えて構成されている。
【００５１】
上述したように、帰還抵抗Ｒｆ1は、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋と出力端子Ｏｕｔ−との間に接続されると共に、帰還抵抗Ｒｆ２は、入力端子Ｉｎ−と出力端子Ｏｕｔ＋との間に接続され、これらの帰還抵抗Ｒｆ1、Ｒｆ２は負帰還を施すと同時に、電流を電圧に変換する。
【００５２】
差動増幅部２００は、入力端子Ｉｎ＋、Ｉｎ−、差動増幅回路２１０、中点電位検出器２２０、共通負帰還器２３０、及び出力端子Ｏｕｔ＋、Ｏｕｔ−を備えて構成されている。
【００５３】
差動増幅回路２１０は、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、電源電圧Ｖｃｃ、負荷抵抗Ｒｃ１、Ｒｃ２、定電流源ＩＥを備えて構成されている。差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋、Ｉｎ−は、差動増幅回路２１０の差動入力として、差動増幅回路２１０のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のベースにそれぞれ接続されている。定電流源ＩＥは、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２の各エミッタの接続点と接地点との間に接続されている。負荷抵抗Ｒｃ１、Ｒｃ２は、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２の各コレクタと電源電圧Ｖｃｃとの間にそれぞれ接続されており、この各接続点がそれぞれ出力端子Ｏｕｔ−、Ｏｕｔ＋として導出されている。
【００５４】
差動増幅回路２１０の２つの差動出力は、中点電位検出器２２０にそれぞれ入力される。
【００５５】
中点電位検出器２２０は、差動増幅回路２１０の２つの差動出力の中点電位を検出し、検出した信号を出力する。中点電位検出器２２０から出力された信号は、共通負帰還器２３０に入力される。
【００５６】
共通負帰還器２３０は、減算器２３１及び基準電位生成器２３２を備えて構成されている。減算器２３１は、基準電位生成器２３２によって生成された基準電位と、中点電位検出器２２０が検出した中点電位とを比較し、両者の電位差の信号を出力する。尚、この基準電位は、共通負帰還器２３０の外部から入力された基準電位であってよい。
【００５７】
共通負帰還器２３０から出力された電位差の信号は、差動増幅回路の定電流源ＩＥの電流値を設定する制御端子に入力される。尚、中点電位検出器２２０によって、本発明に係る中点検出手段の一例が構成されている。また、共通負帰還器２３０によって、本発明に係る共通負帰還手段の一例が構成されている。
【００５８】
＜詳細構成：増幅器＞
次に、図４を参照して、第１実施形態に係る増幅器３００の詳細構成について説明する。ここに、図４は、第１実施形態に係る増幅器３００の詳細な構成を図式的に示す回路図である。
【００５９】
図４に示されるように、増幅器３００は、演算増幅器であるオペアンプ（以下、適宜「アンプ」と称す）ＯＰ1、ＯＰ２、ＯＰ３、帰還抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ６、共通入力抵抗Ｒ１、入力抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ７を備えて構成されている。
【００６０】
増幅器３００の入力端子Ｉｎ1、Ｉｎ２は、アンプＯＰ1、ＯＰ２のプラス入力端子にそれぞれ接続される。アンプＯＰ１、ＯＰ２は、帰還抵抗Ｒ２、Ｒ３によってそれぞれ負帰還が施される。
【００６１】
共通入力抵抗Ｒ1は、アンプＯＰ１のマイナス入力端子と、アンプＯＰ２のマイナス入力端子との間に設けられる。尚、共通入力抵抗Ｒ1は、利得を可変とするために可変抵抗として機能してよい。
【００６２】
帰還抵抗Ｒ２とＲ３とは、等しい抵抗値に設定される。
【００６３】
アンプＯＰ１の出力は、入力抵抗Ｒ４を介して、アンプＯＰ３のマイナス入力端子に接続される。概ね同様にして、アンプＯＰ２の出力は、入力抵抗Ｒ５を介して、アンプＯＰ３のプラス入力端子に接続される。
【００６４】
入力抵抗Ｒ４とＲ５とは、等しい抵抗値に設定される。
【００６５】
アンプＯＰ３は、帰還抵抗Ｒ６により負帰還が施される。
【００６６】
アンプＯＰ２から出力された信号の成分は、入力抵抗Ｒ５と入力抵抗Ｒ７とによって分圧されアンプＯＰ３のプラス入力端子に入力される。
【００６７】
入力抵抗Ｒ7の他方の端子は、基準電位Ｖｒｅｆに接続される。
【００６８】
帰還抵抗Ｒ６と入力抵抗Ｒ７は、等しい抵抗値に設定される。
【００６９】
アンプＯＰ３の出力は、光検出信号ＤｔＯｕｔとして出力される。
【００７０】
特に、図４に示されるように、増幅器３００は、例えば、インスツルメンテーションアンプ等の計装アンプとして構成され、入力端子Ｉｎ１から入力される電圧と、入力端子Ｉｎ２から入力される電圧との電位差を増幅している。これにより、電流電圧変換器１００から出力される２つの差動出力において、同相の信号成分は、ノイズとして除去可能である。加えて、電流電圧変換器１００における２つの出力端子Ｏｕｔ−、Ｏｕｔ＋においては、前述したようにフォトダイオード等の受光素子１０に入力した光の光量に応じて、極性の異なる２つの差動信号が出力されており、増幅器３００の入力端子Ｉｎ1、Ｉｎ２に、検出した光の信号成分は逆相で入力される。これにより、増幅器３００から出力される光検出信号ＤｔＯｕｔから、例えば電源からのハムノイズ等の同相成分は、ノイズとして除去可能である。加えて、検出した光の信号成分は逆相なので、増幅器３００によって増幅されて、光検出信号ＤｔＯｕｔとして出力される。この結果、ノイズ（Noise）の度合いを低下させ、信号（Signal）の度合いを増加させるので、Ｓ／Ｎ比を顕著に向上させることが可能である。
【００７１】
加えて、増幅器３００は、このようにインスツルメンテーションアンプ等の計装アンプとして構成することにより、入力インピーダンスを高めると共に、出力インピーダンスを低め、同相除去比（ＣＭＲＲ：Common Mode Rejection Rate）を高めることが可能である。この結果、入力端子Ｉｎ１の電位と入力端子Ｉｎ２の電位との電圧差がより適切に差動増幅され、より適切な光検出信号ＤｔＯｕｔを出力することが可能である。
【００７２】
＜動作原理：光量検出装置＞
次に、上述した図３及び図４を参照して、第１実施形態に係る光量検出装置の動作原理について説明する。
【００７３】
上述した図３に示したように、受光素子１０は、例えばＰＩＮダイオード等のフォトダイオードにより構成される。例えばフォトダイオード等の受光素子１０のＰ型半導体、所謂、Ｐ端子は、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋に接続されている。また、受光素子１０のＮ型半導体、所謂、Ｎ端子は、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ−に接続されている。差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋、Ｉｎ−は、差動増幅回路２１０の差動入力として、差動増幅回路２１０のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のベースにそれぞれ接続されている。
【００７４】
差動増幅回路２１０における入力端子Ｉｎ＋側の差動入力は、帰還抵抗Ｒｆ１により、その差動出力が負帰還されている。加えて、差動増幅回路２１０における入力端子Ｉｎ−側の差動入力は、帰還抵抗Ｒｆ2により、その差動出力が負帰還されている。
【００７５】
具体的には、例えばフォトダイオード等の受光素子に光が入力されると、Ｐ端子に正の電圧が発生する。その結果、光量に応じて逆方向電流が流れ、この電流が受光素子の検出電流となる。この検出電流は、フォトダイオードのＰ端子、即ち、差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋から帰還抵抗Ｒｆ1に流れ、Ｒｆ1により、電圧降下するので、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の出力端子Ｏｕｔ−の電位は低下する。また、この検出電流は、帰還抵抗Ｒｆ２からフォトダイオードＮ端子、即ち、入力端子Ｉｎ−に流れ、Ｒｆ２により、電圧降下するので、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の出力端子Ｏｕｔ＋の電位は上昇する。これにより、フォトダイオードに入力する光量に応じて、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の出力端子Ｏｕｔ−の電位は低下し、差動増幅部２００の出力端子Ｏｕｔ＋の電位は上昇するので、極性の異なる差動出力信号が得られる。特に、差動増幅部２００の入力抵抗値は、帰還抵抗Ｒｆ1とＲｆ2の抵抗値より高く設計可能であり、差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋、Ｉｎ−に流入する電流は無視できる。
【００７６】
また、差動増幅回路２１０における２つの差動出力は、中点電位検出器２２０にそれぞれ入力され、差動増幅回路２１０の２つの差動出力の中点電位が検出される。
【００７７】
共通負帰還器２３０においては、上述したように、検出された中点電位は、上述の減算器２３１及び基準電位生成器２３２によって、基準電位と比較され、その電位差が差動増幅回路２１０のバイアスを生成するための定電流源ＩＥの制御端子に負帰還されている。これにより、差動増幅回路２１０のバイアスに適切に制御される。
【００７８】
このように、帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２による第１の負帰還作用と、共通負帰還器２３０による第２の負帰還作用という２種類の負帰還作用により、差動増幅回路２１０の入力端子の電位を基準電位に漸近させることが可能である。これにより、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋の電位、及び入力端子Ｉｎ−の電位は、共通負帰還器２３０における基準電位にそれぞれ漸近させることが可能である。これにより、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋の電位と、入力端子Ｉｎ−の電位とを略等しい電位にさせることが可能である。
【００７９】
これにより、例えばＰＩＮダイオード等の受光素子１０におけるＰ端子の電位と、Ｎ端子の電位とを等しくさせることが可能である。これにより、例えばＰＩＮダイオード等の受光素子１０を、ゼロバイアス、所謂、発電モードとして動作させることが可能である。
【００８０】
受光素子１０におけるＰ端子の電位と、Ｎ端子の電位は等しくなるので、受光素子１０のＰ端子ないしはＮ端子と、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋ないしはＩｎ−との接続関係は、本実施例に限定されることはない。即ち、受光素子１０のＰ端子を差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ−に接続すると共に、受光素子１０のＮ端子を差動増幅部２００の入力端子Ｉｎ＋に接続して良い。
【００８１】
この結果、逆バイアス電圧に起因した暗電流のゆらぎによるノイズ電流を低下させ、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能である。特に、本願発明者らによる研究によれば、本実施形態によって、例えば血液中のヘモグロビンによる光の散乱に起因した微弱な光量及び微弱な光量の変化を検出可能であることが判明している。
【００８２】
＜第１実施形態における作用と効果の検討＞
次に、図５に加えて、上述した図３等を適宜参照して、第１実施形態に係る光量検出装置の作用と効果とについて検討する。ここに、図５は、第１実施形態に係るゼロバイアス及び比較例に係る逆バイアス電圧を図式的に示すグラフ（図５（ａ））、比較例に係る受光素子の回路図（図５（ｂ））、及び第１実施形態に係る受光素子の回路図（図５（ｃ））である。尚、図５（ａ）中の横軸はフォトダイオードの電圧を示し、縦軸はフォトダイオードの電流を示す。
【００８３】
仮に、比較例に係る図５（ａ）及び図５（ｂ）に示したように、例えばフォトダイオード等の受光素子において、Ｐ端子の電位よりＮ端子の電位を高くして、逆バイアス電圧を印加した場合、逆バイアス電圧の印加によりＰ端子とＮ端子との間の静電容量を低下させることはできるが、弊害として、入力光量がなくても、逆方向に流れる電流、即ち、暗電流が発生してしまう。このため、検出された光量の変化が微弱であることによって、受光素子によって検出された電流も微弱な電流量である場合、逆バイアス電圧の印加によって暗電流が増加してしまうとノイズ成分が増加し、微弱な光量及び微弱な光量の変化を検出することは技術的に困難となってしまう。言い換えると、検出された電流信号に比較して、暗電流のゆらぎによるノイズ電流が増大してしまい、Ｓ／Ｎ比が大きく低下してしまうという技術的な問題点が生じる。
【００８４】
これに対して、本実施形態によれば、図５（ａ）及び図５（ｃ）に示したように、例えばＰＩＮダイオード等の受光素子１０を、当該受光素子１０に逆バイアス電圧を殆ど又は完全に印加しないゼロバイアスの状態、所謂、発電モードとして動作させることが可能である。これにより、暗電流を殆ど又は完全にゼロに漸近させることができる。その結果、暗電流のゆらぎによるノイズ電流を低下させ、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能であり、例えば血液中のヘモグロビンによる光の散乱に起因した微弱な光量及び微弱な光量の変化を検出可能である。
【００８５】
加えて、本実施形態によれば、フォトダイオードへのバイアス印加作用を、図３で示したように、帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２による負帰還作用で実施している。これにより、フォトダイオードへのバイアス印加の際に、このゼロバイアスにさせることを専ら目的とする特別なバイアス素子を追加する必要を殆ど又は完全に無くすことができる。この結果、光量検出装置を、例えばＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）化する際に、チップ面積を低減できることが可能であるので、光量検出装置の製造の低コスト化を実現することが可能である。
【００８６】
加えて、本実施形態によれば、上述したように、フォトダイオード等の受光素子を、ゼロバイアスの状態、所謂、発電モードとして動作させている。これにより、図３で示したように、差動増幅回路２１０の入力バイアスと、フォトダイオード等の受光素子のバイアスとを電気的に分離させることなく、帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２と、中点電位検出器と、共通負帰還器の協調的な作用により差動増幅回路２１０の入力バイアスを、基準電位に漸近させ適正化することが可能である。この結果、差動増幅回路２１０の入力バイアスと、受光素子のバイアスとを電気的に分離させるための特別なコンデンサや上述の特別なバイアス素子を追加することなく、差動増幅回路２１０の歪み特性の向上を実現することが可能である。加えて、バイアスを分離させるための特別なコンデンサや上述の特別なバイアス素子を追加することなく、光量検出装置において、ダイナミックレンジを向上させることが可能である。
【００８７】
更に、加えて、本実施形態によれば、光量検出装置において、バイアスを分離させるためのコンデンサを設ける必要性がないので、低コスト化を実現可能である。また、バイアスを分離させるためのコンデンサを設ける必要がないので、例えばフォトダイオード等の受光素子１０と、差動増幅回路２１０とを、同一のＬＳＩ上に形成する所謂、ＯＥＩＣ（Optical Electric Integrated Circuit）化の際にチップの面積を低減することが可能であるので、簡便且つ低コストのＬＳＩ化を実現可能である。
【００８８】
＜第２実施形態：増幅器＞
次に、図６を参照して、第２実施形態に係る増幅器３００ａの詳細構成について説明する。ここに、図６は、第２実施形態に係る増幅器３００ａの詳細な構成を図式的に示す回路図である。尚、第２実施形態に係る増幅器３００ａにおいて、上述した第１実施形態に係る増幅器３００と概ね同様の構成要素については同一の符号番号を付し、それらの説明は適宜省略する。また、第２実施形態に係る受光素子１０、電流電圧変換器１００は、上述した第１実施形態に係る受光素子１０、電流電圧変換器１００と概ね同様であるので便宜上説明を省略する。
【００８９】
図６に示されるように、第２実施形態に係る増幅器３００ａは、アンプＯＰ1、ＯＰ２、帰還抵抗Ｒ２、Ｒ３、共通入力抵抗Ｒ１、ローパスフィルタ（即ち、低域通過フィルタ）ＬＰＦ１、ＬＰＦ２、ＡＤ変換器（Analog to Digital Converter）ＡＤＣ１、ＡＤＣ２を備えて構成されている。
【００９０】
上述したように、第１実施形態に係る増幅器３００（図４を参照）は、シングルエンドの信号であると共にアナログ信号として光検出信号ＤｔＯｕｔを出力可能なように構成される。これに対して、第２実施形態に係る増幅器３００ａは、図６に示されるように、光検出信号ＤｔＯｕｔ１、ＤｔＯｕｔ２として、極性の異なる２つの差動信号を差動出力して良い。加えて、図６に示されるように、上述したローパスフィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２、ＡＤ変換器ＡＤＣ１、ＡＤＣ２を介して、ディジタル信号として出力して良い。このように、光検出信号ＤｔＯｕｔ１、ＤｔＯｕｔ２を、ディジタル信号として出力する場合、ＡＤ変換器によるサンプリングによって発生するエリアシングノイズを除去可能であるアンチエリアスフィルタとしてのローパスフィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２を介してＡＤ変換器ＡＤＣ１、ＡＤＣ２へ入力させることにより、Ｓ／Ｎ比を高めることが可能であるので大変好適且つ有益である。ＡＤ変換器ＡＤＣ１、ＡＤＣ２の出力信号である量子化された光検出信号ＤｔＯｕｔ１、ＤｔＯｕｔ２は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のディジタル信号処理装置等の信号処理装置（不図示）により減算処理が実行されてよい。
【００９１】
以上の結果、第２実施形態に係る増幅器３００ａによれば、光検出信号ＤｔＯｕｔ１、ＤｔＯｕｔ２は、量子化されているので、例えば通信網を介して伝送する場合における、外界環境からのノイズに強くなるので、光検出信号の長距離伝送を実現することが可能である。
【００９２】
＜第３実施形態＞
次に、図７乃至図１０を参照して、第３実施形態に係る光量検出装置１について説明する。尚、第３実施形態に係る構成要素においては、上述した第１及び第２実施形態に係る構成要素と概ね同様である構成要素については同一の符号番号を付し、それらの説明は適宜省略する。
【００９３】
＜詳細構成：電流電圧変換器＞
先ず、図７及び図９を参照して、第３実施形態に係る電流電圧変換器１００ｂの詳細な構成と、当該電流電圧変換器１００ｂでの変調について説明する。ここに、図７は、第３実施形態に係る電流電圧変換器１００ｂの詳細な構成を図式的に示すブロック図である。図９は、第３実施形態に係る受光素子の検出電流Ｉｄｔ、検出電圧ＶＯｕｔ＋、ＶＯｕｔ−、スイッチ作用の制御信号ＳＷＰ１、ＳＷＰ２、ＳＷＰ３、光検出信号ＤｔＯｕｔの時間軸に沿った波形図である。
【００９４】
図７に示されるように、第３実施形態に係る電流電圧変換器１００ｂは、帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２、及び差動増幅部２００ｂを備えて構成されている。
【００９５】
帰還抵抗Ｒｆ1、Ｒｆ２は、電流電圧変換器１００の差動増幅部２００ｂの入力端子Ｉｎ＋、Ｉｎ−と、出力端子Ｏｕｔ＋、Ｏｕｔ−との間にそれぞれ接続され、負帰還を施すと同時に、電流を電圧に変換する。
【００９６】
差動増幅部２００ｂは、入力端子Ｉｎ＋、Ｉｎ−、第１スイッチ２５０、差動増幅回路２１０、第２スイッチ２６０、中点電位検出器２２０、共通負帰還器２３０、及び出力端子Ｏｕｔ＋、Ｏｕｔ−、規定周期生成器２７０を備えて構成されている。特に、第１スイッチ２５０は、入力端子Ｉｎ＋、Ｉｎ−と、差動増幅回路２１０との間に設けられ、入力端子Ｉｎ＋、Ｉｎ−と、差動増幅回路２１０の２つの入力端子との接続をスイッチ可能に構成されている。第２スイッチ２６０は、差動増幅回路２１０の出力端子と、帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２との間に設けられ、差動増幅回路２１０の２つの出力端子（言い換えると、出力端子Ｏｕｔ＋、Ｏｕｔ−）と、帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２との接続をスイッチ可能に構成されている。尚、第1スイッチ２５０は、本発明に係る第１スイッチ手段の一例を構成し、第２スイッチ２６０は、本発明に係る第２スイッチ手段の一例を構成する。加えて、第1スイッチ２５０、及び第２スイッチ２６０は、本発明に係る変調手段の一例を構成する。
【００９７】
規定周期生成器２７０は、例えばデジタル発振器、分周器、遅延素子、論理回路（いずれも不図示）等により構成され、規定の周期Ｔに従って、第１スイッチ２５０及び第２スイッチ２６０における導通及び非導通、所謂、スイッチ作用を制御するための制御信号ＳＷＰ１、ＳＷＰ２、ＳＷＰ３を生成する。制御信号ＳＷＰ３は、制御信号ＳＷＰ１、ＳＷＰ２と比較して、時間Ｔｄだけ遅延した信号である。制御信号ＳＷＰ1は第１スイッチ２５０へ供給され、制御信号ＳＷＰ２は第２スイッチ２６０へ供給され、制御信号ＳＷＰ３は後述の第３スイッチ３３０へ供給される。
【００９８】
受光素子１０の２つの端子と、差動増幅回路２１０の２つの入力端子との間の電気的な接続の極性は、第１スイッチ２５０によって反転される。例えば、制御信号ＳＷＰ１がＨｉｇｈレベルの場合、受光素子１０のＰ端子は、第１スイッチ２５０を介して差動増幅回路２１０のプラス入力端子に接続される。と同時に、制御信号ＳＷＰ１がＨｉｇｈレベルの場合、制御信号ＳＷＰ２もＨｉｇｈレベルであり、帰還抵抗Ｒｆ1は、第２スイッチ２６０を介して差動増幅回路２１０のマイナス出力端子に接続され、受光素子１０のＰ端子へと差動増幅回路２１０のマイナス出力端子からの出力電圧が負帰還される。
【００９９】
概ね同様にして、制御信号ＳＷＰ１がＬｏｗレベルの場合、受光素子１０のＰ端子は、第１スイッチ２５０を介して差動増幅回路２１０のマイナス入力端子に接続される。と同時に、制御信号ＳＷＰ１がＬｏｗレベルの場合、制御信号ＳＷＰ２もＬｏｗレベルであり、帰還抵抗Ｒｆ1は、第２スイッチ２６０を介して差動増幅回路２１０のプラス出力端子に接続され、受光素子１０のＰ端子へ差動増幅器のプラス出力端子からの出力電圧が負帰還される。
【０１００】
上述した受光素子１０のＰ端子に着目した負帰還と相補的に、受光素子１０のＮ端子に着目する。即ち、制御信号ＳＷＰ１がＨｉｇｈレベルの場合、受光素子１０のＮ端子は、第１スイッチ２５０を介して差動増幅回路２１０のマイナス入力端子に接続される。と同時に、制御信号ＳＷＰ１がＨｉｇｈレベルの場合、制御信号ＳＷＰ２もＨｉｇｈレベルであり、帰還抵抗Ｒｆ２は、第２スイッチ２６０を介して差動増幅回路２１０のプラス出力端子に接続され、受光素子１０のＮ端子へと差動増幅回路２１０のプラス出力端子からの出力電圧が負帰還される。
【０１０１】
概ね同様にして、制御信号ＳＷＰ１がＬｏｗレベルの場合、受光素子１０のＮ端子は、第１スイッチ２５０を介して差動増幅回路２１０のプラス入力端子に接続される。と同時に、制御信号ＳＷＰ１がＬｏｗレベルの場合、制御信号ＳＷＰ２はＬｏｗレベルであり、帰還抵抗Ｒｆ２は、第２スイッチ２６０を介して差動増幅回路２１０のマイナス出力端子に接続され、受光素子１０のＮ端子へと差動増幅器２１０のマイナス出力端子からの出力電圧が負帰還される。
【０１０２】
前述の第１スイッチ２５０と第２スイッチ２６０とのスイッチ動作により、受光素子１０が検出した検出電流Ｉｄｔは、図９に示したように、電流電圧変換器１００の出力端子Ｏｕｔ＋、Ｏｕｔ−から夫々出力される検出電圧ＶＯｕｔ＋、ＶＯｕｔ−に電流電圧変換され、規定の周期Ｔに従ったパルス形状の波形となる。検出電圧ＶＯｕｔ＋、ＶＯｕｔ−の波形の上下エンベロープは、検出電流Ｉｄｔに応じた波形となり、キャリア周波数「１／Ｔ」で振幅変調を施した波形とほぼ等価となる。第１スイッチ２５０と第２スイッチ２６０によるスイッチ作用は、規定の周波数「１／Ｔ」で振幅変調する振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）方式における変調器の作用とほぼ等価である。
【０１０３】
＜詳細構成：増幅器＞
次に、図８に加えて上述した図７を適宜参照して、第３実施形態に係る増幅器３００ｂの詳細構成と当該増幅器３００ｂでの復調とについて説明する。ここに、図８は、第３実施形態に係る増幅器３００ｂの詳細な構成を図式的に示す回路図である。
【０１０４】
図８に示されるように、第３実施形態に係る増幅器３００ｂは、ハイパスフィルタ（即ち、高域通過フィルタ）ＨＰＦ１、ＨＰＦ２、第３スイッチ３３０、入力抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ７、アンプＯＰ３、帰還抵抗Ｒ６、ローパスフィルタ（即ち、低域通過フィルタ）ＬＰＦ３を備えて構成されている。
【０１０５】
増幅器３００の入力端子Ｉｎ1、Ｉｎ２と、出力段であるアンプＯＰ３との間において、ハイパスフィルタＨＰＦ１、ＨＰＦ２、第３スイッチ３３０が設けられている。
【０１０６】
増幅器３００の入力端子Ｉｎ1、Ｉｎ２は、ハイパスフィルタＨＰＦ１、ＨＰＦ２にそれぞれ接続される。
【０１０７】
尚、第３スイッチ３３０は、本発明に係る第３スイッチ手段及び復調手段の一例を構成し、高域通過回路ＨＰＦ1とＨＰＦ2は、本発明に係る高域通過フィルタ手段の一例を構成する。
【０１０８】
また、出力段であるアンプＯＰ３には、低域通過回路、所謂、ローパスフィルタＬＰＦ３が付随している。ローパスフィルタＬＰＦ３は、低域通過フィルタ手段を構成する。ローパスフィルタＬＰＦ３がアンプＯＰ３の後段に位置する例を示したが、アンプＯＰ３自体が、ＬＰＦ特性を有していて良い。
【０１０９】
高域通過回路、所謂、ハイパスフィルタＨＰＦ１、ＨＰＦ２のフィルタリング作用により、上述の図７で示した電流電圧変換器１００の出力端子Ｏｕｔ−、Ｏｕｔ＋から出力された検出電圧ＶＯｕｔ−、ＶＯｕｔ＋の出力信号から、電流電圧変換の際に生じた低域ノイズ成分を適切に除去可能である。第３スイッチ３３０は、出力端子Ｏｕｔ−、Ｏｕｔ＋から出力された検出電圧ＶＯｕｔ−とＶＯｕｔ＋の出力信号を、規定の周期Ｔに応じた制御信号ＳＷＰ３に従って、選択的に極性反転させアンプＯＰ３へと入力させる。
【０１１０】
第３スイッチ３３０は、規定の周波数「１／Ｔ」で振幅変調された検出電圧ＶＯｕｔ−、ＶＯｕｔ＋の変調信号を復調する振幅変調（ＡＭ）方式における復調器の作用とほぼ等価である。
【０１１１】
アンプＯＰ３は、復調された２つの電流電圧変換信号を差動増幅する。特に、アンプＯＰ３に付随したローパスフィルタＬＰＦ３は、上述の復調の際に除去しきれなかったキャリア周波数の周辺のノイズ成分や、電流電圧変換に用いた帰還抵抗Ｒｆ1、Ｒｆ２が発生した熱雑音などの高域周波数のノイズ成分を効果的に抑制することが可能である。
【０１１２】
＜第３実施形態における作用と効果の検討＞
ここで、図１０に加えて、上述した図３及び図７を適宜参照して、第３実施形態に係る光量検出装置の作用と効果とについて検討する。ここに、図１０は、第３実施形態に係るスペクトル解析における、被変調波、変調波、復調波のパワースペクトルを図式的に示したグラフである。尚、図１０中の周波数ｆｃによって振幅変調における搬送波のキャリア周波数が示され、周波数ｆｃ−ｆｓによって、振幅変調の下側波が示され、周波数ｆｃ＋ｆｓによって振幅変調の上側波が示されている。
【０１１３】
仮に、第３実施形態に係る振幅変調の方式での変調及び復調を行わない場合、図１０で示したように、受光素子１０が検出した検出電流Ｉｄｔは、例えば周波数ｆｓを中心とした信号としたスペクトルを有し、このスペクトルに対して、そのまま電流電圧変換が施される。この場合、図１０中の点線で示されるように、電流電圧変換器１００を構成する差動増幅回路２１０は、所謂、「１／ｆノイズ」といわれる低周波ノイズを発生する。この低周波ノイズは、図１０中の点線で示されるように、周波数が低くなるに従ってそのノイズの振幅が大きくなる傾向を有する。このため、この「１／ｆノイズ」が電流電圧変換の際に、周波数ｆｓの信号成分に加算されて電流電圧変換が施されてしまい、第３実施形態に係る振幅変調の方式での変調及び復調を行わない場合、Ｓ／Ｎ比が顕著に低下してしまうという技術的な問題点が生じる可能性がある。
【０１１４】
これに対して、第３実施形態においては、先ず、電流電圧変換器１００ｂ（図７を参照）の検出電圧ＶＯｕｔ−、ＶＯｕｔ＋は、第１スイッチ２５０と第２スイッチ２６０とのスイッチ作用により、キャリア周波数ｆｃ（＝１／Ｔ）で振幅変調を施した波形とほぼ等価となる。これにより、受光素子１０が検出した検出電流Ｉｄｔは、図１０に示されるように、キャリア周波数ｆｃを中心として上下の周波数、即ち「周波数ｆｃ＋ｆｓ」と、「周波数ｆｃ−ｆｓ」との周波数スペクトルを有する振幅変調波へと変調されつつ、電流電圧変換が施される。特に、図１０に示されるように、上述した検出電流Ｉｄｔの周波数ｆｓと比較してより高い周波数ｆｃを中心としたスペクトルに周波数変換されつつ、電流電圧変換されるので、上述の「１／ｆノイズ」、即ち、低周波ノイズ（図１０中の点線を参照）の影響を殆ど又は完全に無くすことが可能である。
【０１１５】
言い換えると、図１０中の点線で示される低周波ノイズは、主に差動増幅回路２１０の「１／ｆノイズ」であり、周波数が高くなるに従って減少する傾向にある。そこで、第１スイッチ２５０と第２スイッチ２６０のスイッチ作用によって変調周波数ｆｃを、「１／ｆノイズ」の影響が顕著に少ない高い周波数に設定することによって、電流電圧変換を行う際に、この低周波ノイズの影響を殆ど又は完全に無くすことが可能である。
【０１１６】
この結果、第３実施形態によれば、電流電圧変換器１００ｂを構成する差動増幅回路２１０の「１／ｆノイズ」の影響を殆ど又は完全に無くしつつ、光検出信号ＤｔＯｕｔのＳ／Ｎ比を向上させることが可能である。以上の結果、第３実施形態に係る光量検出装置は、低周波の周波数領域における光検出特性（又は光検出性能）が顕著に優れているので、生体情報として、例えば血流信号等の低周波成分が含まれる信号を測定する光センサからの微弱な光量をより高精度且つ適切に検出することが可能である。
【０１１７】
特に、上述したように、電圧ＶＯｕｔ＋、ＶＯｕｔ−は、図７で示される第１スイッチ２５０と第２スイッチ２６０とのスイッチ作用により、上述した検出電流Ｉｄｔの周波数ｆｓより高い周波数であるキャリア周波数ｆｃで振幅変調が施されつつ電流電圧変換される。加えて、この振幅変調が施されつつ電流電圧変換された電圧ＶＯｕｔ＋、ＶＯｕｔ−は、図８で示されるハイパスフィルタＨＰＦ１、ＨＰＦ２のフィルタリング作用により、上述の低周波ノイズが除去された後、第３スイッチ３３０のスイッチ作用による復調が施される。このように、電圧ＶＯｕｔ＋、ＶＯｕｔ−は、振幅変調の方式における変調後及び復調前に存在する上述の「１／ｆノイズ」等の低周波ノイズを、ハイパスフィルタＨＰＦ１、ＨＰＦ２によって除去された後、第３スイッチ３３０によって復調されつつ増幅されるので、Ｓ／Ｎ比を顕著に向上可能であるので、実践上、大変好ましい。
【０１１８】
また、増幅器３００ｂのアンプＯＰ３に付随したローパスフィルタＬＰＦ３によって復調時に除去しきれなかったキャリア周波数ｆｃ成分等の高域ノイズを除去可能であるので、Ｓ／Ｎ比をより顕著に向上可能であるので、実践上、更に大変好ましい。
【０１１９】
更に、図９に示したように、復調用の制御信号ＳＷＰ３は、変調用の制御信号ＳＷＰ１及びＳＷＰ２と比較して、所定の時間Ｔｄだけ遅延した信号としている。これにより、電流電圧変換器１００ｂ（図７を参照）による変調タイミングと、増幅器３００ｂ（図８を参照）による復調タイミングとの時間差に起因して発生する、復調時のキャリア周波数ｆｃの高調波成分の残留を効果的に防止することが可能である。制御信号ＳＷＰ３を所定の時間Ｔｄだけ遅延させる遅延作用によって、復調時に発生する高域ノイズを効果的に抑制することが可能であり、光検出信号のＳ／Ｎ比の更なる向上を実現可能である。
【０１２０】
＜第４実施形態＞
次に、図１１を参照して、第４実施形態に係る光量情報処理装置の一具体例である生体情報検出装置について説明する。ここに、図１１は、第４実施形態に係る生体情報検出装置の一例である血流量センサの全体構成を概念的に示すブロック図である。尚、第４実施形態に係る構成要素においては、上述した第１乃至第３実施形態に係る構成要素と概ね同様である構成要素については同一の符号番号を付し、それらの説明は適宜省略する。
【０１２１】
図１１に示されるように、第４実施形態に係る生体情報検出装置１ｃは、レーザ駆動装置２、半導体レーザ３、受光素子１０、電流電圧変換器１００、増幅器３００、ローパスフィルタＬＰＦ４、ＡＤ変換器ＡＤＣ４、信号処理部５を備えて構成されている。
【０１２２】
図１１に示されるように、レーザ駆動装置２によって光源である半導体レーザ３が駆動され、披検体に光が照射される。披検体の毛細血管内のヘモグロビンにより散乱された光が、受光素子１０に入射される。受光素子１０が検出した検出電流を電流電圧変換器１００における帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２の負帰還作用により電圧に変換される。そして、増幅器３００の増幅作用により差動増幅された後、増幅された光検出信号ＤｔＯｕｔがローパスフィルタＬＰＦ４へ入力される。ローパスフィルタＬＰＦ４は、ＡＤ変換器ＡＤＣ４のサンプリングによるエリアシングノイズを除去する。ＡＤ変換器ＡＤＣ４からの出力信号は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の信号処理部５によってデジタル信号処理が施され、血流量を示すディジタル信号が演算され、血流量検出信号として出力される。血流量検出信号は、例えば有線インターフェースや無線インターフェース等の通信インターフェースを経由して、ＣＰＵ等の制御手段（不図示）に入力されて、例えばモニター等の表示手段（不図示）によって表示される。
【０１２３】
尚、第４実施形態において、第１実施形態に係る電流電圧変換器に代えて、第３実施形態に係る電流電圧変換器を適用可能である。また、第４実施形態において、第１実施形態に係る増幅器に代えて、第２実施形態に係る増幅器を適用可能である。また、第４実施形態において、第１実施形態に係る電流電圧変換器及び増幅器に代えて、第３実施形態に係る電流電圧変換器及び増幅器を適用可能である。
【０１２４】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光量検出装置、及び光量情報処理装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明は、例えば、微小な光量を電気信号に変換する光電変換装置、被検体の血流量を計測する計測器などの光量検出装置、並びに、例えば、被検体の血流量の計測結果から被検体の生体情報を推定する生体情報推定装置などの光量情報処理装置に利用可能である。
【符号の説明】
【０１２６】
１…光量検出装置、１ｃ…生体情報検出装置、２…レーザ駆動装置、３…半導体レーザ、５…信号処理部、１０…受光素子、２００…差動増幅部、１００、１００ｂ…電流電圧変換器、３００、３００ａ、３００ｂ…増幅器、２００、２００ｂ…差動増幅部、２５０…第１スイッチ、２１０…差動増幅回路、２２０…中点電位検出器、２３０…共通負帰還器、２６０…第２スイッチ、２７０…規定周期生成器、３３０…第３スイッチ、Ｒｆ１、Ｒｆ２…帰還抵抗、Ｉｎ１、Ｉｎ２…入力端子、Ｏｕｔ…出力端子、ＯＰ1、ＯＰ２、ＯＰ３…アンプ、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ６…帰還抵抗、Ｒ１…共通入力抵抗、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ７…入力抵抗、Ｒｃ１、Ｒｃ２…負荷抵抗、ＬＰＦ１、ＬＰＦ２、ＬＰＦ３、ＬＰＦ４…ローパスフィルタ、ＡＤＣ１、ＡＤＣ２、ＡＤＣ４…ＡＤ変換器、Ｉｎ＋、Ｉｎ−…入力端子、Ｏｕｔ＋、Ｏｕｔ−…出力端子、ＨＰＦ１、ＨＰＦ２…ハイパスフィルタ、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ７…入力抵抗。
【図１】
2011001523.tif 000003
【図２】
2011001523.tif 000004
【図３】
2011001523.tif 000005
【図４】
2011001523.tif 000006
【図５】
2011001523.tif 000007
【図６】
2011001523.tif 000008
【図７】
2011001523.tif 000009
【図８】
2011001523.tif 000010
【図９】
2011001523.tif 000011
【図１０】
2011001523.tif 000012
【図１１】
2011001523.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月31日(2011.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された光の光量を電流に変換する光電気変換素子と、
前記光電気変換素子の第１端子に接続された正の入力端子、前記光電気変換素子の第２端子に接続された負の入力端子、前記正の入力端子に入力された電流の極性を反転して電圧として出力する負の出力端子、前記負の入力端子に入力された電流の極性を反転して電圧として出力する正の出力端子、前記正の入力端子と前記負の出力端子との間に接続される第１負帰還抵抗、及び、前記負の入力端子と前記正の出力端子との間に接続される第２負帰還抵抗を有し、前記光電気変換素子をゼロバイアスにさせると共に前記変換された電流を電圧に変換する電流電圧変換手段と、
前記変換された電圧を増幅する増幅手段と、
前記変換された電流の周波数より高い所定周波数で規定される奇数番目の周期に前記変換された電圧の極性を反転し、前記所定周波数で規定される偶数番目の周期で前記変換された電圧の極性を反転しないことにより、前記変換された電圧の電圧信号を変調する変調手段と、
前記奇数番目の周期で前記変換された電圧の極性を反転し、前記偶数番目の周期で前記変換された電圧の極性を反転しないことにより、前記変換された電圧の電圧信号を復調する復調手段と
を備え、
前記変調手段として、前記第１端子と前記正の入力端子とが接続され、且つ、前記第２端子と前記負の入力端子とが接続された第１接続状態と、前記第１端子と前記負の入力端子とが接続され、且つ、前記第２端子と前記正の入力端子とが接続された第２接続状態と、を前記所定周波数で切り替える第１スイッチ手段を更に備える
ことを特徴とする光量検出装置。
【請求項２】
前記電流電圧変換手段は、前記負の出力端子と前記正の出力端子との間の中点電位と基準電位との電位差を負帰還する共通負帰還手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光量検出装置。
【請求項３】
前記共通負帰還手段は、光電気変換素子の第１端子の電位と、第２端子の電位とを等しくすることを特徴とする請求項２に記載の光量検出装置。
【請求項４】
前記増幅手段は、前記負の出力端子及び前記正の出力端子が夫々出力した電圧を差動増幅することを特徴とする請求項１に記載の光量検出装置。
【請求項５】
前記変調手段として、前記負の出力端子と前記第１負帰還抵抗とが接続され、且つ、前記正の出力端子と前記第２負帰還抵抗とが接続された第３接続状態と、
前記負の出力端子と前記第２負帰還抵抗とが接続され、且つ、前記正の出力端子と前記第１負帰還抵抗とが接続された第４接続状態とを前記所定周波数で切り替える第２スイッチ手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光量検出装置。
【請求項６】
前記増幅手段は、前記負の出力端子が出力する負の検出電圧と、前記正の出力端子が出力する正の検出電圧とを差動増幅する減算増幅手段を含み、
前記復調手段として、前記負の検出電圧と前記正の検出電圧との極性を前記所定周波数で反転する第３スイッチ手段を更に備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光量検出装置。
【請求項７】
前記増幅手段は、前記変換された電圧の電圧信号を復調するタイミングを所定時間だけ遅延させる遅延手段を含むことを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の光量検出装置。
【請求項８】
前記変調された電圧の電圧信号の低周波ノイズを除去するための高域通過フィルタ手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光量検出装置。
【請求項９】
前記復調された電圧の電圧信号の高周波ノイズを除去するための低域通過フィルタ手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光量検出装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の光量検出装置と、
前記増幅された電圧の電圧信号である光検出信号を信号処理する信号処理手段と
を備えることを特徴とする光量情報処理装置。
【国際調査報告】
2011001523.tif 000014
2011001523.tif 000015
2011001523.tif 000016
2011001523.tif 000017
2011001523.tif 000018
2011001523.tif 000019
2011001523.tif 000020
2011001523.tif 000021