(57)【要約】  本発明は、有益な交流光信号を受信し、外部光から得られる電気エネルギーを蓄積するための受光器（１）であって、外部光および外部光よりも高い周波数を有する有益な交流光信号成分を含む光を受光し、前記光を有益な信号電流（ＩＮ）および外部光電流（ＩＦ）を含む光電流（ＩＰ）に変換するためのフォトダイオードと、前記有益な光交流光信号成分によって生じた有益な信号電流を、前記外部光によって生じた前記外部光電流から減結合および分離するための結合ユニット（３）と、前記有益な信号電流を増幅するための増幅ユニット（４）と、前記外部光電流（ＩＦ）によって充電され、且つ電圧を増加するための回路を含むエネルギー蓄積ユニット（５）と、を備え、前記エネルギー蓄積ユニット（５）に蓄積された前記エネルギーが、前記受光器（１）にエネルギーを少なくとも部分的に供給するためおよび／または前記受光器（１）を備える測定装置（１６）にエネルギーを少なくとも部分的に供給するために使用される受光器に関する。
2013502787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流光データ信号を受信し、外部光から得られる電気エネルギーを蓄積するための受光器であって、
外部光および当該外部光よりも高い周波数を有する交流光データ信号成分を含む光を受光し、当該光をデータ信号電流（ＩＮ）および外部光電流（ＩＦ）を含む光電流（ＩＰ）に変換するためのフォトダイオード（２）と、
前記光交流光データ信号成分によって生じた前記データ信号電流（ＩＮ）を、前記外部光によって生じた前記外部光電流（ＩＦ）から減結合および分離するための結合ユニット（３）と、
前記データ信号電流（ＩＮ）を増幅するための増幅ユニット（４）と、
前記外部光電流（ＩＦ）によって充電され、且つ電圧を増加するための回路を有するエネルギー蓄積ユニット（５）と、を備え、
前記エネルギー蓄積ユニット（５）に蓄積された前記エネルギーが、前記受光器（１）に前記エネルギーを少なくとも部分的に供給するためおよび／または前記受光器（１）を有する測定装置（１６）に前記エネルギーを少なくとも部分的に供給するために使用されることを特徴とする受光器。
【請求項２】
前記エネルギー蓄積ユニット（５）における電圧を増加するための前記回路が少なくとも二つのキャパシタ（７）およびスイッチ（８）を含み、前記キャパシタ（７）同士が直列または並列に接続され、前記直列回路から前記並列回路へ切り替えが生じるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の受光器。
【請求項３】
前記充電されたエネルギー蓄積ユニット（５）の前記エネルギーをより高い電圧レベルのエネルギー集積アキュムレータ（９）へ移動させるために、前記キャパシタ（７）同士が直列接続されることを特徴とする請求項２に記載の受光器。
【請求項４】
前記エネルギー蓄積ユニット（５）から前記エネルギー集積アキュムレータ（９）への電荷移動が行われている時に前記フォトダイオード（２）を前記増幅ユニット（４）と絶縁するように、前記フォトダイオード（２）を前記増幅ユニット（４）と少なくとも一時的に絶縁するスイッチを有すること特徴とする請求項３に記載の受光器。
【請求項５】
前記エネルギー蓄積ユニット（５）を制御するためのエネルギー蓄積コントローラ（１０）を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の受光器。
【請求項６】
前記エネルギー蓄積ユニット（５）がジャイレータ（４１）によって前記フォトダイオード（２）から減結合可能であることを特徴とする請求項５に記載の受光器。
【請求項７】
前記エネルギー蓄積ユニット（５）が、好ましくは少なくとも一つのコイルおよび一つのスイッチを有する電圧変換器を備えることを特徴とする請求項１に記載の受光器。
【請求項８】
前記結合ユニット（３）が変圧器（１１）またはジャイレータ（４１）を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の受光器。
【請求項９】
前記増幅ユニット（４）がバンドパスフィルタまたはハイパスフィルタを備えることおよび／または前記増幅ユニット（４）が電流増幅器として設計されるまたは電流電圧変圧器として機能することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の受光器。
【請求項１０】
前記フォトダイオード（２）が順方向にバイアスされ、好ましくはフォトダイオードリミッタ回路（２６）が前記フォトダイオード（２）の順方向電圧を０．７ボルト未満に制御し、好ましくは前記順方向電圧を０．２から０．６ボルトの範囲内に制御し、特に好ましくは０．５ボルトに制御することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の受光器。
【請求項１１】
前記エネルギー蓄積ユニット（５）で使用される前記スイッチ（８）は、特に、当該スイッチが統合スイッチ（８）である場合、当該スイッチ（８）の閾値が０．４ボルト未満、好ましくは０．３ボルト未満、特に好ましくは０．２５ボルト近くになるように、０．４ボルトの電圧から、好ましくは０．３ボルトの電圧から、特に好ましくは０．２ボルトの電圧から始動可能なように当該スイッチ（８）が切替えられるように、実装されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の受光器。
【請求項１２】
光電子測定装置であって、
特定の位相関係にある、すなわち時系列的にクロックされた光を放射するデータ信号光源（１７）および補償光源（１８）と、
前記光源（１７、１８）によって放射されるクロック同期交流光データ信号成分、および外部光成分を含む光を受光するためのフォトダイオード（２）と、前記受光された交流光データ信号成分に基づいてデータ信号電流（ＩＮ）を増幅するための増幅ユニット（４）とを有する受光器（１）であって、特に請求項１から１１のいずれかに記載の受光器（１）と、
データ信号電流（ＩＮ）が供給される外部光補償回路（１９）と、を備え、
前記外部光補償回路（１９）が、
クロック発生器（２０）と、
前記データ信号電流（ＩＮ）のクロック同期解析のための復調器（２１）と、
前記データ信号光源（１７）用データ信号制御電流（ＩＮＳ）を発生するための変調器（２２）と、
前記補償光源（１８）用補償信号制御電流（ＩＫＳ）を発生するための変調器（２３）と、
前記変調器（２２、２３）のうちの少なくとも一方のための少なくとも一つの制御信号を発生するためのレギュレータユニット（２４）と、を備え、
異なる位相間で発生する前記クロック同期交流光データ信号成分がゼロに設定されるように前記補償信号制御電流を制御することによって、前記レギュレータユニット（２４）によって、前記補償光源（１８）は、その光強度が振幅および位相において制御される光電子測定装置であって、
前記光に含まれる前記外部光成分によって発生される外部光電流（ＩＦ）から前記データ信号電流（ＩＮ）を分離するための結合ユニット（３）と、
前記外部光電流（ＩＦ）によって充電され、且つエネルギー蓄積用の少なくとも一つの蓄積要素を含むエネルギー蓄積ユニット（５）と、を備え、
前記少なくとも一つの蓄積要素が前記外部光電流（ＩＦ）によって充電され、前記エネルギー蓄積ユニット（５）内に充電されたエネルギーが、前記光電子測定装置（１６）へエネルギーを供給するために少なくとも部分的に使用されることを特徴とする光電子測定装置。
【請求項１３】
前記エネルギー蓄積ユニット（５）よりも高い電圧電位を有するように前記エネルギー蓄積ユニット（５）によって充電されるエネルギー集積アキュムレータ（９）を有することを特徴とする請求項１２に記載の光電子測定装置。
【請求項１４】
前記データ信号光源（１７）および／または前記補償光源（１８）がＬＥＤであることを特徴とする請求項１２または１３に記載の光電子測定装置。
【請求項１５】
外部光から得られる電気エネルギーを蓄積し、光交流光データ信号を受信するための方法であって、
交流光データ信号成分および外部光成分を含む光を受光するための受光器（１）を有し、前記受光器（１）がフォトダイオード（２）と、結合ユニット（３）と、増幅ユニット（４）と、エネルギー蓄積ユニット（５）とを含み、前記方法が、
前記受光器（１）の前記フォトダイオード（２）によって光を受光し、当該光を、前記光交流光データ信号成分に基づくデータ信号電流（ＩＮ）および前記外部光成分に基づく外部光電流（ＩＦ）を含む電気光電流（ＩＰ）に変換するステップと、
前記結合ユニット（３）によって前記電気データ信号電流（ＩＮ）を前記電気外部光電流（ＩＦ）から分離するステップと、
前記増幅ユニット（４）によって前記データ信号電流（ＩＮ）を増幅し、増幅した前記データ信号（ＩＮ）を更なる処理のために解析ユニットへ提供するステップと、
前記外部光電流（ＩＦ）によって前記エネルギー蓄積ユニット（５）を充電するステップであって、前記エネルギー蓄積ユニット（５）が前記外部光電流（ＩＦ）によって充電される少なくとも一つの蓄積要素を備えるステップと、
前記受光器（１）へエネルギーを少なくとも部分的に供給するために前記エネルギー蓄積ユニット（５）に蓄積されたエネルギーを提供および使用するステップと、を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流光データ信号を受信し、外部光から得られる電気エネルギーを蓄積するための受光器であって、光を受光し、この光を光電流に変換するためのフォトダイオードを有する受光器に関する。前記受光される光は、外部光と、この外部光よりも高い周波数を有し、データ信号を発する光源によって生成される交流光データ信号とを含む。前記受光された光の変換によって生じる光電流は、データ信号電流と外部光電流とを含む。
【０００２】
また、本発明は、データ信号光源および補償光源を有する外部光補償、フォトダイオードおよび増幅部を有する受光器、および外部光補償回路を備える光電子測定装置に関する。本発明は、更に、外部光から得られる電気エネルギーを蓄積する方法、光学的交流光データ信号を受信する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
光センサは、データ信号光源が能動的に発する光に加えて、環境に広く存在する外部光、特に日光を含む光を受光する。受光された周辺光は、一般的に、データ信号光源（有効信号光源）が放射する光成分より実質的にはかなり強い。
【０００４】
この種の受光器は、光源を含み且つ光を発する受光器に加えて、例えば、能動的光センサの部品として使用される。この光センサが発する光は「被照」物体で反射され、反射が受光されると、これらの「被照」物体の情報を取得することができる。ここでは周辺光の成分もデータ信号光成分よりもかなり大きいので、これらのセンサは、例えば、受光器に到達する周辺光ができるだけ少なくなるような方法で遮蔽および遮光される。外部光補償回路を有する光センサによって異なる経路が取られる。このような光センサまたは受光器は、例えば、以下の出願から既知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第０７０６６４８号公報
【特許文献２】ドイツ国特許第１０１３３８２３号
【特許文献３】ドイツ国特許２８４９１８６号
【特許文献４】ドイツ国特許第１０３００２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
周辺光は、データ信号の解析のための、特に遠くにある物体および／またはそれらの位置の検出のための有益な情報を含まない。高い光強度のために、受光器のフォトダイオードでは高い光電流レベルが生成され、それによってこの種のセンサの受光器増幅器が飽和するまで駆動される。したがって、光電流のデータ信号成分が増幅される前に、光電流の外部光や周辺光の成分が抑制される。その際、周辺光がデータ信号よりも低い周波数であるという事実が利用される。例えば、人工照明によって生成される光は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数およびその高調波を有することが多い。自然の周辺光、または日光は、光電流に直流成分をもたらす。
【０００７】
受光器では、フォトダイオードは、逆方向にバイアスされることが多く、それにより、最も単純な場合、光電流は抵抗器を通って電源に辿り着くまでに散逸する。しかしながら、これは、この種の回路に起因して、逆方向へバイアスされたフォトダイオードがソースとしてではなく「シンク（ｓｉｎｋ）」として働くために、光電流が全回路の消費電力を増加し、周辺光によって生成される光電流成分が電源によって発生されなくてはならないという不利な点がある。
【０００８】
周辺光によって生成される光電流による電源の負荷を最小化するため、フォトダイオードを順方向にバイアスされる方向に操作することが有益であることが証明されている。このように接続されると、センサの電源には少なくとも負荷がかからない。
【０００９】
欧州特許第１９５６４９３号公報には、データおよびエネルギーをコンピュータから外部デバイスへ伝送する光インターフェースモジュールが記載されている。そのエネルギーは、光ファイバを介して伝送され電気信号に再変換される、能動発光された光を介して供給される。信号分離器によってデータ信号がエネルギー信号から分離される。エネルギーは、非常にシャープに集光させられて、特別な光エネルギー変圧器に衝突させられ、それによって少なくとも５．５Ｖの出力電圧が配給される。しかし、受光面積の小さいこの種のエネルギー変圧器は、非常に高価で、製造するには複雑な要素であり、従来のフォトダイオードの数倍のコストがかかる。十分なエネルギーを伝送させるためには、ケーブル結合光エネルギー伝送を使用しなければならない。加えて、光エネルギー信号を発生するのは手間がかかり、パワーレーザを必要とする。このようにすることによってのみ十分なエネルギーを伝送することができ、ショットキーダイオードおよびダウンストリーム蓄積キャパシタの形状で、信号分離器を供給することができる。しかし、ショットキーダイオードのために、出力電圧は約０．４Ｖ降下するという不利益が残る。
【００１０】
欧州特許第０３６７３３３号公報には、赤外光の形でデータ信号を送信する赤外線遠隔制御ユニットが記述されている。同時に、この遠隔制御ユニットのバッテリに対してエネルギー支援を行うため、この遠隔制御ユニットは周辺光からエネルギーを受け取るよう意図されている。この目的のため、バッテリを充電するのに必要な出力電圧を発生できるように複数のフォトダイオードが直列接続されている。
【００１１】
したがって、最先端の技術では、特にバッテリから供給される時の光センサの動作期間を大幅に延長することができる、可能な限りエネルギー効率のよい受光器を提供することが目的となる。加えて、その受光器は製造のコスト効率が良好であるべきである。
【００１２】
本発明の目的は、請求項１の特徴を有する受光器、請求項２の特徴を有する光電子測定装置、および請求項１５の特徴を有する方法によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の受光器は、交流光信号を受信し、この受光された光の外部光成分から得られる電気エネルギーを蓄積するために使用される。したがって、本発明は、周辺光が遮蔽されず前記受光器によって受光される環境で前記受光器が使用されることを前提とする。受光器に組み込まれるフォトダイオードは、外部光と、外部光よりも高い周波数を有する交流光データ信号成分を含む光を受光し、この光を、外部光電流とデータ信号電流を含む光電流に変換する。外部光電流が自然の周辺光から生成される場合、データ信号電流は直流電流である外部光電流よりも高い周波数を有する。
【００１４】
本発明において、フォトダイオードという用語は、可視または不可視光（電磁波）を電気エネルギーに、好ましくは電流に変換するためのあらゆる光要素を意味するものと理解される。これは、好ましくは約０．０１から１ｃｍ２の受光面積を有する信号処理用の特別なダイオードであり得る。しかし、１から１００ｃｍ２の受光面積を有し、例えば低消費電力デバイスにエネルギーを供給するために使用されるフォトセルモジュールも含まれる。
【００１５】
本発明における外部光という用語は、自然の周辺光および人工の（人為的な）周辺光の両方を含む。また、外部光という用語は、光データ伝送に使用されない、または特に光エネルギー伝送に使用されるその他の光源を含む。したがって、外部光は、データ光信号の形でフォトダイオードに伝送されない全ての光成分を含む。この場合のデータ信号（すなわち、有益な信号）とは、データまたは情報を伝送する（および物体を検出するために使用される）情報信号と、フォトダイオードに接続される電気回路または蓄積ユニットにエネルギーを供給するためのエネルギー信号の両方である。
【００１６】
外部光電流からデータ信号電流を分離するために、本発明は、フォトダイオードは飽和状態にならない限り順方向に作動させることができるという知識を用いる。この回路の変形では、フォトダイオードは供給電圧の負荷ではない。一方、飽和電圧未満であるフォトダイオードの対応する順方向電圧は、調整されなければならない。ドイツ国特許第４４３１１１７号から、可変負荷をフォトダイオードに並列接続した一種の動作点調節が知られている。
【００１７】
受光にはフォトダイオードを一つだけ使用することが好ましい。二つ以上のフォトダイオードを使用することもできるが、これらは直列接続されることが好ましい。使用するフォトダイオードは最大で５つが好ましい。
【００１８】
本発明では、フォトダイオードを順方向に適切に配線（バイアス）することによって、装置全体の、特に受光器の効率を上げるために周辺光が生成する光電流を使用することもできることが認識された。このために、受光器は、前記光のうち光交流光データ信号成分に基づくデータ信号電流が、受光された外部光に基づく外部光電流から減結合（ｄｅｃｏｕｐｌｅ）および分離（ｓｅｐａｒａｔｅ）される結合ユニットを備える。データ信号電流は、解析ユニットが解析および更なる処理に利用可能なように、増幅ユニットにおいて増幅される。低周波数信号を除去し、低周波数信号が増幅されないように、増幅ユニットがハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタを備えることが好ましい。
【００１９】
結合ユニットの機能は、低周波数の光電流成分を、より高い周波数のデータ信号電流から分離することである。これは、誘導変圧器によって実行され得る。この装置のコイルの一次側が低周波数の電流成分を伝送し、高周波数の成分は二次側に伝送される。動作周波数によっては、信号分離に大きなインダクタンスが必要であり、更に、集積回路（ＩＣ）ではコイルが不十分にしか実施されないので、コイルをジャイレータに置き換えることが有益である。
【００２０】
ジャイレータは、任意の所望のインピーダンスを、二重性を有するそれ自体のインピーダンスに変換することができる変圧回路である。例えば、キャパシタを使用することによって、外部的にはインダクタとして機能する二ポートデバイスが実装可能である。例えば、エネルギー蓄積ユニットを制御するためのエネルギー蓄積レギュレータはジャイレータを備えることができる。ジャイレータという用語は、例えば、いわゆるトランスコンダクタンス増幅器から、つまり、電圧制御された電流源として働くオペアンプから形成される回路装置として理解される。
【００２１】
本発明の受光器は、電圧を増加するための回路を有するエネルギー蓄積ユニットを備える。エネルギーは、この回路に、少なくとも一時的に、途中で蓄積できることが好ましい。エネルギー蓄積ユニットの入力に印加される電圧は、電圧レベルを上げ、入力電圧に対して出力電圧を増加するように、電圧を増加するための前記回路で増加される。エネルギー蓄積ユニットにおけるエネルギー蓄積は、途中でキャパシタの電界においてこの目的のために、蓄積され得る。この場合、電圧増加回路は「チャージポンプ」となる。或いは、エネルギー蓄積は、エネルギー蓄積ユニットで行われ得、インダクタンスまたはコイルの電磁場においても実施可能である。この例は、電圧変圧器や「アップコンバータ」である。この場合、電圧を増加するための回路は、少なくとも一つのインダクタおよび一つのスイッチを備える。インダクタに加えて、電圧を増加するための回路は、二つのスイッチまたはスイッチとダイオードの組み合わせを有することもできる。当然のことながら、複数のインダクタおよび／または複数のスイッチを使用することもできる。
【００２２】
エネルギー蓄積ユニットは、少なくとも二つのキャパシタおよび少なくとも一つのスイッチを含み、キャパシタが直列配置および／または並列配置で接続されるように配線されることが好ましい。直列回路から並列回路へ、および並列回路から直列回路へと切り替え可能であることが好ましい。充電する際、エネルギー蓄積ユニットは並列接続され、放電するには、例えば、その電荷をエネルギーアキュムレータに伝送するために、エネルギー蓄積ユニットは直列接続される。この回路装置によって、複数のキャパシタを使用する際、より高い電圧、すなわち、フォトダイオード出力電圧の数倍に電圧を増加させることもできる。したがって、このように構成されたエネルギー蓄積ユニットもチャージポンプとなる。エネルギー蓄積ユニットは、通常、エネルギー蓄積コントローラによって制御される。
【００２３】
エネルギー蓄積コントローラは、エネルギー蓄積ユニットのスイッチを制御し、切替える。エネルギー蓄積コントローラは、基準電圧源から供給されるタイミング要素および／または発振器を備えることができる。エネルギー蓄積コントローラは、比較器および基準電圧源によって実施される電圧閾値に基づいて制御可能である。本発明における基準電圧源は、不安定な供給電圧から、例えば、エネルギーアキュムレータ（またはそのキャパシタ）での電圧から、定義された値を有する正確な電圧を発生する回路として理解される。しかし、基準電圧源はエネルギーを供給するエネルギー源ではない。簡単な方法は、直列抵抗を介してＺダイオードへ供給電圧（またはエネルギー蓄積ユニットによって提供される電圧）を通すことから成る。その場合、Ｚダイオードでの逆方向バイアス電圧は基準電圧として使用可能である。
【００２４】
エネルギー蓄積ユニットに蓄積される電荷の再蓄積は、より高い電荷レベルを提供するエネルギーアキュムレータに対して行われることが好ましい。このエネルギーアキュムレータは、例えば、適切に選択されたキャパシタンスまたはキャパシタでもよい。エネルギーアキュムレータは、充電式バッテリ（充電コントローラを有する）または類似の充電される蓄電ユニットを備えることもできる。
【００２５】
エネルギーアキュムレータ、例えば、充電式バッテリにおける電圧がより高い電圧レベルに増加されると、その電圧は、受光器の一部であるユニットおよびコンポーネントに電圧を供給する電圧源を形成することができる。少なくとも２ボルトまたは２．５ボルトの電圧レベルが、光電子測定装置に供給され得る。それによって、どのような場合にも受光器または測定装置が、少なくともその時間の一部で追加の電源無しに稼働および機能することができるように、スタンドアロンモードで受光器または測定装置を夫々作動させることがほぼ可能である。
【００２６】
本発明の受光器は（バッテリによってまたは充電式バッテリによって）、先行技術のその他の受光器よりも大幅に長い動作時間が可能である。これは、特に、例えば商用電源を利用することができない自動車またはレジャー用ボートのアラームシステムの一部として受光器が車両に配置される場合に有益である。
【００２７】
受光器は、更に、その他の電圧源によって、例えば、バッテリによって、または、もしあれば、適度に変圧された商用電圧によって更に供給され得る。しかし、エネルギー蓄積ユニットに充電されたエネルギーは、回路の他のコンポーネントのために、特に受光器が組み込まれた測定装置または測定システムに使用することもできる。エネルギー蓄積ユニットは、例えば、電圧バッファユニットの機能を担うことができる。
【００２８】
エネルギー蓄積ユニットの単純な実施形態では、好ましくは順方向にバイアスされたフォトダイオードによって充電されるので、エネルギー蓄積ユニットは、０．５ボルトの電圧を提供することができる。約０．５ボルトがフォトダイオードの好ましい動作点であるため、エネルギー蓄積ユニットの出力電圧は約０．５ボルトである。
【００２９】
好適な実施形態では、エネルギー蓄積ユニットは電圧変圧器を備える。電圧変圧器は、ＤＣ−ＤＣ変圧器でもよい。ＤＣ−ＤＣ変圧器は、例えば、インダクタンスとキャパシタンスの組み合わせによって、およびその他のコンポーネントによって形成可能である。電圧変圧器は少なくとも一つのインダクタンスおよび一つの、好ましくは二つの、スイッチを含むことができ、二つ目のスイッチはダイオードであってもよい。
【００３０】
本発明によれば、光電子測定装置は、また、フォトダイオードを有する受光器に加えて、増幅ユニット、結合ユニットおよびエネルギー蓄積ユニット、データ信号光源、補償光源、および外部光補償回路を備える。受光器のエネルギー蓄積ユニットは、少なくとも一つの蓄積要素を備え、外部光電流によって充電される。蓄積要素は好ましくはキャパシタである。或いは、キャパシタの代わりに、測定装置は蓄積要素としてインダクタを有することができる。充電によってエネルギー蓄積ユニットに蓄積されたエネルギーが、受光器にエネルギーを供給するため、少なくともそのエネルギー供給の一部のために使用されるように、受光器が回路に接続される。
【００３１】
エネルギー蓄積ユニットは、エネルギーが一時的に蓄積、すなわち、少なくとも短期間、例えば、１秒より長い時間蓄積できる、電圧を増加するための回路を有することが好ましい。外部光または外部光成分から得られたエネルギーがエネルギー蓄積ユニットの少なくとも一つのキャパシタに蓄積されることが好ましい。エネルギー蓄積ユニットは、好ましくは直列および／または並列に接続された複数のキャパシタを備え得ることが好ましく、その複数のキャパシタは直列と並列接続を切替え可能であるか、そのスイッチ間で交互に切り替え可能であることが好ましい。或いは、測定装置のエネルギー蓄積ユニットは、コイルおよび少なくとも一つのスイッチを有する電圧変圧器を備えることができる。
【００３２】
外部光補償回路は、クロック発生器、データ信号電流のクロック同期解析用復調器、データ信号光源用にデータ信号制御電流を発生するための変調器、補償光源用に補償信号制御電流を発生するための変調器、および少なくとも一つの前記変調器用に少なくとも一つの制御信号を発生するためのレギュレータユニットを含む。約２．５ボルトの電圧がエネルギー蓄積ユニットによってまたは光エネルギー集積アキュムレータによって提供されると、この電圧源は、光電子測定装置の受光器、および、例えばＬＥＤによって実装されるデータ信号光源および補償光源に動作電圧を提供することができる。更に、この電圧源は、外部光補償回路の変調器のために使用することもできる。
【００３３】
本発明によれば、（上記の）光電子測定装置は、データ信号光源および補償光源が特定の位相関係にある、すなわち時系列的に計時された光を発するように設計されている。レギュレータユニットを使用して補償信号制御電流を制御するので、異なる位相間で発生するクロック同期交流光データ信号成分（データ信号光源および補償信号光源から生じる交流光データ信号成分）がゼロに設定されるように、補償光源の光強度が振幅および位相において制御可能である。この種の外部光補償回路は、例えば、ドイツ国特許第１０３００２２３号および欧州特許第０７０６６４８号に詳述されている。これらの開示内容は参照として本出願で援用される。
【００３４】
本発明の光電子測定装置は、外部光電流をエネルギー蓄積ユニットの充電に利用可能になるように、データ信号電流が結合ユニットにおいて外部光電流から分離されることを特徴とする。この場合のエネルギー蓄積ユニットは、少なくとも一つのキャパシタを備える。エネルギー蓄積ユニットで充電されたエネルギーは、少なくとも部分的に光電子測定装置にエネルギーを供給するために使用可能である。
【００３５】
本発明は、図面に示す具体的な実施形態を使用して以下により詳細に説明される。その中で示される特別な特徴は、本発明の好適な構成を創出するために、別々にまたは組み合わせて使用することができる。記述される実施形態は本発明の制限を示すものではなく、本発明はその一般概念が特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】受光器の概略回路図である。
【図２】エネルギー蓄積ユニットを有する図１の受光器の一実施形態の詳細な回路図である。
【図３】図２のエネルギー蓄積ユニットの詳細な回路図である。
【図４】受光器の増幅ユニットで提供されるデータ信号の信号波形、充電中の前記エネルギー蓄積ユニットの時間的な電圧波形、およびエネルギー集積アキュムレータの電圧波形である。
【図５】図４の信号波形を拡大して抜き出したものである。
【図６】受光器の他の実施形態の回路図である。
【図７】受光器を備える光電子測定装置の概略回路図である。
【図８】光電子測定装置の他の実施形態の概略回路図である。
【図９】光電子測定装置の始動回路の概略回路図である。
【図１０ａ】図９の始動回路の概略回路図である。
【図１０ｂ】図９の始動回路の概略回路図である。
【図１０ｃ】図９の始動回路の概略回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、光を受光し、その光を光電流に変換するためのフォトダイオード２と、前記光電流のデータ信号電流が前記光電流の外部光電流から分離される結合ユニット３と、更なる処理のために測定解析ユニットに提供されるように、前記データ信号電流が増幅または電圧電流変圧器（Ｖ／Ｉ変圧器、すなわち、トランスインピーダンス増幅器）によって電圧に変換される増幅ユニット４と、エネルギー蓄積ユニット５とを有する光増幅器１の概略図を示す。前記光電流の外部光電流は、エネルギー蓄積ユニット５に蓄積されて、エネルギー蓄積ユニット５が充電される。エネルギー伝送またはデータ送信に使用されず、周辺光または外部光として受光器の環境に現れる光は、エネルギー蓄積ユニット５に供給するために使用され、受光器（増幅器）１に対する少なくとも一部のエネルギー供給を可能にする。既知の光増幅器および測定装置とは対照的に、外部光（周辺光）は、遮蔽される必要が無く、むしろ供給に用いられる。
【００３８】
図２は、図１の受光器１の特定の実施形態を示す。エネルギー蓄積ユニット５は、いわゆるチャージポンプ６の形態で実装され、少なくとも一つのキャパシタを含む。チャージポンプ６として、エネルギー蓄積ユニット５は直列および／または並列に接続された複数のキャパシタおよび複数のスイッチを有する。順方向にバイアスされたフォトダイオード２は、エネルギー蓄積ユニット５を充電するが、エネルギー蓄積ユニットの前記少なくとも一つのキャパシタを通った電圧は、フォトダイオードの出力電圧に相当する電圧となる。
【００３９】
受光器１は、データ信号成分および外部光成分、または周辺光成分を含む光を処理することができる。外部光成分は、受光器１に対して少なくとも部分的にエネルギーを供給するために使用される。交流光データ信号成分および外部光を含む光はフォトダイオード２によって受光され、光電流ＩＰに変換される。光電流ＩＰは、データ信号電流ＩＮおよび外部光電流ＩＦを含む。外部光電流ＩＦは、典型的には低周波または直流電流である。光電流ＩＰはフォトダイオードから結合ユニット３を通って流れ、そこでデータ信号電流ＩＮは外部光電流ＩＦから分離される。外部光電流ＩＦは、エネルギー蓄積ユニット５に流れ、エネルギー蓄積ユニット５を充電する。データ信号電流ＩＮは、結合ユニット３によって伝送され、増幅ユニット４に流入し、そこで増幅される。データ信号電流ＩＮは増幅ユニット４の出力４ａでの更なる処理に利用可能である。
【００４０】
エネルギー蓄積ユニット５は、好ましくは、チャージポンプ６として実装され、複数（少なくとも二つ）のキャパシタ７および複数（少なくとも二つ）のスイッチ８を備える。図３は、エネルギー蓄積ユニット５の一実施形態を示しているが、そこには４つのキャパシタ７が存在している。キャパシタ７は並列接続でき、キャパシタ７を介して約０．５ボルトのフォトダイオード２のフォトダイオード出力電圧が印加される。キャパシタ７を直列接続すると、エネルギー集積アキュムレータ９における電圧をフォトダイオード出力電圧の何倍にも増加できる。４つのキャパシタ７を有する本例では、電圧は４倍になり、その結果、エネルギー集積アキュムレータ９には約２ボルトの電圧が存在する。これは、周期的に繰り返されるプロセスによって達成される。したがって、更なるエネルギー源を加える必要なく、エネルギー蓄積ユニット５を充電し、ちょうど一つのフォトダイオード２を有する受光器１をスタンドアロンモードで動作させることができる。また、二つ以上のフォトダイオード２を使用することもできるが、それらは直列接続されることが好ましい。複数のフォトダイオードを使用する場合、信号対ノイズ比が低下するため、フォトダイオードの数は最大で５つに制限されることが好ましい。
【００４１】
エネルギー蓄積ユニット５内で使用されるスイッチ８は、これらのスイッチが、既に働いている、すなわち、スイッチが、電圧０．４ボルト、好ましくは電圧０．３ボルトで切り替え可能であるように実装されることが好ましい。スイッチ８は電圧０．２ボルトでも切り替え可能であることが特に好ましい。これは、特に、スイッチ８が統合スイッチ８である場合、すなわち、スイッチ８が集積回路または集積回路部品として実装される場合に当てはまる。したがって、統合スイッチ８の閾値電圧は、０．４ボルト未満でなくてはならず、好ましくは０．３ボルト未満、特に好ましくは０．２５ボルト前後である。スイッチ８は、この閾値電圧以上で機能可能である。これは、受光器１を補助電圧無しで外部から起動させられることを意味する。
【００４２】
エネルギー蓄積ユニット５がＣＭＯＳ技術において実現される場合、決定的なパラメータは、ＮＭＯＳおよびＰＭＯＳトランジスタの閾値電圧であり、このためにこの閾値電圧は０．２５ボルト以下であるべきである。この場合、光センサ１は外部補助電圧無しに、例えば、バッテリからまたは商用電源から作動させることができる。外部電源が利用可能な場合、より高い閾値電圧を有する電子スイッチ８および制御要素を使用することもできる。
【００４３】
エネルギー蓄積ユニット５を制御するためにエネルギー蓄積コントローラ１０が設けられている。エネルギー蓄積コントローラ１０は、エネルギー蓄積ユニット５に存在するスイッチ８のクロックされた所定の切替えを行うために、タイミング要素、例えばタイマまたは発振器を含むことができる。エネルギー蓄積コントローラ１０は、エネルギー蓄積ユニット５に統合されることが好ましい。制御プロセスは、中間エネルギー蓄積器のキャパシタを介して電圧をモニタリングすることを含むこともでき、この場合、コンパレータおよび参照電圧源が適用される。両方の方法（タイミング要素に基づく制御および電圧レベルに基づく制御）を組み合わせることもできる。
【００４４】
図２の受光器１の結合ユニット３は、変圧器１１、つまり、アナログおよび／またはデジタル信号の信号伝送のための変圧器である。光電流に含まれる外部光成分のデータ信号成分の出力結合または分離は、変圧器１１によってだけでなく、一般的に、結合ユニット３が含むジャイレータによって行うことができる。
【００４５】
変圧器１１を使用する場合、キャパシタ、または、エネルギー蓄積ユニット５またはチャージポンプ６のキャパシタが、変圧器１１のコイルの一次側１１ａを介して充電される。変圧器１１のコイルの一次側は直流信号に対して低抵抗を有する。したがって、外部光から生じる外部光電流成分は、妨げられることなくエネルギー蓄積ユニット５に流れることができる。しかしながら、典型的には数キロヘルツ前後、好ましくは数メガヘルツ前後の光電流のより高い周波のデータ信号成分に関しては、変圧器１１のコイルは高い抵抗を有する。したがって、変圧器１１の出力（トランスミッタの出力）では、交流信号が発生し、変圧器の二次側１１ｂに存在する増幅ユニット４に供給され、そこで増幅される。
【００４６】
図２の実施形態では、増幅ユニット４は、少なくとも一時的に増幅ユニット４からフォトダイオード２を絶縁するスイッチ１２を備える。エネルギー蓄積ユニット５からエネルギー集積アキュムレータ９への蓄積エネルギーの移動が起きる時、フォトダイオード２と増幅ユニット４とは完全に絶縁されていることが好ましい。
【００４７】
増幅ユニット４のこのような実施形態は、電荷移動が起きている時、増幅ユニット４でのデータ信号電流ＩＮの解析を中断しなくてはならないため、有益である。そうでなければ、データ信号にスイッチングパルスが重畳され、例えば物体の検出のための測定に間違いが生じる。変圧器１１のコイルの二次側１１ｂのスイッチ１２を開放することによって、例えば、トランスインピーダンス増幅器として実装される増幅ユニット４は接続が切断される。
【００４８】
図４および図５における信号電圧の時間波形は、エネルギー取得と測定プロセスとの相互作用を示す。図５は、２．７４ミリ秒から２．８９ミリ秒の時間間隔における図４の詳細を示す。エネルギー蓄積ユニット５のキャパシタ７が充電されている間、図２におけるノード２ａと０ａの間の電圧Ｖ２は直線的に増加する。電圧波形Ｖ２は、図４および図５の下側の図に示されている。キャパシタ７が充電されている間、測定を実行可能である。データ信号電流ＩＮは、変圧器１１を介して結合され、増幅ユニット４の出力４ａに現れる。データ信号電流ＩＮの測定は、エネルギー蓄積ユニット５の放電中およびエネルギー集積アキュムレータ９への電荷の移動中は中断される。ノード２ａと０ａの間のフォトダイオード２の電圧Ｖ２が約０．５ボルトまで上昇するとすぐに、エネルギー集積アキュムレータ９への電荷の移動が生じる。上側の図には、エネルギー集積アキュムレータ９を横断した（ノード９ａと０ａの間）電圧Ｖ９の波形が見られる。キャパシタ７が、結合ユニット３とフォトダイオード２によって形成される直列回路と並列になるようにエネルギー蓄積ユニット５のスイッチ８が再び接続されるとすぐに、エネルギー蓄積ユニット５のキャパシタ７が放電され、充電プロセスが再び開始される。
【００４９】
図６は、受光器１の回路変形例を示し、結合ユニット３がジャイレータ４１を有するジャイレータ回路１４によって実装されている。結合ユニット３は、ジャイレータ１４に加え、出力キャパシタ１５も備え、それによってエネルギー蓄積ユニット５のキャパシタ７（およびフォトダイオード２）が充電中に並列接続される。エネルギー抽出効率をできるだけ高めるため、データ信号電流ＩＮ用の出力キャパシタ１５はエネルギー蓄積ユニット５のキャパシタ７よりも小さくなければならない。しかしながら、これは、キャパシタ値の比にしたがってキャパシタを介して電圧が分割されるため、データ信号電流ＩＮが減少する、すなわち、データ信号が減衰されることを意味する。
【００５０】
したがって、図６に示す回路を配線し、エネルギー蓄積ユニット５のキャパシタ７がフォトダイオード２から減結合された時にのみデータ信号が読み出し可能である。この場合、相互コンダクタンス増幅器４１およびＮＭＯＳトランジスタを含むジャイレータ１４は、フォトダイオードを点安定作動させる機能を担う。ジャイレータ回路１４は、このようにフォトダイオード電圧リミッタとして働き、したがってフォトダイオード電圧リミッタ回路２６として実装される。したがって、確実にダイオードの順電圧が約０．５ボルトに制限されて安定化される。電流を節約するためには、測定と測定の間、すなわち、データ信号のサンプリングは、典型的には実際の測定期間の少なくとも１０倍である。このため、連続動作に対するこの制限は重大ではない。しかし、このために、受光器回路の効率は最大で２０％低下する。
【００５１】
図面に示す受光器１の実施形態は、受光器１への電力の蓄積および最終的にはその供給に特に適している。フォトダイオード２によって受光される周辺光からのエネルギーは、例えば充電式バッテリとして実装されるエネルギー集積アキュムレータ９に蓄積され「フィードバック」され得る。したがって、フォトダイオード２の十分な被照により、受光器１のスタンドアロン動作も可能である。本発明は、一つのフォトダイオードによって、電圧源、例えば、バッテリや充電式バッテリ無しでのスタンドアロン動作が可能であるという利点を有する。当然のことながら、エネルギー蓄積ユニットのためのより高い起動電圧を得るために二つ以上のフォトダイオードを直列接続することができる。しかし、これはコストとともに受光器ユニットの大きさも増加させる。したがって、一つのフォトダイオード２を有する受光器１は、受光器または光センサが一体化された受光器１が商用電源を利用できず、したがって消費電流を特に小さくしなくてはならない場合での使用に特に適している。例えば、このようなセンサは夜間に充電式バッテリまたは「電気二重層キャパシタ」によって支援されることが考えられる。日中に再充電することによって、周辺光レベルが十分に高い場合、エネルギーバッファを再充電することができる。これは、このようなセンサのメンテナンス間隔を大幅に長くすることができる。
【００５２】
有益なのは、エネルギー蓄積に必要なフォトダイオードがデータ信号を受信するための受光器に既に存在しているため、受光器１の製造コストがほとんど増加しないことである。特に、強い周辺光の下でも使用でき、エラーを起こさずに機能可能な光測定装置では、この種の受光器は非常に有利である。正確には、受光器１におけるエネルギー抽出を有意義な方法で使用できるようにするためにはこの特性（強い周辺光）が重要である。
【００５３】
更に、例えば、レンズによってフォトダイオードの有効範囲を拡大することが考えられる。このように、反射器および集光器は、プラスチック材料から製造でき、したがって、例えばフォトダイオードおよびそのシリコン面積を拡大することよりもはるかに安価であるため、前記したような受光器や光センサのコストをあまり増加することなく光電流を最大化することができる。
【００５４】
図７は、光電子測定装置１６に一体化された受光器１の一実施形態を示す。光電子測定装置１６は、一つ（またはそれ以上）のフォトダイオードを有する受光器１に加え、データ信号光源１７、補償光源１８、および外部光補償回路１９を備える。外部光補償回路１９は、クロック発生器２０、データ信号電流Ｉｎのクロック同期解析のための復調器２１、データ信号光源１７のためのデータ信号制御電流ＩＮｓを発生するための変調器２２、補償光源１８のための補償信号制御電流ＩＫｓを発生するための変調器２３、および変調器２２および２３の少なくとも一方のための少なくとも一つの制御信号を発生するためのレギュレータユニット２４を含む。
【００５５】
データ信号光源１７および／または補償光源１８はＬＥＤとして実装されることが好ましい。両光源は、特定の位相関係にある、すなわち時系列的にクロックされた光を放射するように駆動される。データ信号制御電流ＩＮｓと補償信号制御電流ＩＫｓの位相は、１８０°位相ずれしている。この二つの制御電流は、したがって、異なる符号を有する。
【００５６】
図７の実施形態では、補償光源１８によって放射される光強度および／または位相を調整できるように補償信号制御電流ＩＫｓを整流（ｒｅｇｕｌａｔｅ）させるような方法で、変調器２３がレギュレータユニット２４によって駆動される。したがって、フォトダイオード２から結合ユニット３を通って外部光補償回路１９へ流入する、異なる位相間で発生するクロック同期交流光データ信号電流がゼロになるような方法で、補償光源１８が調整される。外部光補償回路の厳密な機能はドイツ国特許第１０３００２２３号に記述されている。
【００５７】
光電子測定装置１６は、エネルギー蓄積コントローラ１０、およびジャイレータ回路１４として実装されるフォトダイオードリミッタ回路２６を備える。フォトダイオードリミッタ回路２６は、ダイオード２の順方向電圧が０．５ボルトで一定に保持されるように十分な電流を引き出すよう調整された負荷によって構成されることが好ましい。ジャイレータ回路１４は、トランスコンダクタンス増幅器４１、フィルタキャパシタ４２、基準電源４３、および電界効果トランジスタ４４を備える。したがって、ジャイレータ回路１４はローパス特性を有する。これにより、確実に、時間的に一定の周辺光から生じる外部光電流ＩＦはエネルギー蓄積ユニット５へ供給されるが、データ信号光源１７および補償光源１８を介して交流データ信号の形で放射された高周波電流成分（データ信号電流ＩＮ）は供給されない。光電流ＩＰのデータ信号電流は、出力キャパシタ１５を介して結合され、増幅ユニット４および外部光補償回路１９へ供給される。
【００５８】
データ信号を結合（情報出力結合）するためには、フォトダイオード２をできるだけ高い内部抵抗で動作させることが必要である。したがって、この場合内部抵抗が非常に低くデータ信号電流を容量結合させることができないため、フォトダイオード２は完全に順方向にバイアスされなくてもよい。したがって、ジャイレータ回路１４は、フォトダイオード電圧リミッタとして機能し、フォトダイオード２の動作点を０．２ボルトから０．６ボルト、好ましくは０．５ボルトまでの順方向電圧に設定する。これによって、内部抵抗は、データ信号電流を結合するのに十分な程高くなる。高い内部抵抗によって、フォトダイオード２のセンサ機能に必要な高感度が得られる。同時に、フォトダイオード２は、必要に応じて、エネルギー供給源として機能する。
【００５９】
光電子測定装置１６において、（低周波の）外部光電流ＩＦは、エネルギー蓄積ユニット５およびエネルギー蓄積ユニット５の少なくとも一つのキャパシタ８へ供給され、そこで一時的に蓄積されるように、ジャイレータ回路１４を介して結合される。エネルギー蓄積ユニット５は、好ましくはチャージポンプ６として実装されるが、好ましくは一つのフォトダイオード２の電圧レベルを高めることができる。例えば、この電圧は、２．５ボルトまで上げることができる。例えば、チャージポンプは、少なくとも二つのキャパシタおよび少なくとも二つのスイッチによって形成可能である。これは、データ信号光源１７および補償光源１８を含む光電子測定装置に動作電圧を提供可能であることを意味する。ＬＥＤとして実装される光源は、ＬＥＤのダイオード順方向電圧は典型的には１．２から１．８ボルトであるため、例えば、約２ボルトの動作電圧を必要とする。例えば、二つのフォトダイオードが直列接続される場合、チャージポンプ６はそれに適応させることができる。或いは、チャージポンプは、アップコンバータと置き換えることができる。アップコンバータは、少なくとも一つのコイルおよび一つのスイッチ、好ましくは二つのスイッチを有し、スイッチのうち一つはダイオードでもよい。電圧コンバータは、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータでもよい。
【００６０】
光電子測定装置１６または光センサを実現するために使用する技術（ＩＣ技術）によっては、外部電圧源または補助電圧源無しでエネルギー蓄積ユニット５およびジャイレータ回路１４（フォトダイオードリミッタ回路２６）を作動させること、およびフォトダイオード２によって提供される約０．５から０．７ボルトの電圧のみで起動することが困難または不可能な場合もある。追加の電圧源（外部電圧源、バッテリや充電式バッテリ等の補助電圧源）を省くことを意図する場合、図８に示す一実施形態を使用することができる。図７の実施形態と比較すると、図８の光電子測定装置１６は、追加の始動回路２５を有し、この始動回路２５は、例えば、チャージポンプ６と同様に、複数のキャパシタから組み立てられたものでもよい。図８の回路装置では、結合ユニット３がジャイレータ回路１４および出力キャパシタ１５から形成されている。エネルギー蓄積ユニット５の入力容量ＣＩＮは、電界効果トランジスタ４４を介して出力キャパシタ１５に接続される。同時に、入力容量ＣＩＮおよび出力キャパシタ１５は、電界効果トランジスタ４４によって絶縁される。この場合、ジャイレータ４１（トランスコンダクタンス増幅器）は、ＰＭＯＳトランジスタ技術によって実装される。この回路装置を使用することによって、データ信号電流ＩＮを測定するのと同時にエネルギー蓄積ユニット５を作動させる、すなわち同時にエネルギーを蓄積する（エネルギー蓄積ユニット５のキャパシタが充電される）こと、および情報転送を実行することが可能である。このため、この回路装置は非常に効率的である。
【００６１】
始動回路２５は、典型的には、非常に低い作動電圧でも機能するような形で実装される。始動回路２５は、フォトダイオード電圧を約０．５ボルト以上の電圧レベルに変圧するために使用することができるので、エネルギー蓄積ユニット５とともにジャイレータ（ジャイレータ回路１４）に十分に高い作動電圧を供給することができる。始動回路２５は、チャージポンプ６またはエネルギー蓄積ユニット５よりもエネルギー効率が低い。
【００６２】
光電子測定装置１６は、この場合、別個の電圧源無しで作動させることができる。したがって、測定装置１６は、スタンドアロン装置として動作し、特に、携帯機器または車両において使用することができる。追加のバッテリやその他の電圧供給の必要が無いので、このような蓄積装置のメンテナンス要件は少なくなる。ここで重要なのは、図８に示されている参照電圧源４３、４５が交換可能であることである。これらの電圧源は、夫々エネルギー蓄積ユニット５またはエネルギー集積アキュムレータ９によって提供される。したがって、これらの電圧源は、図面上では機能を概略的に説明するものとしてみなされるべきであって、この回路装置では実装されるとみなされるものではない。
【００６３】
受光器１および光電子測定装置１６がスタンドアロンモードで働くことができるようにするためには、例えば、ジャイレータ回路１４または同様の電圧変圧器回路に十分高い電圧レベルを供給できる様に、フォトダイオード２によって提供される電圧をそれに応じて増加させなくてはならない。この目的で使用される始動回路２５は、それに応じて設計されなければならない。
【００６４】
図９は、図８の回路装置において使用される始動回路２５の第一の実施形態の概略図を示す。オプションの一時蓄積ユニット２９またはエネルギー集積アキュムレータ９およびエネルギー蓄積ユニット５の二つのキャパシタ７を、典型的には０．５ボルトから０．７ボルトであるフォトダイオード電圧まで充電するためには、充電プロセスの始めに、まずスイッチＳ０およびＳ１が閉じられる。エネルギー蓄積ユニット５のキャパシタ７またはエネルギー集積アキュムレータ９または一時蓄積ユニット２９がほぼ充電されるとすぐに、スイッチＳ０およびＳ１が開放される。そしてスイッチＳ２を閉じることによって、二つのキャパシタ７の電荷をエネルギー集積アキュムレータ９へ移動させる。続いて、スイッチＳ０が開いている間にスイッチＳ１とＳ２を交互に切り替えることによって、エネルギー集積アキュムレータ９の電圧を漸増させる。このプロセスは、例えば、エネルギー集積アキュムレータ９における電圧がフォトダイオード２のフォトダイオード電圧の少なくとも２倍に等しくなるまで続けることができる。スイッチＳ０、Ｓ１、および／またはＳ２は、ＣＭＯＳ技術によって実現可能である。
【００６５】
図１０ａは、図９の始動回路２５を制御するスイッチＳ０、Ｓ１、およびＳ２の回路装置３０の一実施形態を示す。回路装置３０は、入力３０ａ、出力３０ｂ、およびスイッチ入力３０ｃを有し、対応する切り替え信号が印加される。この回路によって、ＣＭＯＳアナログスイッチとして実装されるスイッチＳ０、Ｓ１、Ｓ２の始動抵抗が減少する。この装置によって、スイッチとしてのＣＭＯＳトランジスタは典型的には閾値電圧よりも高い切り替え電圧での確実な切り替え機能しか保証しないという問題が解決される。低いフォトダイオード電圧の場合、スイッチの始動抵抗が減少可能である時しか確実な切り替えが保証されない。
【００６６】
一般に、ＣＭＯＳアナログスイッチの切り替えプロセスは、ＰＭＯＳおよびＮＭＯＳトランジスタのゲート電圧を介して行われる。基板端子ＢＮ、ＢＰの電位は、ソース端子Ｓと同じまたはより負にあるので、基板ダイオードは逆方向へバイアスされる。図１０ｃは、ＰＭＯＳトランジスタの基板電圧ＶＢＰおよびＮＭＯＳトランジスタの基板電圧ＶＢＮの回転方向を示す。基板ダイオードは、したがって、時間的に一定の逆方向バイアス電圧によって作動し、その結果、０ボルトの最大電圧を有する。
【００６７】
基板電圧ＶＢＮ、ＶＢＰが基板ダイオードの順方向電圧よりも約０．２ボルト小さい正の値に調整または設定されるように回路装置が調整される場合、トランジスタの閾値電圧は減少する。始動抵抗は、所与のゲート電圧で最小化される。トランジスタがオフ状態の時にできるだけ高インピーダンスであるように、基板電圧を０ボルト以下の値に設定または調整することが望ましい。これによって、トランジスタの閾値電圧が増加し、トランジスタが確実にオフにされる。基板電圧ＢＶＮまたはＶＢＰをオフ状態の最大負電圧からオン状態の基板ダイオードの順方向電圧未満の正電圧へ切替えることによって、トランジスタの確実且つ正確なオン・オフ切り替えが保証される。
【００６８】
図１０ａから、スイッチオン信号（切り替え入力３０ｃに印加される）に同期して、ＰＭＯＳトランジスタの基板電圧ＶＢＰおよびＮＭＯＳトランジスタの基板電圧ＶＢＮをいずれも正の値、例えば、約０．４ボルトに設定するユニットによって、トランジスタの基板端子が制御されるのが分かる。オフ状態では、電圧は０ボルト、好ましくは最大の負の値、すなわち、０ボルト未満に設定される。
【００６９】
図１０ｂに示す回路装置３１は、始動回路２５を制御するのに必要な基板電圧コントローラを実装するために使用することができる。ショットキーダイオードを使用することによって、「最も正の」および「最も負の」電圧がアナログスイッチの二つの端子で抽出される。二つの電界効果トランジスタＰ１およびＮ１を介して対応する切り替えが行われる。
【００７０】
これによって発生する出力電圧ＶＢＰは、ＰＭＯＳトランジスタの基板電圧である。電圧ＶＢＮはＮＭＯＳトランジスタの基板電圧である。
【００７１】
二つのトランジスタＮ１およびＰ１の代わりに制御された電流源を使用することも有益であり得る。当業者には、類似の実施形態および回路装置も同じ目的に繋がることは明白である。０．７ボルト未満、好ましくは０．５ボルト以下の低電圧でも確実に機能する信頼性のあるスイッチを製造することのみが必須の特徴である。したがって、エネルギー蓄積は、フォトダイオード２の所与のフォトダイオード電圧によって充電され得る。受光器のエネルギー蓄積ユニット５の制御はこのエネルギー蓄積を使用することによって確実に機能する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【国際調査報告】
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