(57)【要約】【課題】パルス光の量を検出することが可能な積分型センサの提供。【解決手段】一実施形態として、フォトセンサ、積分コンデンサ、及び転送増幅器を備えた、光の量を積分する装置を提供する。転送増幅器は、i)積分コンデンサによって決まる電圧を受信するように接続された入力と、ii)出力とを有する。この装置は、積分コンデンサをプリチャージ電圧に引き上げるための第１のスイッチと、積分コンデンサをフォトセンサに結合し、フォトセンサに入射した光の量に比例して積分コンデンサを放電させるための第２のスイッチとを有する。他の実施形態も開示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の量を積分する装置であって、
フォトセンサと、
積分コンデンサと、
i)前記積分コンデンサによって判定される電圧を受け取るように接続された入力と、ii)出力とを有する転送増幅器と、
前記積分コンデンサをプリチャージ電圧に引き上げるための第１のスイッチと、
前記積分コンデンサを前記フォトセンサに接続し、前記積分コンデンサを前記フォトセンサに入射する光の量に比例して放電させるための第２のスイッチと
を含む装置。
【請求項２】
単一の積分回路を更に含み、その積分回路の中に、前記フォトセンサ、前記積分コンデンサ、前記転送増幅器、前記第１のスイッチ、及び前記第２のスイッチが形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記フォトセンサはフォトダイオードである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記フォトセンサはプログラミング可能なサイズを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記積分コンデンサはプログラミング可能な値を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記転送増幅器の出力を受信し、該出力をデジタル値に変換するように接続されたアナログデジタル変換器を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
i)前記フォトセンサに入射する光を生成する光源を制御する１以上のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を生成し、ii)前記第１のスイッチ、及び前記第２のスイッチの開閉を前記ＰＷＭ駆動信号のＰＷＭ周期の整数倍に同期させるコントローラを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ＰＷＭ周期の整数倍を調節することにより、光−電圧利得が制御される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記転送増幅器の入力を前記積分コンデンサに結合、及び分離するための第３のスイッチを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記転送増幅器をイネーブル、及びディセーブルするための第３のスイッチを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記転送増幅器の入力を前記積分コンデンサに結合、及び分離するための第３のスイッチと、
前記転送増幅器をイネーブル、及びディセーブルするための第４のスイッチと
を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
i)前記フォトセンサに入射する光を生成する光源を制御するための１以上のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を生成し、ii)前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチ、及び前記第４のスイッチの開閉を前記ＰＷＭ駆動信号のＰＷＭ周期のｍ整数倍に同期させるためのコントローラを更に含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
光源を更に含み、該光源は、１以上の前記ＰＷＭ駆動信号によって制御される複数のＬＥＤを有する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
ディスプレイのバックライトを提供するように複数のＬＥＤが配置され、前記フォトセンサは、前記バックライトの強度を検出する位置に配置される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記フォトセンサによって検出される光の波長範囲を制限するフィルタを更に含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
光の量を積分する方法であって、
プリチャージ期間中に、積分コンデンサをプリチャージ電圧に引き上げるステップと、
前記プリチャージ期間の後に続く積分期間中に、フォトセンサに入射する光の量に応答して、前記積分コンデンサ上の電荷を放電するステップと、
前記積分期間の終了時に、前記放電の後に前記積分コンデンサに残っている電荷によって決まる電圧を読み取るステップと
を含む方法。
【請求項１７】
前記積分コンデンサ上に残っている電荷によって決まる電圧を読み取るステップの後、前記引き上げるステップ、前記放電するステップ、及び前記読み取るステップのサイクルを更に繰り返すことを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記フォトセンサに入射する光を生成する光源を制御するための１以上のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号であって、ＰＷＭ周期を有するパルス幅変調駆動信号を生成するステップと、
前記積分周期を前記ＰＷＭ周期の整数倍に同期させるステップと
を更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
読み取った前記電圧をデジタル値に変換するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記積分コンデンサの値をプログラミングするステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記フォトセンサのサイズをプログラミングするステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
光の量を積分する装置であって、
光検出手段と、
積分期間中に前記光検出手段に入射する光の量を積分するための積分手段と、
積分された光の量に対応する値を出力するための出力手段と
を含む装置。
【請求項２３】
半導体手段を更に含み、前記光検出手段、前記積分手段、及び前記出力手段は前記半導体手段の中に形成される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記積分手段は、i)前記積分を実施するための容量性手段と、ii)前記積分期間よりも前に前記容量性手段をプリチャージするためのプリチャージ手段とを含む、請求項２２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光の量を積分する方法、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
何年もの間、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）をバックライトとして使用していた。しかしながら、周波数が増加するにつれて、ＣＣＦＬバックライトは発光ダイオード（ＬＥＤ）バックライトによって置き換えられてきている。
【０００３】
一般に、ＬＣＤのバックライトとして使用されるＬＥＤは、１以上のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号によって駆動される。そして、バックライトの明るさの調節は、バックライトの生成光を検出し、それに応じてＰＷＭ駆動信号のデューティーサイクルを調節することによって行われる。
【０００４】
多くの場合、バックライトの生成光は、フォトダイオード６０２を含む回路６００（図６）によって判定される。フォトダイオード６０２の出力は、トランスインピーダンス増幅器６０４に結合され、トランスインピーダンス増幅器６０４の出力は、ローパスフィルタ（ＲＣ）に結合される。しかしながら、この構成は、パルス光源の生成光の検出にはあまり適さない。特に、例えばトランスインピーダンス増幅器６０４のフィードバック抵抗（Ｒｆ）が大きく、フォトダイオード６０２へ入射する光のパルス強度が低い場合、トランスインピーダンス増幅器６０２に対する入力は、振動する可能性がある。また、ローパスフィルタの時定数によっては、応答時間が長くなる可能性がある。また、ローパスフィルタの抵抗（Ｒ）やキャパシタンス（Ｃ）は事実上、シリコンで実現することが出来ないため、回路６００は高価になる可能性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態として、光の量を積分する装置は、フォトセンサ、積分コンデンサ、及び転送増幅器を含む。転送増幅器は、(i)積分コンデンサによって判定された電圧を受け取るように結合された入力と、(ii)出力とを含む。また、この装置は、積分コンデンサをプリチャージ電圧に引き上げる第１のスイッチと、積分コンデンサをフォトセンサに結合し、フォトセンサに入射する光の量に比例して積分コンデンサを放電させる第２のスイッチとを更に含む。
【０００６】
他の実施形態として、光の量を積分する方法は、１）プリチャージ期間中に、積分コンデンサをプリチャージ電圧まで引き上げるステップと、２）前記プリチャージ期間の後に続く積分期間中に、フォトセンサへの入射光の量に応じて積分コンデンサ上の電荷を放電させるステップと、３）前記積分期間の終了時に、前記放電の後に前記積分コンデンサに残っている電荷によって決まる電圧を読み取るステップとを含む。
【０００７】
他の実施形態も開示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、フォトセンサ１０２に入射する光の量を積分する例示的装置１００を示している。装置１００は、パルス光を積分し、その平均に対応する信号ＶＯＵＴを生成するのに特に適している。
【０００９】
図１に示すように、装置１００は、フォトセンサ１０２を含む。図面では、フォトセンサ１０２は、例えばフォトダイオードとして描かれている。ただし、フォトセンサ１０２は、フォトトランジスタ、又は他の光検出手段の形をとってもよい。場合によっては、フォトセンサ１０２の上にフィルタ（例えば、コーティング、又はプラスチック要素）を使用、又は配置し、フォトセンサによって検出される光の波長範囲を制限してもよく、特に、白色光のような混合光から異なる色の波長を検出するための個別のフォトセンサ１０２（及び、装置１００のセット）を設ける場合に、そうする場合がある。
【００１０】
装置１００は、積分手段１０４、及び出力手段を更に含む。積分手段は、装置１００の積分期間中にフォトセンサ１０２に入射する光の量を積分するために、積分コンデンサ（Ｃｉｎｔ）、又は他の容量性手段（電荷蓄積手段）を更に含む。積分手段１０４は、積分コンデンサをプリチャージ電圧（Ｖｐｒｅｃｈａｒｇｅ）にプリチャージするためのスイッチ（ＳＷ１；１０８）のような手段を更に含む場合がある。また、積分手段１０４は、積分コンデンサをフォトセンサ１０２に結合するためのスイッチ（ＳＷ２；１１０）を更に含む場合がある。スイッチＳＷ２が閉じられると、積分コンデンサは、フォトセンサ１０２に入射する光の量に比例して放電される。
【００１１】
出力手段は、（１）積分コンデンサ（Ｃｉｎｔ）によって判定された電圧（Ｖｃｉｎｔ）を受け取るように結合された入力（Ｖｉｎ）と、（２）出力（Ｖｏｕｔ）とを有する転送増幅器１０６を含む場合がある。一実施形態として、出力手段は、転送増幅器１０６の出力を受け取り、それをデジタル値（Ｄｏｕｔ）に変換するように接続されたアナログデジタル変換器（ＡＤＣ１１４）を更に含む場合がある。
【００１２】
一実施形態として（図示せず）、積分コンデンサ（Ｃｉｎｔ）は、転送増幅器１０６の入力（Ｖｉｎ）に直接接続される。ただし、好ましい実施形態として、積分コンデンサは、第３のスイッチ（ＳＷ３；１１２）によって転送増幅器１０６に接続、及び切断される。転送増幅器１０６をイネーブル、及びディセーブルするために、第４のスイッチ（ＳＷ４）を設ける場合がある。このようにすると、転送増幅器１０６を通じた積分コンデンサの不慮の放電を低減することが出来る。また、転送増幅器１０６の電力消費も低減される。
【００１３】
装置１００は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、及びＳＷ４の動作を同期させるためのコントローラ１１６を更に含む場合がある。また、コントローラ１１６は、フォトセンサ１０２に入射する光を生成する光源１１８を制御するための駆動信号を更に生成する場合がある。一実施形態として、光源１１８に供給される駆動信号はＰＷＭ駆動信号である。
【００１４】
装置１００の動作中、及びプリチャージ期間（Ｔｐｒｅ）中、コントローラ１１６は、スイッチＳＷ１を閉じ、積分コンデンサ（Ｃｉｎｔ）をプリチャージ電圧Ｖｐｒｅｃｈａｒｇｅにプリチャージする。図３を参照して欲しい。プリチャージ期間中にスイッチＳＷ１が閉じられた場合、フォトセンサ１０２に関連する寄生容量は全てプリチャージ電圧Ｖｐｒｅｃｈａｒｇｅにプリチャージされることになる。
【００１５】
プリチャージ期間の後、コントローラ１１６は、装置１００を積分期間（Ｔｉｎｔ）に移行させる。積分期間中、コントローラ１１６は、スイッチＳＷ１を開き、スイッチＳＷ２を閉じる（又は、閉じた状態に保つ）。積分期間中、フォトセンサ１０２に入射する光は、電流ＩＰＤを生成し、次いで、その電流は積分コンデンサ（Ｃｉｎｔ）を放電させ、電圧Ｖｃｉｎｔを低下させる。積分期間の終了時に、電圧Ｖｃｉｎｔは、積分期間中にフォトセンサ１０２に入射した光の量に比例した電圧になる。ただし、積分期間はあまり長くないため、フォトセンサ１０２に入射する光はあまり明るくなく、積分期間の終了時までに積分コンデンサを完全に放電させることは出来ない場合がある。
【００１６】
コントローラ１１６は、スイッチＳＷ１、及びＳＷ２を閉じる周期、及び／又はデューティサイクルを変化させることによって、積分期間（Ｔｉｎｔ）の長さを変化させることができる。光源１１８が、パルス幅変調光を生成する場合、スイッチＳＷ１、及びＳＷ２を閉じている時間は、光のＰＷＭ周期の整数倍であることが好ましい。この目的のために、図３、及び図４は、光、並びにスイッチＳＷ１、及びＳＷ２を制御する信号のタイミングの例を示している。図３において、スイッチＳＷ１、及びＳＷ２を閉じる周期は、ＰＷＭ周期一個分に相当する。図４において、スイッチＳＷ１、及びＳＷ２を閉じる周期は、ＰＷＭ周期の複数倍に相当する。
【００１７】
装置１００の実施形態によっては、積分コンデンサ（Ｃｉｎｔ）は、１以上のデジタル「選択」信号によって設定可能なデジタル制御値のようなプログラミング可能な値を有する場合がある。図１を参照して欲しい。同様に、フォトセンサ１０２も、プログラミング可能なサイズを有する場合がある。
【００１８】
装置１００の構造上の利点は、装置の要素を単一の集積回路上に、又は他の半導体手段上に形成できる点にある。その理由の一つは、ローパスフィルタをなくしたことと、図６に示す回路のフィードバック抵抗が大きいことにある。
【００１９】
装置１００の機能上の利点は、パルス光源の積分に比較的（図６に示す回路に比べて）適している点にある。つまり、フォトセンサ１０２に対する入射光がＰＷＭ光である場合、そして、積分期間（Ｔｉｎｔ）が、ＰＷＭ周期の整数倍（すなわち１以上の周期）である場合、出力Ｖｏｕｔ、及びＤｏｕｔは、ＰＷＭデューティサイクルに比例する。出力Ｖｏｕｔ、及びＤｏｕｔは、次の式によって定義されるＶｉｎにも比例する。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
したがって、装置１００の光−電圧利得は、次の３つの手段によって調節することができる。すなわち、（１）Ｃｉｎｔの値をプログラミングするか、（２）フォトセンサ１０２のサイズをプログラミングすることにより電流Ｉｐｄの値に影響を与えるか、（３）Ｔｉｎｔの長さを調節する（例えば、光が少ない場合、Ｔｉｎｔの長さを増加させる、あるいはその逆）かである。
【００２２】
図２は、図１に示したような回路を動作させる方法２００を示している。方法２００は、プリチャージ期間中に、積分コンデンサをプリチャージ電圧に引き上げるステップを含む（ブロック２０２参照）。積分期間中、及びそれに続くプリチャージ期間中、積分コンデンサ上の電荷は、フォトセンサに入射する光の量に応じて放電される（ブロック２０４参照）。積分期間の終了時に、積分コンデンサ上に残っている電荷によって決まる電圧が、読み取られる（ブロック２０６参照）。この段落で述べた動作は、その後、複数サイクルにわたって繰り返される場合がある。
【００２３】
一実施形態において、積分コンデンサは、スイッチＳＷ１を閉じることによってプリチャージ電圧に引き上げられる（図１参照、及び図３のＴｐｒｅ期間参照）。積分コンデンサは、スイッチＳＷ１が開いている期間中にスイッチＳＷ２を閉じることによって放電される（図１参照、及び図３のＴｉｎｔ期間参照）。積分コンデンサ上に残っている電荷によって決まる電圧Ｖｃｉｎｔは、スイッチＳＷ３、及びＳＷ４を一時的に閉じることによって読み出される（図１参照、及び図３のＴＡＤＣ参照）。
【００２４】
図２に戻ると、方法２００は、フォトセンサに入射する光を生成する光源を制御するための１以上のＰＷＭ駆動信号を生成するステップを更に含む（ブロック２０８参照）。そして、方法２００の積分期間は、そのＰＷＭ駆動信号の周期の整数倍に同期される場合がある。
【００２５】
図３は、装置１００、及び方法２００によって生成される、又は受信される種々の信号の波形を示している。これらの信号は、例えばＬＥＤ光源によって生成されるパルス光信号を含む。図示のように、これらの光信号は、「オンタイム」と「オフタイム」とを有する。
【００２６】
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、及びＳＷ４というラベルの付いた波形は、同じ名前のスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、及びＳＷ４を制御する。これらの信号はいずれも、アクティブ・ハイである。すなわち、これらの信号が「ハイ」状態であるときに、対応するスイッチが閉じられる。
【００２７】
プリチャージ期間（Ｔｐｒｅ）中は、波形ＳＷ１によってスイッチＳＷ１が閉じられ、その他のスイッチは開かれる。スイッチＳＷ１が閉じているときに、スイッチＳＷ２もまた閉じられると、ＶｃｉｎｔはＶｐｒｅｃｈａｒｇｅに引き上げられる。Ｖｃｉｎｔの波形は図３に描かれている。
【００２８】
スイッチＳＷ１が開かれた後、スイッチＳＷ２は閉じたままである場合があり、それによって、装置１００の積分期間（Ｔｉｎｔ）が開始される。図３において、積分期間は、受信光信号のＰＷＭ周期一個分に等しい時間である。図４において、積分期間は、受信光信号のＰＷＭ周期の複数個分に等しい時間である。
【００２９】
装置１００の積分期間中、光源１１８からの光がフォトセンサ１０２に入射するたびに、積分コンデンサＣｉｎｔは、ある程度放電される。現実世界の動作条件では、受信光信号の「オフタイム」の間にも、積分コンデンサは放電される場合がある（周囲光その他の影響によって）。ただし、その放電量は比較的少ない。
【００３０】
図３において、波形ＳＷ１の立下りエッジは、受信光の「オンタイム」の立ち上がりエッジに同期しているように描かれているが（「同期１」を参照）、実際には、スイッチＳＷ１は、受信光の「オンタイム」の立ち上がりエッジの直前に開かれることが望ましい。このようにすると、受信光に応じた積分コンデンサの放電がプリチャージ電圧によって妨げられることを防止することが出来る。
【００３１】
図３に示すように、装置１００に許される「最大ＬＥＤオンタイム」、すなわち、ＬＥＤデューティサイクルは、積分期間Ｔｉｎｔの長さよりも幾らか短い。その理由は、プリチャージ期間（Ｔｐｒｅ）、及び転送期間（ＴＡＤＣ）を受信光信号の「オフタイム」の中に収めなければならないからである。
【００３２】
積分期間（Ｔｉｎｔ）の後、転送期間（ＴＡＤＣ）が始まる。転送期間中は、積分コンデンサのそれ以上の放電を避けるためにスイッチＳＷ２は開かれ、転送増幅器１０６が電圧Ｖｃｉｎｔを読み出せるようにＳＷ３、及びＳＷ４は閉じられる。転送期間中、又は転送期間の後、ＡＤＣ１１４はイネーブルされ、それにより、電圧Ｖｏｕｔはデジタル値Ｄｏｕｔに変換され、「有効データ」が生成される。
【００３３】
図３では、波形ＳＷ２の立下りエッジは、波形ＳＷ３／ＳＷ４の立ち上がりエッジに同期しているように描かれているが（「同期２」参照）、実際には、波形ＳＷ２は、波形ＳＷ３／ＳＷ４の立ち上がりエッジの直前で立ち下がることが望ましい。このようにすると、転送増幅器１０６が電圧Ｖｃｉｎｔを読み出すときに、電圧Ｖｃｉｎｔは安定状態になる。
【００３４】
転送期間（ＴＡＤＣ）の後、装置１００は、再度プリチャージ期間（Ｔｐｒｅ）に入る。
【００３５】
装置１００のプリチャージ期間と転送期間に割り当てる時間は、変更してもよい。ただし、場合によっては、それらの期間を結合した長さは、ＰＷＭ周期の長さの５％のような非常に短い時間に保たれる場合がある。
【００３６】
本明細書に開示する方法、及び装置には、テレビ、モニタ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、デジタルスチルカメラ、及びデジタルビデオカメラのＬＣＤバックライトの光の検出や制御のような種々の用途がある。開示する方法、及び装置は、周囲光やムード照明のような他の光源の制御にも有用である。
【００３７】
図５は、装置１００（図１）の一使用例を示している。図５に示すように、システム５００は、ＬＣＤ５０２の背後に配置されたバックライト５０８を含む。例えば、バックライト５０８は、導光路５１４に光を供給する赤色、緑色、及び青色（ＲＧＢ）のＬＥＤを備える場合がある。装置１００は、積分型カラーセンサ５１０と光フィードバックコントローラ５１２とに分割される場合がある。積分型カラーセンサ５１０は、バックライト５０８によって発せられた光を検出する位置に配置され、光フィードバックコントローラ５１２に対してフィードバックを提供する。光フィードバックコントローラ５１２は、積分型カラーセンサ５１０によって検出された光の強度に応じて、ＲＧＢＬＥＤ５０６に関連するＬＥＤ駆動回路５０４を制御するためのＰＷＭ駆動信号を生成する。積分型カラーセンサ５１０と光フィードバックコントローラ５１２の間の交信によって、カラーセンサ５１０の光積分期間に対するＰＷＭ駆動信号の適切な同期が確保される。カラーセンサ５１０と光フィードバックコントローラ５１２は、モノリシックＩとして一体化することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】光の量を積分する例示的装置を示す図である。
【図２】光の量を積分する例示的方法を示す図である。
【図３】図１に示した積分回路が、図２に示した方法の第１の実施形態に従って動作するときに、積分回路によって受信、又は生成される種々の信号の波形を示す図である。
【図４】図１に示した積分回路が、図２に示した方法の第２の実施形態に従って動作するときに、積分回路によって受信、又は生成される種々の信号の波形を示す図である。
【図５】図１に示した装置の使用例を示す図である。
【図６】受信光の強度を測定する例示的回路を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０２  フォトセンサ
１０４  積分手段
１０６  転送増幅器
１１４  アナログデジタルコンバータ
１１６  コントローラ
１１８  光源
Ｃｉｎｔ  積分コンデンサ
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４  スイッチ
【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６】
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【図５】
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