(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光量に応じて受光電流を生じる受光部と、該受光電流に応じて電圧信号を出力するする受光増幅部を備えた光検出装置であって、
前記受光部の前面に独立に制御可能な複数のシャッタと、
前記出力された電圧信号レベルが飽和電圧レベルと基準電圧レベルとの間に収まるように前記シャッタの開閉を制御し、前記出力された電圧信号レベルと外部に閉じている前記シャッタの個数とに基づいて実際に入射された光量を換算する制御部とを備えたことを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記受光部は、入射光量を電流信号に変換するフォトダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記フォトダイオードと前記受光増幅部と前記制御部がモノリシック基板上に形成されたことを特徴とする請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記シャッタが、光検出装置と一体成型であることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項５】
少なくとも電源端子、グランド端子、電流出力端子を備えたことを特徴とする請求項４に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記シャッタが、液晶シャッタであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の光検出装置を備えたことを特徴とする光量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトダイオード等からなる受光部に入射された光量に応じて電圧信号を出力する光検出装置及びそれを備えた光量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からフォトダイオード等の光検出装置の入射光量範囲を拡大した装置の一例として、図７のような装置が存在する。
図７に示す光検出装置は、実際に光量を検出するフォトダイオード１ｃと、フォトダイオード１ｃから発生する電流を電圧に変換する受光増幅器（受光増幅部）２ｃと、受光増幅器２ｃの出力電圧の飽和を防止するために、前記出力電圧を監視し、ゲイン抵抗３ｃを切り替える制御部４ｃとにより構成されている。フォトダイオード１ｃに発生する電流は、フォトダイオード１ｃの入射光量の増加に応じて電流が増加し、これに伴い、受光増幅器２ｃの出力電圧ＶＯＵＴも上昇する。
【０００３】
さらに、入射光量を増加させると、このままの状態ではある一定レベルで出力電圧ＶＯＵＴが飽和してしまうので、ある一定レベルの入射光量以上になった状態で、受光増幅器２ｃのゲイン抵抗３ｃの値を小さくすることにより、負帰還を増大し、飽和を防止している。このときの出力電圧ＶＯＵＴは本来の電圧値よりも小さくなるが、制御部４ｃより出力されるゲイン抵抗の切り替え情報により、換算可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示す従来例では、ゲイン抵抗３ｃの抵抗値を切り替えることにより、入射光量の増減に対応している。このため、受光増幅器２ｃの周波数特性がゲイン抵抗３ｃの抵抗値により変動するので、光ファイバー通信やＤＶＤのピックアップ等の高速な光信号を扱う装置に利用した場合には、光量が小さい場合には、バンド幅が狭くなる。
また、受光増幅器２ｃの出力電圧を検知し、ゲインを切り替える制御部４ｃが必要であり、多段階のゲイン切り替えを行う場合には、制御部４ｃの回路構成が複雑になり、さらにゲイン抵抗３ｃのばらつき等により、検出精度が低下する。
【０００５】
従って、本発明の目的は、上記の課題を鑑み、受光用増幅器の周波数特性を安定化させ、且つ光量の検出精度を保持することができる光検出装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、入射された光量に応じて受光電流を生じる受光部と、該受光電流に応じて電圧信号を出力するする受光増幅部を備えた光検出装置であって、前記受光部の前面に独立に制御可能な複数のシャッタと、前記出力された電圧信号レベルが飽和電圧レベルと基準電圧レベルとの間に収まるように前記シャッタの開閉を制御し、前記出力された電圧信号レベルと外部に閉じている前記シャッタの個数とに基づいて実際に入射された光量を換算する制御部とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明に記載の光検出装置であって、前記受光部は、入射光量を電流信号に変換するフォトダイオードであることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明に記載の光検出装置であって、前記フォトダイオードと前記受光増幅部と前記制御部がモノリシック基板上に形成されたことを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第１の発明に記載の光検出装置であって、前記シャッタが、光検出装置と一体成型であることを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第４の発明に記載の光検出装置であって、少なくとも電源端子、グランド端子、電流出力端子を備えたことを特徴とする。
【００１１】
第６の発明は、第１〜５の発明のいずれかに記載の光検出装置であって、前記シャッタが、液晶シャッタであることを特徴とする。
【００１２】
第７の発明は、第１〜６の発明のいずれかに記載の光検出装置を備えたことを特徴とする光量測定装置である。
【００１３】
本発明においては、電圧信号レベルが飽和電圧レベルと基準電圧レベルとの間に収まるように前記シャッタの開閉を制御する。従って、受光部への入射光量が大きく、後段の受光増幅部の出力が飽和しそうになると、制御部は幾つかのシャッタを閉じて、入射光量を減らす。また受光部への入射光量が減少し、電圧信号レベルが所定範囲より下がった場合には、制御部はシャッタの中の閉じたスイッチの幾つかを開けて、入射光量を増やす。このように、受光増幅部のゲイン抵抗の値はそのままで良いため、受光用増幅部の周波数特性を安定させ、且つ光量の検出精度を低下させない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係わる光検出装置のブロック図を示している。
図１は、光受光部であるフォトダイオード１ａと、フォトダイオード１ａの入射光量を制御する電子的シャッタ５ａと、ゲイン抵抗３ａを備えフォトダイオード１ａの受光電流Ｉｒを電圧変換する受光増幅器（受光増幅部）２ａと、受光増幅器２ａの出力電圧ＶＯＵＴに応じて電子的シャッタ５ａのスイッチングを行う制御部４ａから構成される。
【００１５】
フォトダイオード１ａのアノードＡ端子は接地されており、カソードＣ端子は受光増幅器２ａの反転側入力−とゲイン抵抗３ａに接続されている。
受光増幅器２ａの非反転側端子（＋）は基準電圧源ＶＳに接続され、受光増幅器２ａの出力ＶＯＵＴはゲイン抵抗３ａと制御部４ａの出力検出端子ＶＭＩＮと接続されており、ゲイン抵抗３ａを介して、反転側入力端子（−）に負帰還をかけている。
制御部４ａは出力端子ＶＯＵＴと接続されている他に、電子的シャッタ５ａのスイッチング制御端子ＳＣＴＬと、前記スイッチング制御の情報を外部に出力する端子ＳＯＵＴとを備えている。
【００１６】
入射光Ｐｒ１は電子的シャッタ５ａを通過することにより、受光増幅器２ａの出力電圧ＶＯＵＴが飽和しない光量まで減衰され、入射光Ｐｒ２として、フォトダイオード１ａに入力される。フォトダイオード１ａは入射光量に比例して、受光電流Ｉｒが発生する。受光電流Ｉｒはフォトダイオード１のカソードＣからアノードＡの方向に流れる。
【００１７】
受光電流Ｉｒは受光増幅器２ａにより電流電圧変換された後に、出力端子ＶＯＵＴから電圧信号として取り出される。受光増幅器２ａの入出力の関係は、受光増幅器２ａの非反転側入力（＋）の基準入力電圧をＶｓとし、ゲイン抵抗３ａの値をＲｆとすると、以下の式で表される。
ＶＯＵＴ＝Ｖｓ＋Ｉｒ×Ｒｆ    ・・・・・・（式１）
【００１８】
出力ＶＯＵＴの値は、制御部４ａにより検知され、出力電圧ＶＯＵＴが飽和電圧レベルＶｓａｔ以上になった場合には、制御部４ａは電子シャッタ５ａのスイッチングを行い、幾つかのスイッチを閉じる。これにより、フォトダイオード１ａへの入射光量が減少し、出力ＶＯＵＴの出力電圧レベルは下がり、線型領域に戻る。これと同時に、制御部４ａは外部に閉じているシャッタの個数情報を出力することにより、入射光量Ｐｒ１が換算できる。換算式は、電子的シャッタ５ａの全スイッチ個数をＳ、閉じたスイッチ個数をａ、実際のフォトダイオード１の入射光をＰｒ２とすると、
Ｐｒ１＝Ｐｒ２×（Ｓ／（Ｓ−ａ））・・・・・・（式２）
となる。
【００１９】
逆に、フォトダイオード１ａへの入射光量Ｐｒ２が減少し、出力ＶＯＵＴの出力電圧レベルが基準電圧Ｖｓ付近まで下がった場合には、制御部４ａは電子的シャッタ５ａの中の閉じたスイッチの幾つかを開けるようにスイッチングを行う。
【００２０】
図２は本発明に係わる光検出装置の具体例を示す斜視図であり、図３はこの光検出装置の断面図である。
図２と図３に示すように、シリコンのモノリシック基板６ａ上に形成されたフォトダイオード１ａはパッケージ１１ａの底面に付着され、受光増幅器２ａに接続されたカソード端子１３とグランドに接地されているアノード端子１４にそれぞれワイヤ１５ａ，１５ｂにより接続されている。パッケージ１１ａの上面には光を透過する物質で構成される受光窓１２が埋め込まれている。
【００２１】
電子的シャッタ５ａは受光窓１２の上面に設置され、フォトダイオード１ａに到達する入射光の制御を行っている。入射光Ｐ２に対応するスイッチ５ａ−Ｓ１が閉じた状態にあり、この場合の入射光はフォトダイオード１に到達できない。入射光Ｐ１に対応するスイッチ５ａ−Ｓ２は開いた状態にあり、この場合の入射光Ｐ１は光量を実質的に減衰することなしに、フォトダイオード１ａに到達できる。
【００２２】
さらに、図２にしめすように、フォトダイオード１ａがモールドされたパッケージの外部に、図１の項で説明した受光増幅器２ａと制御部４ａが設置されている。
加えて、電子的シャッタ５ａは、スイッチの数に応じた透明電極をつけた２枚のガラス基板の内部に、ＴＮ（Twist Nematic）液晶を９０度ねじれた状態で挟み込むことにより、実現できる。つまり、前記２枚のガラス基板の間に電圧をかけない状態では光は透過するが、電圧をかけた状態では、光は遮断される。
【００２３】
図４は、本発明の光検出装置の他の具体例を示す斜視図であり、図５はこの光検出装置の断面図であり、図６は光検出装置内部のモノリシック基板の構成を示した図ある。
光検出装置の構成は図１の説明で述べたのと同様であるが、図４、図５、及び図６で示されるように、電子的シャッタ５ｂがパッケージ１１ｂに埋め込まれ一体成型された構造になっており、１枚のモノリシック基板６ｂ上にフォトダイオード１ｂ、受光増幅器２ｂ、制御部４ｂが形成されているのが異なる。
【００２４】
入射光Ｐｉｎは電子的シャッタ５ｂを通過して、電子的シャッタ５ｂのスイッチの開閉状態に応じた光量がフォトダイオード１ｂに到達して、モノリシック基板６ｂ上の受光増幅器２ｂにより、受光電流が電圧信号に変換されて端子２４から電圧出力として外部に取り出される。
また、受光増幅器２ｂの出力は、同じくモノリシック基板上の制御部４ｂにより検知され、受光増幅器２ｂの出力電圧が飽和せず、適正な出力電圧レベルになるように制御部４ｂが電子的シャッタ５ｂのスイッチの開閉を制御するとともに、外部に制御情報を端子２３から出力する。
【００２５】
このように、１つのモノシリック基板上に、フォトダイオード１ｂ、受光増幅器２ｂ、制御部４ｂその電源バイアス回路を形成することにより、光検出装置の小型化が可能になる。
また、電子的シャッタ５ｂは、液晶を使用して実現できる。前記ＴＮ液晶の他にも、薄膜トランジスタを用いたＴＦＴ液晶やメモリ効果をもつ強誘電体液晶を用いることで、さらに高速のスイッチングにも対応可能である。
また、この光検出装置を搭載することにより、入射光量範囲が広範囲に必要な光測定装置、特に光パワーメータ等が実現可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、光検出装置の入射光量範囲の拡大を、光受光部の前面にあるシャッタのスイッチングにより行うことで、受光電流を電圧変換する受光増幅部のゲイン抵抗の切り替えが不用になる。このため、ゲイン切り替えによる、前記受光増幅部の周波数特性が変化してしまう問題点が克服できるとともに、前記ゲイン抵抗の抵抗値等の誤差に対する影響がなくなるので、広範囲にわたり入射光の受光精度（リニアリティー）が向上する。
【００２７】
また、前記シャッタのオンオフによる、前記受光部への入射光量のデジタル制御が可能であることより、前記シャッタの個数を増やせば、木目細かな制御が可能である。
【００２８】
また、フォトダイオード、受光増幅部、制御装置等を１つのモノリシック基板上に形成し、液晶シャッタを、前記モノリシック基板を内含するパッケージと一体成型することにより、小型化が実現でき、光通信用の携帯機器等にも搭載が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる光検出装置の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係わる光検出装置の具体例を示す斜視図である。
【図３】本発明に係わる光検出装置の具体例を示す断面図である。
【図４】本発明に係わる光検出装置の他の具体例を示す斜視図である。
【図５】本発明に係わる光検出装置の他の具体例を示す断面図である。
【図６】本発明に係わる光検出装置内部のモノリシック基板の構成図ある。
【図７】従来の光検出装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ  フォトダイオード
２ａ、２ｂ、２ｃ  受光増幅器
３ａ、３ｂ、３ｃ  ゲイン抵抗
４ａ、４ｂ、４ｃ  制御部
５ａ、５ｂ  電子的シャッタ
６ａ、６ｂ  シリコンモノシリック基板
７ｂ  電源・バイアス部
１１ａ、１１ｂ  モールドパッケージ
１２  受光窓
１３  カソード端子
１４  アノード端子
１５ａ、１５ｂ  ワイヤ
２３、２４  端子
【図１】
0003810329.tif 000002
【図２】
0003810329.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003810329.tif 000007
【図７】
0003810329.tif 000008