Bei der Schaltung oben sollte man wohl eher die Widerstände tauchen. Also eher 330 Ohm bei der LED (eher noch weniger) und eher 1 K Ohm (ggf. auch noch 10 K) am Fototransistor. Wenn es tatsächlich schon so geht, dann einfach mal mit etwas mehr Strom für die LED probieren - dann sollte das Signal noch besser werden. Das die Spannung beim "low" Signal also mit Licht nicht ganz bis 0 V runter geht, ist für die Geschwindigkeit gut, denn dann ist der Fototransistor nicht in der Sättigung und ist schneller.
Die meisten der µCs haben schon einen Komparator intern drin. Ein Signal zwischen 1,7 V und 4,8 V sollte auch von einem Digitaleingang noch erkannt werden, wenn auch relativ knapp an der unteren Grenze.