CN103038883B - 光学传感器 - Google Patents

Abstract

一种光学传感器包括：半导体基板（10）上的第一和第二光接收元件（20）；隔着透光膜（30）在半导体基板（10）上方的遮光膜（40）；以及对应于光接收元件（20）并布置在遮光膜（40）中的第一和第二开口（41）。限定分别从第一和第二光接收元件（20a‑20h）的中心延伸并通过第一和第二开口（41a‑41h）的中心的第一和第二虚拟线（A‑C）。第一和第二虚拟线（A‑C）的仰角和左右角中的至少一个不同。第一光接收元件（20a‑20h）的光敏面积大于第一开口（41a‑41h）的开口面积。第二光接收元件（20a‑20h）的光敏面积大于第二开口（41a‑41h）的开口面积。

Description

光学传感器

相关申请的交叉参考

本申请基于于2010年9月10日提交的日本专利申请No.2010-203294、于2010年9月10日提交的No.2010-203295、于2010年9月15日提交的No.2010-206974、于2010年11月10日提交的No.2010-252170、于2011年1月6日提交的No.2011-1100、于2011年1月6日提交的No.2011-1101、于2011年1月6日提交的No.2011-1102、于2011年1月6日提交的No.2011-1103、和于2011年1月27日提交的No.2011-15417，其公开内容通过参考并入本文中。

技术领域

本发明涉及光学传感器，其中，在半导体基板上形成多个光接收元件，每一个光接收元件用于将光转换为电信号，遮光膜隔着透光膜形成在半导体基板的形成光接收元件的表面上方，以及用于透射对应于各自光接收元件的光的开口形成在遮光膜中。

背景技术

传统上，例如专利文献1中所示的，已提出一种光学传感器，其中，在半导体基板上形成多个光电二极管，在形成光电二极管的其表面上形成具有透光特性的透光层，在透光层的上表面上形成具有遮光特性的遮光掩模，以及在遮光掩模中形成多个光传播区。在该光学传感器中，由遮光掩模的光传播区限定入射在每一个光电二极管的光接收表面上的光的范围，尤其是其仰角。

在专利文献1中所示的光学传感器中，如专利文献1的图1所示的，每一个光电二极管的光接收表面的面积基本上与每一个光传播区的面积相同。因此，入射在每一个光电二极管的光接收表面上的光的角范围(方向性)较窄，这会导致具有给定角度的光无法由光电二极管检测。因此，在专利文献1中所述的光学传感器的结构的情况下，难以基于来自每一个光电二极管的输出信号来检测光的强度(入射光的量)或其角度(仰角和光直角)。

此外，在专利文献1中所示的光学传感器中，在透光层的上表面上形成一层遮光掩模。在这个结构的情况下，从给定的一个光传播区入射的光可以经由透光层入射在未对应于给定光传播区的光电二极管上。结果，来自光电二极管的输出信号会包括来自非预期的光传播区的光输出(干扰输出)。

此外，在专利文献1中所示的光学传感器中，两个成对的光电二极管在左右方向上相邻，并且入射在两个光电二极管中的每一个的光接收表面上的光的范围由位于两个光电二极管上方的一个光传播区来限定。因此，当光从左侧入射在光学传感器上时，来自右侧光电二极管的输出信号大于来自左侧光电二极管的输出信号。相反地，当光从右侧入射在光学传感器上时，来自左侧光电二极管的输出信号大于来自右侧光电二极管的输出信号。因此，通过将来自两个成对光电二极管的输出信号彼此进行比较，可以检测出光从左右两侧中的哪一侧入射。

在上述结构中，可以通过将来自左侧光电二极管的输出信号除以来自两个成对光电二极管的输出信号的总和来计算值(第一值)，通过将来自右侧光电二极管的输出信号除以来自两个成对光电二极管的输出信号的总和来计算值(第二值)，确定两个值之间比率，以及从而检测出有多少光从左侧或从右侧入射在光学传感器上。即，可以检测光的左右比率。

然而，左右比率具有根据光的仰角而改变的特性，仅使用左右比率无法检测光的准确入射方向(仰角和左右角)。

而且，当为了满足使用目的而特别期望检测光的角度时，应再次根据使用目的产生光传播区，这导致低通用性的问题。

此外，在专利文献1中，隔着透光层在形成光电二极管的表面(光接收表面)上形成遮光掩模，以及在遮光掩模中形成光传播区。由遮光掩模遮挡从上方倾斜进入并且入射在每一个光电二极管的光接收表面上的光，但光入射在形成光电二极管的表面上的范围取决于光接收表面与光传播区之间的距离来形成。在专利文献1中，两者之间的距离由透光层的厚度来确定，因为厚度较小，入射在形成光电二极管的表面上的光的范围较窄。

这导致如下的情况：取决于光的入射方向，光入射在左侧光电二极管的光接收表面上，但未入射在右侧光电二极管的光接收表面上。在此情况下，来自右侧光电二极管的输出信号为零，以使得来自两个光电二极管的输出信号的总和等于来自左侧光电二极管的输出信号，第一值为1而第二值为0。相反地，当光入射在右侧光电二极管的光接收表面上，但未入射在左侧光电二极管的光接收表面上时，来自左侧光电二极管的输出信号为零，以使得来自两个光电二极管的输出信号的总和等于来自右侧光电二极管的输出信号，第一值为0而第二值为1。因此，每一个值为常数(饱和的)，以使得即使可以检测出光从左右侧中的哪一侧入射，也不可能检测出对应于光的入射角的光的左右比率。

此外，如专利文献2中所示的，已常规地提出一种半导体装置，其中，在半导体芯片中形成光电传感器和信号处理电路。在该半导体装置中，在光电传感器和信号处理电路上方，第一光透过性绝缘膜、光透过性层间绝缘膜、遮光膜和光透过性芯片保护膜依次叠置在层中，所述遮光膜具有开放于其中的窗口以暴露出光接收表面，去除叠置在第一光透过性绝缘膜的光接收表面上的其他层，以暴露出第一光透过性绝缘膜。这允许即使当光的强度极低时，也可以准确地检测入射在半导体装置上的光的强度。另外，当光入射在多层膜上时，光行进同时在到达光电传感器之前在层之间反射和透射，以使得入射在光电传感器上的光经历由于干涉导致的强度变化。然而，由于已经去除了叠置在第一光透过性绝缘膜的光接收表面上的其他层，抑制了入射在光电传感器上的光包含由于干涉导致的强度变化。

入射在光电传感器上的光的量(光的强度)取决于光的入射角。然而，专利文献2中所示的半导体装置不具有检测光的入射角的功能。结果，所检测的光强度包括基于光的入射角的强度变化，以使得光强度的检测精度存在问题。

此外，例如专利文献3中所示的，已常规地提出一种光学传感器，其包括光接收元件，每一个光接收元件用于根据光的量而输出信号，以及支撑在光接收元件上方的光量改变件，用以根据光的入射角改变进入每一个光接收元件的光的量。将包括运算放大器和激光微调电阻器的电流电压转换电路连接到每一个光接收元件。通过调整每一个激光微调电阻器的电阻值，调整来自每一个光接收元件的输出信号的增益。

如上所述，在专利文献3所示的光学传感器中，电流电压转换电路连接到每一个光接收元件，并且由激光微调来调整激光微调电阻器的电阻值，激光微调电阻器的数量与光接收元件的数量相同。因此，会出现成本增大的问题。

此外，例如在专利文献4中所示的，已常规地提出一种光学传感器，其包括光接收模块，在该光接收模块中以矩阵形式排列多个光接收元件；限定模块，用于根据入射在光接收模块上的光的入射角来限定向多个光接收元件辐射的入射光的辐射的范围；以及放大模块，用于以基于光接收元件的位置而设定的放大系数来放大从多个光接收元件中的每一个输出的检测信号，并输出放大的检测信号。如专利文献4的图1到3所示，在光接收模块上方提供端盖，其具有在其中间形成的一个光通过孔的遮光板(限定模块)。光学传感器具有如下的结构：其中，光通过孔的开口面积大于每一个光接收元件的光接收面积，并且通过光通过孔入射在光接收模块上的光入射在多个光接收元件上。

如上所述，在专利文献4的光学传感器中，一个光通过孔对应于多个光接收元件，开口面积大于光接收面积。因此，入射在每一个光接收元件的光接收表面上的光的角范围(方向性)较宽，以使得在各个光接收元件的方向性特性之间不太可能出现差异。结果，当基于来自多个光接收元件的各自输出信号检测光的入射角时，入射角的检测精度会存在困难。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：美国专利No.6,875,974

专利文献2：日本未审专利公开No.S63-116458

专利文献3：日本专利No.3882378

专利文献4：日本未审专利公开No.2005-249478

发明内容

鉴于前述问题已实现本发明，并且其第一个目的在于提供一种光学传感器，其中方向性被加宽，以避免光的强度和角度检测变得困难。其第二个目的在于提供一种光学传感器，其中防止来自每一个光接收元件的输出信号包含干扰输出。其第三个目的在于提供一种光学传感器，其具有改进的光强度检测的精度。其第四个目的在于提供一种光学传感器，其中，防止光的左右比饱和。其第五个目的在于提供一种光学传感器，其中，防止了成本增加，同时调整了来自每一个光接收元件的输出信号的增益。其第六个目的在于提供一种光学传感器装置，其具有改进的光的入射方向检测的精度。其第七个目的在于提供一种光学传感器，其中，方向性被缩窄，以实现改进光的入射角检测的精度。其第八个目的在于提供一种光学传感器，其具有改进的通用性。

根据本公开的第一方面，一种光学传感器包括：多个光接收元件，布置在半导体基板的一个表面侧并将光转换为电信号；透光膜，布置在所述半导体基板的所述一个表面上并具有透光特性；遮光膜，隔着所述透光膜布置在所述半导体基板的所述一个表面上并具有遮光特性；以及多个开口，布置在所述遮光膜中，用于将光引入到各自的光接收元件中。光接收元件包括第一光接收元件和第二光接收元件。开口包括对应于所述第一光接收元件的第一开口和对应于第二光接收元件的第二开口。限定从所述第一光接收元件的中心延伸并通过所述第一开口的中心的第一虚拟线。限定从所述第二光接收元件的中心延伸并通过所述第二开口的中心的第二虚拟线。第一虚拟线和第二虚拟线的仰角和左右角中的至少一个不同。所述第一光接收元件的光接收面积大于所述第一开口的开口面积，而所述第二光接收元件的光接收面积大于所述第二开口的开口面积。

根据上述光学传感器，连接多个光接收元件的中心与对应于各自光接收元件的开口的中心的虚拟线的仰角和左右角中的至少一个不同。这允许获得多个输出信号，这些输出信号具有包括光的强度和角度的不同值。另外，光接收元件的光敏面积大于相应开口的开口面积。因此，入射在每一个光接收元件的光接收表面上的光的角度范围(方向性)宽于光敏面积和开口面积相等的结构中的，由此防止了具有给定角度的光不能以光接收元件检测的问题出现。以此方式，避免了基于来自每一个光接收元件的输出信号检测光的强度(入射光的量)及其角度(仰角和左右角)变得困难。

可替换地，遮光膜和透光膜中的每一个均可以具有多层结构。布置在每一层遮光膜中的开口限定光的仰角。布置在每一层遮光膜中的开口的开口面积随着接近所述半导体基板而逐渐增大。这防止了从给定的一个开口入射的光入射在除了对应于该给定开口的光接收元件之外的光接收元件上。结果，防止了来自每一个光接收元件的输出信号包括来自非预期的入射光的干扰输出。此外，在每一层遮光膜中形成的开口的开口面积随着接近半导体基板的形成表面而增大。因此，不同于各个层的遮光膜中的开口的开口面积相等的结构，或者开口面积随着接近形成表面而减小的结构，可以防止光的方向性由每一层遮光膜中形成的开口缩窄。

根据本公开的第二方面，一种光学传感器包括：多个光接收元件，布置在半导体基板的一个表面侧并将光转换为电信号；遮光膜，隔着透光膜布置在所述半导体基板上的所述光接收元件上方；用于透射光的多个开口，布置在所述遮光膜中并分别对应于所述光接收元件；以及遮光部。每一个开口限定光的仰角。仰角是在平行于相应光接收元件的光接收表面的线与光的行进方向之间的角。遮光部防止从对应于各自光接收元件的所述多个开口中的一个入射的光进入相邻于所述各自光接收元件的另一个光接收元件中。遮光部布置在彼此相邻的开口之间的透光膜中，其中，所述遮光部被布置以使得具有限定仰角的光通过开口仅进入对应的光接收元件中,其中，所述遮光部包括U形平面形状且围绕所述多个开口中的所述一个的遮光壁。

根据上述光学传感器，形成遮光部以跨越相互相邻的开口彼此相对的区域。这防止了从给定的一个开口入射的光入射在不对应于给定开口的光接收元件上。因此，防止了来自每一个光接收元件的输出信号包括来自非预期开口的光输出(干扰输出)。

根据本公开的第三方面，一种光学传感器包括：多个光接收元件，布置在半导体基板的一个表面侧并将光转换为电信号；遮光膜，隔着透光膜布置在所述半导体基板上的所述光接收元件上方；以及用于透射光的多个开口，布置在所述遮光膜中并分别对应于所述光接收元件。光接收元件包括用于检测光的强度的光接收元件，和用于检测光的入射角的光接收元件。去除位于用于检测光的强度的光接收元件上方的透光膜和遮光膜中的每一个。

根据上述光学传感器，去除了位于用于检测光的强度的光接收元件上方的光透射膜和遮光膜中的每一个。这实现以优异的精度检测入射在半导体基板上的光的强度，即使在光的强度极端微弱时。另外，防止了来自用于检测光的强度的光接收元件的输出信号包括由于半导体基板的一个表面上方形成的各个层之间的光反射所导致的光的干涉效果。上述光学传感器还包括光接收元件，均用于检测光的入射角。这实现基于来自用于检测光的强度的光接收元件的输出信号和来自均用于检测光的入射角的光接收元件的输出信号，来检测光的强度。因此，防止了光的检测强度包括基于光的入射角的强度偏差。结果，提高了光的强度的检测精度。

根据本公开的第四方面，一种光学传感器包括：多个光接收元件，布置在半导体基板的一个表面侧并将光转换为电信号；遮光膜，隔着透光膜布置在所述半导体基板上的所述光接收元件上方；以及多个开口，布置在所述遮光膜中并分别对应于所述光接收元件。多个光接收元件包括相对于虚拟线线对称地定位的一对光接收元件。沿着半导体基板的一个表面侧布置虚拟线。相对于虚拟线线对称地定位对应于该对光接收元件的一对开口。该一对光接收元件中的每一个具有凹进形状，该凹进形状从虚拟线的一端向虚拟线的另一端延伸，并在凹进形状的中间凹进。凹进形状具有横向宽度，该横向宽度随着从凹进形状的一个端部到凹进形状的另一个端部的距离而增大。该一对开口中的每一个提供投影部，其通过由入射在半导体基板的所述一个表面侧的光将各自开口投影在半导体基板侧的所述一个表面侧上来制备。投影部的至少一部分位于由相应光接收元件和连接在相应光接收元件的一个端部与相应光接收元件的另一个端部之间的线所包围的区域中。

在下文中，为了易于说明，将沿着虚拟线的方向示出为前后方向，并且与前后方向相交的、且一对光接收元件与一对开口所布置的方向示出为左右方向。此外，平行于左右方向并通过一对开口的参考线向前的一侧示出为前侧，参考线向后的一侧示出为后侧。一对光接收元件中位于左侧的光接收元件示出为左光接收元件，位于右侧的光接收元件示出为右光接收元件。根据上述光学传感器，一对光接收元件和一对开口均相对于前后方向线对称，各个开口一一对应于各个光接收元件。每一个光接收元件形成从前到后延伸并且在其中间凹进的凹进形状。每一个开口的投影部的至少一部分位于由相应光接收元件与连接光接收元件的一个端部与另一个端部的线所包围的区域中。结果，从后侧入射在光学传感器上的光并不必然入射在一对光接收元件中的每一个上，但从前侧入射在光学传感器上的光入射在一对光接收元件中的每一个上。例如，当光从右前侧入射在光学传感器上时，光入射在左光接收元件和右光接收元件各自的左后部上，而当光从左前侧入射在光学传感器上时，光入射在左光接收元件和右光接收元件各自的右后部上。这防止了来自前侧的光仅入射在该一对光接收元件中的一个上，并防止了来自每一个光接收元件的输出信号变为零。另外，该一对光接收元件中的每一个的横向宽度随着其一个端部到其另一个端部的距离而增大。因此，例如当光从右前侧入射在光学传感器上时，入射在左光接收元件和右光接收元件各自的左后部上的光的光敏面积不同，使得来自各自光接收元件的输出信号不同。在相反情形下也是相同的。当光从左前侧入射在光学传感器上时，入射在左光接收元件和右光接收元件各自的右后部上的光的光敏面积不同，使得来自各自光接收元件的输出信号不同。因此，不同于一对光接收元件中的每一个的横向宽度恒定的结构，通过将来自左光接收元件的输出信号除以来自这两个光接收元件的输出信号的总和而获得的值(第一值)与将来自右光接收元件的输出信号除以来自这两个光接收元件的输出信号的总和而获得的值(第二值)不同。因此，通过确定这两个值之间的比率，可以检测有多少光从左侧入射在光学传感器上，或者有多少光从右侧入射在光学传感器上。即，可以检测光的左右比。如上所示，根据上述光学传感器，防止了来自一对光接收元件中的每一个的输出信号变为零。由于来自此的输出信号不同，防止了光的左右比饱和。注意，当光从前侧入射在光学传感器上时，入射在左光接收元件和右光接收元件各自的后部上的光的光敏面积相同，使得上述的两个值相等。

可替换地，多个光接收元件可以包括至少两对光接收元件。开口包括对应于所述至少两对光接收元件的两对开口。此外，一对光接收元件之一与对应于一对光接收元件之一的各自开口之间的距离可以与另一对光接收元件之一与对应于另一对光接收元件之一的各自开口之间的距离不同。入射在每一个光接收元件上的光的仰角取决于光接收元件与开口之间的距离。相应地，通过上述的将来自一个光接收元件与另一个光接收元件的各自输出信号彼此比较，可以检测入射在光学传感器上的光的仰角。另外，至少两对光接收元件形成在半导体基板上。因此，与一对光接收元件和一个独立的光接收元件形成在半导体基板上的结构不同，可以获得具有不同仰角特性的至少两对输出信号。这提高了仰角检测的精度。

根据本公开的第五方面，一种光学传感器包括：多个光接收元件，用于存储对应于接收的光的量的电荷；限定部，用于限定入射在光接收元件的各自光接收表面上的光的入射角，使得光的入射角不同；存储部，电连接到每一个光接收元件，存储从光接收元件输出的电荷，并将存储的电荷转换为电压；多个转移开关，布置在各自光接收元件与存储部之间；重置部，用于重置存储在存储部中的电荷；以及控制部，用于控制每一个转移开关的断开与闭合以及重置部的驱动。控制部调整每一个转移开关的断开与闭合之间的间隔，以调整从每一个光接收元件输出到存储部的电荷的量。

因此，根据上述光学传感器，调整每一个转移开关的断开与闭合之间的间隔，从而调整从每一个光接收元件输出到存储部的电荷的量，即，来自光接收元件的输出信号的增益。因此，与包括运算放大器和激光微调电阻器的电流-电压转换电路连接到每一个光接收元件且调整激光微调电阻器的电阻值的结构相比，可以调整来自每一个光接收元件的输出信号的增益，同时抑制成本增加。

可替换地，重置部可以是布置在存储部与电源之间的重置开关。控制部向重置开关输入用于控制重置开关的断开与闭合的重置信号。控制部向每一个转移开关输入用于控制转移开关的断开与闭合的转移信号连同重置信号一起，。从每一个光接收元件输出的电荷的量取决于转移开关的断开与闭合之间的间隔。然而，从每一个光接收元件输出的并且存储在存储部中的电荷的量不仅取决于转移开关的断开与闭合之间的间隔，还取决于重置开关的断开/闭合的时序。在上述情况下，将转移信号连同重置信号一起输入到每一个转移开关。当从控制部输出重置信号时，光接收元件和存储部经由转移开关电连接，并且存储部与电源经由重置开关电连接。存储在光接收元件中的电荷被输出(转移)到存储部，但由于横跨存储部的电压被强制等于电源电压，从光接收元件输出的电荷没有存储在存储部中。因此，以从控制部输出重置信号的时序，每一个光接收元件和存储部处于没有电荷存储在其中的状态。当完成重置信号的输出时，使转移开关进入断开状态并且电荷开始再次存储在光接收元件中。用于存储的时间是从重置信号的输出直到转移开关再次进入断开状态。当输出下一个重置信号之前从控制部输出转移信号时，在存储时间内存储在光接收元件中的电荷转移到存储部。此时，存储部未电连接到电源，以使得从光接收元件输出的电荷存储在存储部中。因此，存储在存储部中的电荷的量取决于存储时间。相应地，通过调整每一个光接收元件中的存储时间，可以调整来自光接收元件的输出信号的增益。

根据本公开的第六方面，一种光学传感器包括：多个光接收元件，用于存储对应于接收的光的量的电荷；限定部，用于限定入射在光接收元件的各自光接收表面上的光的入射角，以使得光的入射角不同；公共布线，共同电连接到每一个光接收元件；多个转移开关，分别布置在光接收元件与公共布线之间；重置部，用于重置存储在每一个光接收元件中的电荷；以及控制部，用于控制每一个转移开关的断开与闭合以及重置部的驱动。控制部调整每一个转移开关的断开与闭合以及重置部的驱动，以调整从每一个光接收元件输出到公共布线的电荷的量。

电荷存储在每一个光接收元件中的时间(存储时间)对应于重置部未驱动且转移开关处于断开状态的时间。因此，通过如上述光学传感器中调整转移开关的断开与闭合以及重置部的驱动，可以调整从光接收元件输出到公共布线的电荷的量，即来自光接收元件的输出信号的增益。因此，与包括运算放大器和激光微调电阻器的电流-电压转换电路连接到每一个光接收元件且调整激光微调电阻器的电阻值的结构相比，可以调整来自每一个光接收元件的输出信号的增益，同时抑制成本增加。

可替换地，重置部可以是分别布置在光接收元件与地之间的重置开关。控制部向分别对应于光接收元件的重置开关输出重置信号，用于控制重置开关在不同时间的断开与闭合。控制部同时向分别对应于光接收元件的转移开关输出转移信号，用于控制转移开关的断开与闭合。存储时间对应于每一个重置开关和转移开关处于断开状态的时间。因此，通过以不同的时序从控制部向对应于各自光接收元件的重置开关输出重置信号，并与相同的时序从控制部向对应于各自光接收元件的转移开关输出转移信号，可以调整从每一个光接收元件输出到公共布线的电荷的量，即来自光接收元件的输出信号的增益。另外，由于以相同的时序从控制部向对应于各自光接收元件的转移开关输出转移信号，来自具有调整的增益的各自光接收元件的输出信号同时输出到公共布线。结果，来自各自光接收元件的具有调整的增益的输出信号在公共布线中相加，从公共布线输出由相加得到的信号。这简化了光学传感器的电路结构，并抑制了成本增加。

根据本公开的第七方面，一种光学传感器装置包括：光学传感器；以及角度计算单元。该光学传感器包括：多个光接收元件，布置在半导体基板上并将光转换为电信号；透光膜，布置在所述半导体基板上的光接收元件上方并具有透光特性；遮光膜，布置在所述透光膜上，并有遮光特性；以及多个开口，布置在所述遮光膜中，分别对应于光接收元件，并限定入射在光接收元件的光接收表面上的光的角度。角度计算单元基于来自光接收元件的输出信号，分别计算光的仰角和光的左右角。多个光接收元件包括光的左右角彼此相等且光的仰角彼此不同的多个光接收元件组。多个光接收元件组具有不同的左右角。角度计算单元将来自光接收元件的输出信号的强度彼此比较，以指定输出最强输出信号的光接收元件。角度计算单元指定入射在指定光接收元件的光接收表面上的光的角度。

因此，根据上述装置，由具有由相应开口限定的相同光的左-右角及其不同仰角的多个光接收元件构成多个光接收元件组。此外，多个光接收元件组的左右角不同。结果，入射在各自光接收元件上的光的量不同，来自具有以等于或最接近于入射在半导体基板上的光的角度的角度而入射的光接收表面的光接收元件的输出信号最大。因此，通过比较来自各自光接收元件的输出信号的强度，指定输出最大强度输出信号的光接收元件。通过指定入射在指定光接收元件的光接收表面上的光的角度，可以检测入射在半导体基板上的光的入射方向(仰角和左右角)。这提高了光的入射方向的检测精度。注意，光的仰角是由平行于每一个光接收元件的光接收表面的方向与光行进方向所形成的角，光的左右角是围绕垂直于光接收表面的垂线的角。

根据本发明的第八实施例，一种光学传感器包括：多个光接收元件，布置在半导体基板的一个表面侧并将光转换为电信号；遮光膜，隔着透光膜布置在半导体基板的一个表面上方；以及透射光的多个开口，布置在遮光膜中，并对应于各自的光接收元件。连接三个光接收元件的中心与对应于这三个光接收元件的开口的中心的三条虚拟线的仰角和左右角中的至少一个不同。每一个光接收元件的光接收面积与相应开口的开口面积基本上相同。

根据上述光学传感器，可以获得具有包括光的强度和角度的彼此不同的值的至少三个输出信号。因此，可以检测光的入射角。另外，每一个光接收元件的光敏面积与相应开口的开口面积大体上相同。因此，与一个开口对应于多个光接收元件且开口面积大于光敏面积的结构相比，可以缩窄入射在每一个光接收元件的光接收表面上的光的角度范围(方向性)。结果，改进了每一个光接收元件的方向性特性，以使得当基于来自每一个光接收元件的输出信号检测光的入射角时，提高了光的入射角的检测精度。注意，上述的仰角是由平行于光接收元件的光接收表面的线与光行进方向所形成的角，上述的左右角是围绕半导体基板的参考点的角。注意，用词“大体上相同”是为了澄清以下事实：当尝试制造光学传感器以使得光接收元件具有恰好相同的光敏面积且开口具有恰好相同的开口面积时，由于制造误差而无法产生具有恰好相同光敏面积的光接收元件和具有恰好相同开口面积的开口，因此包括了制造误差。因此，用词“大体上相同”表示其中包括相同，而包括的范围是大约制造误差的范围。

根据本公开的第九方面，一种光学传感器包括：多个光接收元件；多个限定部，用于限定入射在各自光接收元件的光接收表面上的光的入射角，以使得光的入射角彼此不同；计算部，用于基于来自光接收元件的输出信号来计算光的入射角；多个选择开关，提供在各自光接收元件与计算部之间；以及控制部，用于控制每一个选择开关的断开与闭合。

因此，根据上述光学传感器，可以选择任意的光接收元件。因此，即使当要检测特定的光的角度时，仅仅基于其用途重写控制部的设定即是足够的。与基于其用途再次产生限定部的结构相比，这改进了通用性。

附图说明

依据以下参考附图的详细说明，会明了本发明的上述及其他目的、特定和优点。在附图中：

图1是根据第一实施例的光学传感器的平面图；

图2是沿图1的II-II线的截面图；

图3是沿图1的III-III线的截面图；

图4是用于示出计算部的电路图；

图5A是示出本实施例的光的角度范围的截面图；以及图5B是示出当光接收元件的光接收面积等于与其相对应的开口的开口面积时的角度范围的截面图；

图6是用于示出光学传感器的变型的平面图；

图7是用于示出光学传感器的变型的平面图；

图8是示出开口的变型的截面图；

图9是根据第二实施例的光学传感器的平面图；

图10是沿图9的线X-X的光学传感器的截面图；

图11是示出光学传感器的变型的平面图；

图12是示出光学传感器的变型的平面图；

图13是根据第三实施例的光学传感器的截面图；

图14是用于示出检测光的入射角的光接收元件与开口的各自位置的平面图；

图15是沿图14的线XV-XV的光学传感器的截面图；

图16是用于示出光学传感器的变型的截面图；

图17是根据第四实施例的光学传感器的平面图；

图18是沿图17的线XVIII-XVIII的光学传感器的截面图；

图19是用于示出仰角与方位角的示意图；

图20是示出左右比率的曲线图；

图21是示出光学传感器的变型的平面图；

图22是示出光学传感器的变型的平面图；

图23是示出光学传感器的变型的平面图；

图24是示出根据第五实施例的光学传感器装置的示意性结构的电路图；

图25是用于示出限定部与光接收元件的截面图；

图26是用于示出光学传感器中的信号的时序图；

图27是用于示出光学传感器中的信号的时序图；

图28是示出根据第六实施例的光学传感器的示意性结构的电路图；

图29是用于示出限定部与光接收元件的截面图；

图30是用于示出控制信号的时序图；

图31是示出根据第七实施例的光学传感器装置的示意性结构的电路图；

图32是示出光接收元件的分布的顶视图；

图33是沿图32的线XXXIII-XXXIII的光学传感器装置的截面图；

图34是用于示出来自各自光接收元件、第一矩阵和第二矩阵的输出信号的概念图；

图35是用于示出角度计算单元中的信号的时序图；

图36是用于示出角度计算单元中的信号的时序图；

图37是示出根据第八实施例的光学传感器的示意性结构的方框图；

图38是示出传感器部的示意性结构的平面图；

图39是传感器部的截面图；

图40是用于示出计算部的示意性电路图；

图41是示出根据第九实施例的光学传感器的示意性结构的电路图；

图42是用于示出光接收元件与开口的布置的平面图；

图43是沿图42的线XLIII-XLIII的光学传感器的截面图；

图44是用于示出计算部的示意性结构的电路图；以及

图45是用于示出限定部的可变形特性的截面图。

具体实施方式

(第一实施例)

图1是示出根据第一实施例的光学传感器的示意性结构的平面图。图2是沿图1的II-II线的截面图。图3是沿图1的III-III线的截面图。图4是用于示出计算部的示意性电路图。图5A是示出本实施例的光的角度范围的截面图，以及图5B是示出当光接收元件的光接收面积等于与其相对应的开口的开口面积时的角度范围的截面图。注意，在图1中，由虚线示出稍后说明的光接收元件20a到20c，而在图2和3中，将在透光膜中经由开口41a到41c入射在形成表面10a上的光的范围示出为中空的空隙。在图1和3中，未示出计算部50。

如图1到4所示，光学传感器100包括作为其主要部分的半导体基板100、光接收元件20、透光膜30、遮光膜40和计算部50。在半导体基板10的一个表面侧上形成光接收元件20。在形成光接收元件20的其形成表面10a上形成透光膜30，并且在透光膜30中形成遮光膜40。在遮光膜40中，形成用于透射光的开口41，以及经由开口41，光入射在光接收元件20上。光接收元件20电连接到计算部50，以便由计算部50处理来自每一个光接收元件20的输出信号。在下文中，首先示出光学传感器100的主要部分10到50的示意性结构，随后将说明光学传感器100的特性及其操作/效果。

半导体基板10形成为矩形，并在其上形成上述的光接收元件20和形成图4中所示的计算部50的电子元件(未示出)。这些电子元件经由半导体基板10中形成的布线图(未示出)电连接。

每一个光接收元件20用于将光转换为电信号。根据本实施例的每一个光接收元件20是具有PN结的光电二极管。如图1到3所示，在半导体基板10上形成三个光接收元件20a到20c。

透光膜30由具有透光特性和绝缘特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括半导体工艺中使用的层间绝缘膜SiO₂。如图2和3中所示，在形成表面10a上方以多层方式形成透光膜30。在本实施例中，在形成表面10a上方形成三层透光膜30。

遮光膜40由具有遮光特性和导电特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括铝。如图2和3中所示，在两层透光膜30之间形成每一遮光膜40，隔着透光膜30在形成表面10a上形成多层遮光膜40。在本实施例中，在透光膜30中形成两层遮光膜40，在每一层遮光膜40中形成对应于各自光接收元件20a到20c的开口41a到41c。在本实施例中，在每一层遮光膜40中形成的开口41a到41c的开口面积相等。每一层中的开口41a到41c限定由平行于各自光接收元件20a到20c的光接收表面21的线和光行进的方向形成的光的仰角。注意，尽管未示出，遮光膜40电连接到半导体基板10中形成的布线图，以用作电连接各个电子元件的布线。

计算部50用于基于来自各自光接收元件20a到20c的输出信号来计算入射在光学传感器100上的光的量及其仰角和左右角。如图4所示，计算部50包括放大部51a到51c，用于放大来自各自光接收元件20a到20c的输出信号；以及算术运算部52，用于对来自放大部51a到51c的输出信号执行算术运算，以计算入射在光学传感器100上的光的量及其仰角和左右角。

接下来，将说明根据本实施例的光学传感器100的特性特征及其操作/效果。如图1所示，第一光接收元件20a位于由十字标记表示的半导体基板10的参考点P。第二光接收元件20b位于通过参考点P且平行于形成表面10a的参考线Q上。第三光接收元件20c位于由参考线Q围绕作为旋转中心的参考点P顺时针旋转90度而获得旋转线R上。对应于第一光接收元件20a的第一开口41a位于参考点P处。对应于第二光接收元件20b的第二开口41b位于旋转线Q上。对应于第三光接收元件20c的第三开口41c位于旋转线R上。如果将围绕参考点P的角度(左右角)限定为由参考线Q与通过参考点P的任意线形成的角度，则入射在第一光接收元件20a与第二光接收元件20b中的每一个的光接收表面21上的光的左右角为0度，而入射在第三光接收元件20c的光接收表面21上的光的左右角为90度。

如图1到3所示，第一光接收元件20a的中心和第一开口41a的中心位于参考点P处，由连接其各自中心的第一虚拟线A与形成表面10a所形成的角(仰角)为90度。另一方面，第二光接收元件20b的中心与第二开口41b的中心在参考线Q上彼此分离，以使第二光接收元件20b定位为更接近于参考点P，且连接其各自中心的第二虚拟线B的仰角是45度。另外，第三光接收元件20c的中心与第三开口41c的中心在旋转线R上彼此分离，以使第三光接收元件20c定位为更接近于参考点P，且连接其各自中心的第三虚拟线C的仰角是45度。

以此方式，第一虚拟线A的仰角是90度，其左右角是0度，第二虚拟线B的仰角是45度，其左右角是0度，第三虚拟线C的仰角是45度，其左右角是90度。因此，入射在第一光接收元件20a的光接收表面21上的光的角度范围(方向性)包括90度的仰角和0度的左右角，第二光接收元件20b的方向性包括45度的仰角和0度的左右角，第三光接收元件20c的方向性包括45度的仰角和90度的左右角。因此，在前述结构的情况下，可以获得三个输出信号，它们至少在仰角与左右角中的任一个上不同。因此，通过在计算部50中对这三个输出信号执行算术运算，可以检测光的强度(入射光的量)及其角度(仰角和左右角)。

另外，如图2、3、5A和5B所示，各个元件20a到20c的光接收面积大于相应开口41a到41c的开口面积。因此，如图5A和5B所示，与光接收面积与开口面积相等的结构相比，入射在每一个光接收表面21上的光的角度范围(方向性)更宽，该角度范围由示出为虚线的两条线形成的角度θ来限定。即，角度θ₁大于角度θ₃，角度θ₂大于角度θ₄。结果，防止了具有给定角度的光无法由光接收元件20a到20c检测的问题出现，抑制了光的强度(入射光的量)及其角度(仰角和左右角)的检测成为难题。

在本实施例中，在透光膜30中以多层方式形成遮光膜40，并且在相邻开口41之间形成多层遮光膜40。因此，与在一层遮光膜中形成开口的结构相比，可以缩窄入射在半导体基板10上的光的范围。这防止了例如具有由图2中实线箭头所示的仰角的光经由第二开口41b入射在与第二开口41b不对应的第一光接收元件20a上。结果，抑制了来自每一个光接收元件20的输出信号包括来自非预期入射光的干扰输出。

本实施例已示出在半导体基板10上形成三个光接收元件20a到20c的示例。然而，光接收元件20的数量不限于前述示例中的数量，只要其数量大于1即可。另外，当光接收元件20的数量以及与之对应的开口41的数量均不小于4时，只要连接多个光接收元件20各自的中心与相应的开口41各自的中心的虚拟线在仰角和左右角中的任一个上不同就足够。例如，也可以采用在半导体基板10上形成四个光接收元件20a到20d的结构，如图6所示，或者在半导体基板10上形成8个光接收元件20a到20h的结构，如图7所示。

在图6所示的变型中，在由参考线Q围绕作为旋转中心的参考点P逆时针旋转90度(-90度)而获得的旋转线S上形成第四光接收元件20d和第四开口41d。为了将第四光接收元件20d定位为更接近于参考点P，第四光接收元件20d的中心与第四开口41d的中心在旋转线S上彼此分离，连接其各自中心的第四虚拟线(未示出)的仰角是45度。因此，第四虚拟线的仰角是45度，其左右角是-90度，第四光接收元件20d的方向性包括45度的仰角和-90度的左右角。图6是用于示出光学传感器的变型的平面图。

另一方面，在图7所示的变型中，为了将开口41定位为更接近于参考点P，光接收元件20和开口41位于从参考点P径向延伸的多个虚拟线(未示出)上，以使得由对应于各自光接收元件20a到20h的开口41a到41h限定的仰角不同。图7所示的结构允许以具有不同方向性的8个光接收元件20检测从参考点P侧入射的光。以此方式，可以增大从参考点P侧入射的光的量及其仰角和左右角的检测精度。图7是用于示出光学传感器的变型的平面图。

本实施例示出透光膜30在三层中，且遮光膜40在两层中的示例。然而，透光膜30和遮光膜40各自的层数不限于前述示例中的数量。例如，如图8所示，也可以采用透光膜30在四层中，且遮光膜40在三层中的结构。

此外，本实施例示出在遮光膜40的各层中的开口41的开口面积相等的示例。然而，在各层中的开口41的开口面积也可以不同。例如，如图8所示，在各层中的开口41的开口面积也可以随着接近形成表面10a而增大。换句话说，更接近形成表面10a的开口41的开口面积也可以大于远离形成表面10a的开口41的开口面积。根据该结构，不同于在遮光膜40的各层中的开口41的开口面积相等的结构，或者开口面积随着接近形成表面10a而减小的结构，在遮光膜40的各层中形成的开口41防止光的方向性被显著缩窄(防止了入射在形成表面10a上的光的范围变得小于光接收表面21的光接收面积)。图8是示出开口的变型的截面图。注意，在图8中，在透光膜30中经由开口41入射在形成表面10a上的光的范围示出为中空的空隙。

本实施例示出遮光膜40由具有遮光特性和导电特性的材料制成的示例。然而，在半导体基板10上形成的各个电子元件无需由遮光膜40电连接的情况下，遮光膜40也可以由具有光吸收特性的材料形成。

(第二实施例)

图9是示出根据第二实施例的光学传感器的示意性结构的平面图。图10是沿图9的线X-X的截面图。注意，由实线示出形成稍后说明的开口41的边缘，由虚线示出遮光壁51。

如图9和10所示，光学传感器1100包括作为其主要部分的半导体基板1010、光接收元件1020、透光膜1030、遮光膜1040和遮光部1050。在半导体基板1010的一个表面侧形成光接收元件1020。在形成光接收元件1020的其形成表面1010a上方形成透光膜1030，并且在透光膜1030中形成遮光膜1040和遮光部1050。在透光膜1030中，形成用于透射光的开口1041，经由开口1041，光入射在光接收元件1020上。注意，在图10中，光入射于其中的透光膜1030的范围示出为中空的空隙。

半导体基板1010形成为矩形，并且在其上形成上述的光接收元件1020和形成用于处理来自光接收元件1020的输出信号的电路的电子元件(未示出)。这些电子元件经由在半导体基板1010中形成的布线图1011(未示出)电连接。注意，如稍后所述的，遮光膜1040由具有导电特性的材料制成，以使得部分遮光膜1040执行电连接上述各个电子元件的功能。

每一个光接收元件1020用于将光转换为电信号。根据本实施例的每一个光接收元件1020均是具有PN结的光电二极管。如图10所示，在半导体基板1010上以预定空间间隔形成多个接收元件1020。

透光膜1030由具有透光特性和绝缘特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括氧化硅SiO₂。如图10中所示，在形成表面1010a上方以多层方式形成透光膜1030。在除了位于最上位置处的透光膜1030以外的每一个透光膜1030中形成通孔1031，以在半导体基板1010的厚度方向上延伸通过该半导体基板1010。每一个通孔1031填充有稍后说明的导电部件1053。在本实施例中，在形成表面1010a上方形成四个透光膜1030，通孔1031形成在接近形成表面1010a的各自三个透光膜1030中。

遮光膜1040由具有遮光特性和导电特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括铝。如图10中所示，在两层透光膜1030之间形成每一个遮光膜1040，隔着透光膜1030在形成表面1010a上方形成多层遮光膜1040。在本实施例中，在透光膜1030中形成三层遮光膜1040，在每一层遮光膜1040中形成对应于各自光接收元件1020的开口1041。

在本实施例中，在每一层遮光膜1040中形成的开口1041的开口面积相等。在每一层中的开口1041限定由平行于光接收元件1020的光接收表面1020a的线与光行进方向所形成的光的仰角。另外，形成开口1041的边缘的一部分端部1042倾斜，以面向光入射的方向，遮光膜1040的各层经由稍后描述的遮光壁1051彼此连接。

每一个遮光部1050执行防止从对应于给定的一个光接收元件1020的开口1041入射的光入射在与之相邻的光接收元件1020上。遮光部1050包括遮光壁1051和光吸收膜1052，并且形成在对应于给定的光接收元件1020的透光膜1030中的开口1041与对应于与之相邻的光接收元件1020的开口1041之间。注意，如图9中虚线所示的，在每一个透光膜1030中形成遮光壁1051，以便具有大体上环形平面形状并围绕对应于光接收元件1020之一的开口1041的外围。因此，形成一部分遮光壁1051，以便跨越相邻开口1041彼此相对的区域，相邻开口1041彼此相对的区域由遮光壁1051横跨。

每一个遮光壁1051均由填充通孔1031的导电材料1053形成。导电材料1053由与遮光膜1040的材料相同的材料制成，并整体结合到遮光膜1040。结果，遮光膜1040的各层经由遮光壁1051机械以及电连接。此外，在本实施例中，如图10所示，填充与形成表面1010a最接近的透光膜1030的通孔1031的导电部件1053电连接到布线图1011。结果，遮光膜1040和布线图1011经由导电部件1053(遮光壁1051)电连接，每一个遮光膜1040的一部分适于执行电连接在半导体基板1010上形成的各个电子元件的功能。

光吸收膜1052由具有吸收光的特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括碳。如图10所示，在每一个遮光膜1040的上表面1040a和形成开口1041边缘的端部1042上形成每一个光吸收膜1052。

接下来，将说明根据本实施例的光学传感器1100的操作/效果。如上所述，每一个遮光壁1051均在透光膜1030中形成，以便跨越彼此相邻的开口1041彼此相对的区域。这防止了从给定的一个开口1041入射的光入射在与给定开口1041不对应的光接收元件1020上。因此，防止了来自每一个光接收元件20的输出信号包括来自非预期的开口1041的光输出(干扰输出)。

如图9所示，借助遮光壁1051，更接近形成表面1010a的三个透光膜1030中的每一个被遮挡了来自给定的一个光接收元件1020和与之相邻的光接收元件1020之间的光。结果，可以使用遮光壁51完全遮挡来自给定光接收元件1020和与之相邻的光接收元件1020之间的光。

在本实施例中，每一个遮光壁1051均形成在透光膜1030中，以具有大体上环形平面形状并围绕对应于一个光接收元件1020的开口1041的外围。这防止了入射在由遮光壁1051围绕的开口1041中的光入射在与开口1041不对应的光接收元件1041上。另外，防止了入射在与由遮光壁1051围绕的开口1041不同的开口1041(纸面左侧的开口1041)中的光入射在对应于由遮光壁1051围绕的开口1041的光接收元件1020上。而且，防止了从半导体基板1010的边缘侧入射的光入射在对应于由遮光壁1051围绕的开口1041的光接收元件1020上。

每一个遮光膜1040和遮光壁1051(导电部件1053)均具有导电特性，并且一部分遮光壁1053电连接到布线图1011。这允许在半导体基板1010上形成的电子元件经由遮光壁1051和遮光膜1040电连接。

每一个遮光部1050均具有有吸收光特性的光吸收膜1052，在遮光膜1040的上表面上形成光吸收膜1052。这防止了经由开口1041入射在透光膜1030上的光由透光膜1030与半导体基板1010之间的界面，以及透光膜1030与遮光膜1040之间的界面重复反射，并在透光膜1030中传播。结果，抑制了从给定的一个开口1041入射的光入射在与给定开口1041不对应的光接收元件1020上，以及来自每一个光接收元件1020的输出信号包括干扰输出。

此外，在本实施例中，在形成遮光膜1040中每一个开口1041的边缘的端部1042上形成光吸收膜1052。当仰角小于由每一层遮光膜1040中的开口1041限定的仰角的光(例如，由图10中虚线箭头所示的光)入射在开口1041中时，一部分光入射在上述的端部1042中。因此，如本实施例中所示的，通过在端部1042上形成光吸收膜1052，可以防止干扰光在透光膜1030中传播。

在本实施例中，一部分端部1042倾斜，以面向光入射的方向，在倾斜的端部1042上形成光吸收膜1052。结果，光入射在其上的端部1042的面积增大，以使得更有效地防止干扰光在透光膜1030中的传播。此外，由于上述端部1042倾斜以面向光入射的方向，可以引导一部分光入射在端部1042上，该部分光没有被光吸收膜1052吸收，而是在向外的方向上(例如，与虚线箭头的方向相反的方向)反射。这更有效地防止了干扰光在透光膜1030中传播。

在半导体基板1010的形成表面1010a上方形成透光膜1030，在透光膜1030中以多层方式形成遮光膜1040。在遮光膜1040的各层中，形成用于透射对应于各自光接收元件1020的光的开口1041。因此，借助在遮光膜1040的各层中形成的开口1041，缩窄了入射在半导体基板1010上的光的范围。这防止了从给定的一个开口1041入射的光入射在与给定开口1041不对应的光接收元件1020上。结果，更有效地防止了来自每一个光接收元件1020的输出信号包括干扰输出。

本实施例已示出在半导体基板1010的形成表面1010a上方形成透光膜1030，并且在透光膜1030中以多层方式形成遮光膜1040的示例。然而，也可以形成一层遮光膜1040。在此情况下，形成每一个通孔1031，以从形成表面1010a延伸并到达所述一层遮光膜1040。以导电部件1053填充通孔1031，以形成遮光壁1051。

如图9中虚线所示的，本实施例已示出在每一个透光膜1030中形成遮光壁1051以具有大体上环形平面形状以便围绕对应于一个光接收元件1020的开口1041的外围的示例。然而，遮光壁1051的形状和形成遮光壁1051的位置不限于前述示例。例如，如图11所示，也可以在包括位于与任意两个光接收元件1020相对应的开口1041之间的部分透光膜1030的、并且围绕位于对应于一个光接收元件1020的开口1041周围的部分透光膜1030的区域中形成具有大体上U形平面形状的遮光壁1051。可替换地，如图12所示，也可以在位于与任意两个光接收元件1020相对应的开口1041之间的部分透光膜1030中形成均具有大体上矩形的平面形状的多个遮光壁1051，从而允许多个遮光壁1051横跨相邻开口1041彼此相对的区域。图11和12是示出光学传感器的变型的平面图。

本实施例示出形成开口1041的边缘的部分端部1041倾斜，以面向光入射的方向的示例。然而，也可以是整个端部1042倾斜，以面向光入射的方向。

本实施例示出在每一个遮光膜1040的上表面1040a上形成光吸收膜1052的示例。然而，在遮光膜1040的表面上形成光吸收膜1052就已足够。例如，也可以在每一个遮光膜1040的下表面1040b上形成光吸收膜1052。

本实施例示出在各层中的开口1041的开口面积相等的示例。然而，各层中的开口1041的开口面积也可以不同。例如，也可以随着接近形成表面1010a而减小各层中的开口1041的开口面积。

本实施例示出遮光膜1040由具有遮光特性和导电特性的材料制成的示例。然而，在形成于半导体基板1010上的各个电子元件无需由遮光膜1040电连接的情况下，遮光膜1040也可以由具有光吸收特性的材料制成。

(第三实施例)

图13是示出根据第三实施例的光学传感器的示意性结构的截面图。图14是用于示出检测光的入射角的光接收元件与开口的各自位置的平面图。图15是沿图14的线XV-XV的截面图。注意，在图14中，稍后说明的用于检测光的入射角的光接收元件2022由虚线示出，而在图15中，简化了层2030到2040。在图15中，连接用于检测光的入射角的各自光接收元件2022的中心与对应于各自光接收元件2022的开口2041的中心的虚拟线由虚线示出。

如图13到15所示，光学传感器2100包括作为其主要部分的半导体基板2010、光接收元件2020、透光膜2030以及遮光膜2040。在半导体基板2010的一个表面侧形成光接收元件2020。在形成光接收元件2020的其形成表面上方形成透光膜2030，在透光膜2030中形成遮光膜2040。在遮光膜2040中，形成用于透射光的开口2041，经由开口2041，光入射在光接收元件2020上。光接收元件2020电连接到计算部(未示出)，以便在计算部中处理来自每一个光接收元件2020的输出信号。计算部基于来自稍后说明的光接收元件2021与2022的输出信号，计算入射在光学传感器2100上的光的强度及其仰角和左右角。在下文中，首先示出光学传感器2100的主要部分2010到2040的示意性结构，随后将说明光学传感器2100的特性特征及其操作/效果。

半导体基板2010形成为矩形，并且在其上形成上述的光接收元件2020和形成上述计算部的电子元件(未示出)。这些电子元件经由在半导体基板2010中形成的布线图2011电连接。

每一个光接收元件2020均用于将光转换为电信号。在半导体基板2010上形成用于检测光的强度的光接收元件2021(在下文中说明为强度光接收元件2021)和用于检测光的入射角的光接收元件2022(在下文中示出为角度光接收元件2022)。每一个光接收元件2021和2022均是具有PN结的光电二极管，并且强度光接收元件2021的光接收面积大于每一个角度光接收元件2022的光接收面积。

透光膜2030由具有透光特性和绝缘特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括氧化硅。如图13中所示，在半导体基板2010的形成表面上方以多层方式形成透光膜2030。在本实施例中，在形成表面上方形成四层透光膜2030，紧挨着形成表面上的透光膜2030对应于保护膜。

遮光膜2040由具有遮光特性和导电特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括铝。如图13中所示，在两层透光膜2030之间形成每一个遮光膜2040，并且隔着透光膜2030在半导体基板2010的形成表面上方形成多层遮光膜2040。在本实施例中，在透光膜2030中形成三层遮光膜2040，在遮光膜2040的各层中形成对应于各自光接收元件2021和2022的开口2041。在本实施例中，在各自遮光膜2040中形成的开口2041的开口面积相等。在每一层中的开口2041限定由平行于各光接收元件2021和2022的光接收表面的线与光行进方向形成的光的仰角。如图13所示，遮光膜2040电连接到布线图2011，并执行电连接形成于半导体基板2010上的电子元件的布线的功能。

如图14和15所示，角度光接收元件2022和开口2041位于从由十字标记表示的参考点P径向延伸的多个虚拟线(未示出)上。借助距参考点P的距离，角度光接收元件2022与开口2041之间的空间分隔距离更长。由于这个结构，由对应于各自角度光接收元件2022的开口2041限定的仰角不同，并获得仰角与左右角中的至少一个不同的9个输出信号。计算部基于该9个输出信号检测光的角度(仰角和左右角)，并基于光的检测角度和来自强度光接收元件2021的输出信号来检测光的强度。具体地，计算部计算在来自角度光接收元件22的9个输出信号之间的比率，以计算光的入射角，并基于所计算的光的入射角和来自强度光接收元件2021的输出信号计算光的强度。

接下来，将说明根据本实施例的光信号传感器2100的特性特征及其操作/效果。如图13所示，已去除位于用于检测光的强度的强度光接收元件2021上方的四层透光膜2030中的三层和所有三层遮光膜2040，并且在强度光接收元件2021的光接收表面上仅形成一层透光膜2030。这允许即使当光的强度极其微弱时，也能以优异的精度检测入射在半导体基板2010上的光的强度。另外，防止了来自强度光接收元件2021的输出信号包括由形成于半导体基板2010的形成表面上方的各层之间的光的反射所导致的光干涉影响。此外，在本实施例中，基于来自角度光接收元件2022的输出信号计算光的入射角，并且基于所计算的光的入射角和来自强度光接收元件2021的输出信号来计算光的强度。因此，防止了光的强度包括根据光的入射角的强度变化，并提高了光强度的检测精度。

如上所述，光接收元件2021和2022中，仅强度光接收元件2021处于已从其去除透光膜2030的状态。换句话说，角度光接收元件2022处于没有从其去除透光膜2030的状态。由于角度光接收元件2022将来自多个角度光接收元件2022的各个输出彼此进行比较，并输出光的角度(相对值)，即使当角度光接收元件2022受到上述的光干涉影响，只要每一个角度光接收元件2022受到相同的影响，来自其的输出即不存在问题。因此，使角度光接收元件2022进入它们未被有意暴露并留下透光膜2030的状态。另一方面，强度光接收元件2021不输出如从角度光接收元件2022输出的这种相对值，而输出绝对值。因此，光的干涉的效果所导致的影响妨碍了提高光强度的检测精度。因此，在本实施例中，仅强度光接收元件2021处于暴露状态。因此，本实施例的特性特征不仅仅在于光学传感器2100中具有多个光接收元件2021与2022，任意光接收元件处于暴露状态的事实，而在于仅强度光接收元件2021处于暴露状态的事实。

在本实施例中，强度光接收元件2021的光接收面积大于每一个角度光接收元件2022的光接收面积。这允许增大入射在强度光接收元件2021上的光的量。

以透光膜2030覆盖光接收元件2021与2022的光接收表面。这防止了光接收表面暴露于外部，以提高每一个光接收元件2021与2022的耐用性。

在本实施例中，在透光膜2030中以多层方式形成遮光膜2040，在彼此相邻的开口2041之间形成多层遮光膜2040。这防止了从给定的一个开口2041入射的光入射在除了对应于给定开口2041的光接收元件2020以外的光接收元件2020上。结果，防止了来自每一个光接收元件2020的输出信号包括干扰输出。

如图13所示，在本实施例中，形成了凹进部2050，该凹进部2050将强度光接收元件2021的光接收表面用作其底面，将透光膜2030与遮光膜2040用作其侧壁，并且凹进部2050的开口面积恒定。然而，如图16所示，也可以采用凹进部2050的侧壁倾斜的结构，以使得凹进部2050的开口面积在强度光接收元件2021上方向上逐渐增大。这增大了入射在强度光接收元件2021上的光的量。图16是用于示出光学传感器的变型的截面图。

如图13所示，本实施例示出在半导体基板2010上形成一个强度光接收元件2021的示例。然而，也可以在半导体基板2010上形成多个强度光接收元件2021。在此情况下，也可以改变紧挨着形成表面上方并执行多个强度光接收元件2021中的保护膜功能的透光膜2030的厚度，从而改变每一个强度光接收元件2021的光谱灵敏度特性。可替换地，也可以改变每一个均是具有PN结的光电二极管的强度光接收元件2021的扩散层的厚度，从而改变每一个强度光接收元件2021的光谱灵敏度特性。

本实施例中示出在半导体基板2010上形成9个角度光接收元件2022的示例。然而，只要不小于3，角度光接收元件2022的数量即是合适的，并不限于前述示例中的数量。

本实施例示出透光膜2020处于四层中，遮光膜2040处于三层中的示例。然而，透光膜2030与遮光膜2040各自的层数不限于前述示例中的数量。例如，也可以采用透光膜2030处于三层中，而遮光膜2040处于两层中的结构。

本实施例示出遮光膜2040由具有遮光特性和导电特性的材料制成的示例。然而，在形成于半导体基板2010上的各个电子元件无需由遮光膜2040电连接的情况下，遮光膜2040也可以由具有光吸收特性的材料形成。

(第四实施例)

图17是示出根据第四实施例的光学传感器的示意性结构的平面图。图18是沿图17的线XVIII-XVIII的截面图。图19是用于示出仰角与方位角的示意图。图20是示出左右比率的曲线图。注意，在图17中，稍后说明的光接收元件3021到3024和开口2051到3054由实线示出，而限定形成光接收元件3021到3024和开口2051到3054的各自位置的线由作为虚拟线VL的双点划线示出。在下文中，沿着形成稍后说明的光接收元件3020的形成表面3010a延伸的，并在车辆的前后之间通过车辆的方向示出为前后方向，沿着形成表面3010a延伸并在车辆的左右之间通过车辆的方向示出为左右方向。注意，上述的虚拟线VL沿着前后方向延伸。

光学传感器3100安装在车辆的前面板上，并主要用于检测太阳的位置。如图17和18所示，光学传感器3100包括作为其主要部分的半导体基板3010、光接收元件3020、透光膜3030、遮光膜3040和开口3050。在半导体基板3010的一个表面侧形成光接收元件3020。在形成光接收元件3020的形成表面3010a上方形成透光膜3030，在透光膜3030中形成遮光膜3040。在遮光膜3040中，形成用于透射光的开口3050，经由开口3050，光入射在光接收元件3020上。尽管未示出，光学传感器3100包括计算部，用于处理来自光接收元件3020的输出信号。计算部大致计算入射在光学传感器3100上的光的仰角及其方位角。在下文中，首先示出光学传感器3100的主要部分3010到3050的示意性结构，随后将说明光学传感器3100的特性特征。

半导体基板3010形成为矩形，在其上形成上述的光接收元件3020和形成计算部的电子元件(未示出)。这些电子元件经由在半导体基板3010中形成的布线图(未示出)电连接。

每一个光接收元件3020都用于将光转换为电信号。根据本实施例的每一个光接收元件3020都是具有PN结的光电二极管，并形成在半导体基板3010的形成表面3010a一侧。在形成表面3010a上形成两对光接收元件3021到3024。将光接收元件3021与3022配对，将光接收元件3023与3024配对。这些光接收元件3021到3024是光学传感器3100的特性特征，因此稍后将详细说明。

透光膜3030由具有透光特性和绝缘特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括半导体工艺中使用的层间绝缘膜SiO₂。如图18中所示，在形成表面3010a上方以多层方式形成透光膜3030。在本实施例中，在形成表面3010a上方以三层叠置透光膜3031到3033。

遮光膜3040由具有遮光特性和导电特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括铝。如图18中所示，在两层透光膜3030之间形成每一遮光膜3040，隔着透光膜3030在形成表面3010a上形成多层遮光膜3040。在本实施例中，在透光膜3030中形成两层遮光膜3041与3042，并在每一层遮光膜3041与3042中形成开口3050。注意，尽管未示出，遮光膜3040电连接到形成于半导体基板3010中的布线图，以便还用作电连接各个电子元件的布线。

开口3050用于限定入射在光接收元件3020上的光。在每一遮光膜3041与3042中形成两对开口3051到3054。将开口3051与3052配对，将开口3053与3054配对。开口3051到3054是光学传感器3100的特性特征，因此稍后将详细说明。

计算部用于基于来自光接收元件3020的输出信号来大致计算入射在光学传感器3100(车辆)上的外部光的仰角及其方位角。换句话说，计算部用于计算太阳的大致高度和太阳位于车辆的向左方向或向右方向的多少角度(左右角)。通过将来自不成对的光接收元件3021和3023或者来自不成对的光接收元件3022和3024的输出信号彼此进行比较来计算太阳的大致高度。通过确定将来自第一光接收元件3021的输出信号除以来自两个光接收元件3021与3022的输出信号的总和而获得的值(第一值)与通过将来自第二光接收元件3022的输出信号除以来自两个光接收元件3021与3022的输出信号的总和而获得的值(第二值)之间的比率来计算左右比率。可替换地，通过确定将来自第三光接收元件3023的输出信号除以来自两个光接收元件3023与3024的输出信号的总和而获得的值(第三值)与将来自第四光接收元件3024的输出信号除以来自两个光接收元件3023与3024的输出信号的总和而获得的值(第四值)之间的比率来计算左右比率。在说明光学传感器3100的操作/效果时将说明其原因。注意，如图19所示，仰角θ示出从水平面向上的角度，方位角示出围绕车辆的角度。

接下来，将说明根据本实施例的光学传感器3100的特性特征。如图17所示，配对的光接收元件3021和3022相对于虚拟线VL线对称，配对的光接收元件3023与3024相对于虚拟线VL线对称。第一光接收元件3021与第三光接收元件3023位于虚拟线VL的左侧，而第二光接收元件3022与第四光接收元件3024位于虚拟线VL的右侧。在从前向后延伸同时在其之间的中部凹进的凹形(大体上是字母C形)中形成每一个光接收元件3021到3024。光接收元件3021到3024的横向宽度随着其远离虚拟线VL的端部3021a到3024a向其靠近虚拟线VL的端部3021b到3024b的距离而连续增大。端部3021b到3024b具有线形状，通过光接收元件3021到3024的横向宽度的各自中间的线(图17中示出为虚线的线)呈现弧形，每一个弧形具有预定的半径。结果，每一个光接收元件3021到3024的总体形状为角形。注意，由连接形成弧形的线与弧形中心的线所形成的扇形的中心角是180度。上述的每一个横向宽度均示出与形成弧形的线(通过横向宽度的中间的线)相交的方向上的长度。在本实施例中，配对的光接收元件3021与3022大于配对的光接收元件3023与3024。

如图17所示，配对的开口3051与3052相对于虚拟线VL线对称，配对的开口3053与3054相对于虚拟线VL线对称。远离形成表面3010a的遮光膜3042的每一个开口3051到3054均具有圆形，而在遮光膜3041中形成的开口3051到3054具有对应于光接收元件3021到3024各自形状的形状，尽管未示出。即，在遮光膜3041中形成的每一个开口3051到3054为角形。

此外，如图17所示，由与形成表面3010a相交的光投影在形成表面3010a上的开口3051到3054的部分投影部位于由相应光接收元件3021到3024与连接光接收元件3021到3024的端部3021a到3024a与其端部3021b到3024b的线所包围的区域中。此外，在本实施例中，开口3051到3054的投影部的中心位于由虚线示出的弧形的中心，在开口3051到3054的中心到光接收元件3021到3024的横向宽度的中间的距离恒定。另外，如图17和18所示，在配对的光接收元件3021和3022与与其对应的开口3051和3052之间的距离不同于配对的光接收元件3023和3024与与其对应的开口3053和3054之间的距离。

接下来，将说明根据本实施例的光学传感器3100的操作/效果。如上所述，在从前向后延伸同时在其之间的中部凹进的凹形中形成每一个光接收元件3021到3024，且由连接通过每一个光接收元件3021到3024的横向宽度的中间并形成弧形的线与弧形中心的线所形成的扇形的中心角是180度。结果，从后侧入射在光学传感器3100(车辆)上的光没有入射在每一个光接收元件3021到3024上，但从前侧入射在光学传感器3100上的光经由开口3051到3054入射在每一个光接收元件3021到3024的后部上。因此，从前侧入射在光学传感器3100上的光完全包括在检测范围内。因此，防止了来自前侧的光仅入射在配对的光接收元件3021与3022(3023与3024)中的一个上，并且防止了来自每一个光接收元件3021到3024的输出信号成为0。

此外，如上所述，光接收元件3021到3024各自的横向宽度随着从其端部3021a到3024a向其端部3021b到3024b的距离而连续增大。因此，例如当如图17中实线箭头所示的光从右前方入射时，光经由开口3051到3054入射在各个光接收元件3021到3024的左后部上。在第二光接收元件3022中接收光的面积大于在第一光接收元件3021中的，并且第四光接收元件3024中的大于在第三光接收元件3023中的。另一方面，当如图17中虚线箭头所示的光从左前侧入射时，与接收光的面积相关联的量值关系相反。即，第一光接收元件3021中接收光的面积大于第二光接收元件3022中的，第三光接收元件3023中的大于第四光接收元件3024中的。结果，当光从右前侧入射时，来自第二光接收元件3022的输出信号大于来自第一光接收元件3021的输出信号，来自第三光接收元件3023的输出信号大于来自第四光接收元件3024的输出信号。相反地，当光从左前侧入射时，来自第一光接收元件3021的输出信号大于来自第二光接收元件3022的输出信号，而来自第四光接收元件3024的输出信号大于来自第三光接收元件3023的输出信号。

因此，通过确定在计算部的说明中定义的第一值与第二值之间的比率，或者第三值与第四值之间比率，可以检测有多少光从左侧入射在光学传感器3100上，或者有多少光从右侧入射在光学传感器3100上。即，可以计算光的左右比。可以发现，当第一值与第二值之间的比率例如是2:3时，太阳位于从前侧向右的对应于该值的角度，当在其之间的比率例如是8:1时，太阳位于从前侧向左的对应于该值的角度。为了参考，在图20中示出由光学传感器3100计算的左右比的方位角特性。图20中所示的曲线图的横坐标轴示出方位角，其纵坐标轴示出左右比。第一值由实线表示，第二值由虚线表示。由此可以发现，在根据本实施例的光学传感器3100的情况下，即使在方位角是±90度时，左右比也不饱和。

如上所示，根据本实施例，防止了来自配对的光接收元件3021与3022(3023与3024)的每一个输出信号成为0。由于来自其的各输出信号不同，防止了光的左右比饱和。注意，当光从其正前方入射在车辆上时，入射在配对的光接收元件3021与3022(3023与3024)的各自后部上的光的光接收面积相同，以使得第一值与第二值(第三值与第四值)的每一个均为0且彼此等于。在此情况下，左右比为1:1。

在本实施例中，在半导体基板3010上形成两对光接收元件3021到3024，在遮光膜3040中形成与之对应的两对开口3051到3054。在这个结构中，与在半导体基板上形成一对光接收元件的结构不同，可以计算至少两个左右比，以使得左右比的检测精度提高。

在本实施例中，配对的光接收元件3021与3022和与之对应的开口3051与3052之间的距离不同于配对的光接收元件3023与3024和与之对应的开口3053与3054之间的距离。因此，入射在光接收元件的光接收表面上的光的仰角(其由形成光接收元件与开口的位置来限定)在不成对的光接收元件3021与3023(3022与3024)中不同(见图18)。因此，通过将来自两个光接收元件3021与3023(3022与3024)的输出信号彼此进行比较并检测较高的输出，可以计算太阳的大致高度。此外，与在半导体基板上形成一对光接收元件和一个独立的光接收元件的结构不同，可以获得具有不同仰角特性的至少两对输出信号，以使得仰角的检测精度提高。

在本实施例中，通过各个光接收元件3021到3024的横向宽度的中间的线呈现为弧形，每一弧形多具有预定的半径，并且开口3051到3054的投影部的中心位于弧形的中心。因此，开口3051到3054的中心与光接收元件3021到3024的横向宽度的中间之间的距离恒定。因此，即使当从前侧入射的光的方向改变时，入射在配对的光接收元件3021与3022(3023与3024)的各自光接收表面上的光的量也仅取决于各自光接收元件3021到3024的横向宽度。结果，当从前侧入射的光已改变，入射在配对的光接收元件3021与3022(3023与3024)的各自光接收表面上的光的量不再仅取决于光接收元件3021到3024的横向宽度。结果，防止了光的左右比的检测精度恶化。

在本实施例中，各光接收元件3021到3024各自的横向宽度随着从其端部3021a到3024a向其端部3021b到3024b的距离而连续增大。以该结构，与光接收元件3021到3024随着从其端部3021a到3024a向其端部3021b到3024b的距离而不连续加宽的结构不同，可以使得来自光接收元件3021到3024的每一个输出信号的入射角特性更接近于线形。

在本实施例中，在透光膜3030中意多层形成遮光膜3040，由在遮光膜3041与3042中形成的开口3051到3054限定仰角。结果，两层遮光膜3041与3042位于任意两个光接收元件之间，以防止从给定的一个开口入射的光入射在除了对应于给定开口的光接收元件以外的光接收元件上。这防止了来自每一个光接收元件3021到3024的输出信号包括噪声。

在本实施例中，在遮光膜3041中形成的各自开口3051到3054的形状对应于各自光接收元件3021到3024的形状。在这个结构中，与在遮光膜3041中形成的各自开口3051到3054的形状与各自光接收元件3021到3024的形状不对应的结构不同，防止了遮光膜3041遮挡光入射在光接收元件3021到3024上。

本实施例示出光学传感器3100安装在车辆上的示例。然而，光学传感器3100的应用不限于前述的示例。

本实施例示出在半导体基板3010上形成两对光接收元件3021到3024的示例。然而，只要配对的光接收元件2020的数量不小于1即足够，并不限于前述的示例。

本实施例示出光接收元件3021到3024各自的横向宽度随着从其端部3021a到3024a向其端部3021b到3024b的距离而连续增大的示例。然而，也可以采用各光接收元件3021到3024的横向宽度随着从其端部3021a到3024a向其端部3021b到3024b的距离不连续减小的结构。然而，在此情况下，来自光接收元件3021到3024的每一个输出信号的入射角特性远非线形的，因此本实施例中所示的连续加宽的形状是优选的。

如上所述，本实施例示出各个光接收元件3021到3024的横向宽度随着从其端部3021a到3024a向其端部3021b到3024b的距离而连续增大的示例。然而，如图21所示，也可以采用各个光接收元件3021到3024的横向宽度随着从其端部3021a到3024a向其端部3021b到3024b的距离而连续减小的结构。图21是示出光学传感器的变型的平面图。

如图17所示，本实施例示出由连接通过各光接收元件3021到3024的横向宽度的中间并形成弧形的线和弧形中心的线形成的扇形的中心角是180度。然而，如图22所示，中心角也可以不小于180度。这允许了从其后侧入射在光学传感器3100上的一部分光包括在检测范围中。图22是示出光学传感器的变型的平面图。

在本实施例中，每一个端部3021b到3024b均具有线形状，每一个光接收元件3021到3024的总体形状为角形。然而，每一个光接收元件3021到3024的总体形状不限于前述示例。例如，如图23所示，也可以是每一个端部3021b到3024b具有弯曲形状，每一个光接收元件3021到3024的总体形状为逗号形。注意，在此情况下，各端部3021b到3024b的横向宽度中途开始减小。各端部2021b与3022b开始变窄的区域位于连接两个开口3051与3052的线的前侧，各端部3023b与3024b开始变窄的区域位于连接两个开口3053与3054的线的前侧。因此，从前侧入射在光学传感器3100上的光不太可能入射在中途开始变窄的区域上，并且开始变窄的区域不太可能对从前侧入射的光的左右比的检测作出贡献。图23是示出光学传感器的变型的平面图。

本实施例示出透光膜3030处于三层，遮光膜3040处于两层的示例。然而，透光膜3030与遮光膜3040各自的层数不限于前述示例。也可以采用例如透光膜3030处于四层，遮光膜3040处于三层的结构。

本实施例示出在遮光膜3041中形成的每一个开口3051到3054是角形的示例。然而，在遮光膜3041中形成的开口3051到3054具有与各自光接收元件3021到3024的形状相对应的形状即足够。在遮光膜3041中形成的各开口3051到3054的形状不限于前述示例。例如，如图23中所示的光接收元件3021到3024中的，在遮光膜3041中形成的开口3051到3054也可以具有逗号形状。

本实施例示出遮光膜3040由具有遮光特性和导电特性的材料制成的示例。然而，在形成于半导体基板3010上的各个电子元件无需由遮光膜3040电连接的情况下，遮光膜3040也可以由具有光吸收特性的材料形成。

在本实施例中，没有特别提及太阳辐射的量的检测。然而，例如可以将来自不成对的光接收元件3021与3023(3022与3024)的输出信号彼此进行比较，并基于较高的输出信号来大致计算太阳辐射的量。

(第五实施例)

图24是示出光学传感器装置的示意性结构的电路图。图25是用于示出限定部与光接收元件的截面图。图26是用于示出光学传感器中的信号的时序图。注意，在图25中，连接光接收元件4010的中心与对应于光接收元件4010的开口4022的中心的虚拟线示出为虚线。

如图24与25所示，光学传感器4100包括作为其主要部分的光接收元件4010、限定部4020、存储部4030、转移开关4040、重置开关4050、选择开关4060、以及控制部4070。当光入射在光接收元件4010上时，对应于光的量的电荷存储在每一个光接收元件4010中。当每一个转移开关4040进入闭合状态中时，存储在光接收元件4010中的电荷经由转移开关4040输入到存储部4030。存储部4030存储从光接收元件4010转移的电荷，并将存储的电荷转换为与之对应的电压。当选择开关4060进入闭合状态中时，由存储部4030中的转换得到的电压经由选择开关4060输出到外部。

每一个光接收元件4010均用于存储对应于接收光的量的电荷，并且是具有PN结的光电二极管。如图25所示，在半导体基板4011的一个表面4011a侧形成光接收元件4010。在本实施例中，将三个光接收元件4010a到4010c示出为代表性示例。在一个表面4011a上形成透光膜4012，在透光膜4012上形成限定部4020。透光膜4012由具有绝缘特性和透光特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括氧化硅SiO₂。尽管未示出，在半导体基板4011中形成光学传感器4100的组件4030到4070。这些组件经由在半导体基板4011中形成的布线图电连接。

限定部4020用于限定光的入射角，以使得入射在光接收元件4010a到4010c的光接收表面上的光的入射角不同。限定部4020包括在透光膜4012上形成的遮光膜4021，以及在遮光膜4021中形成的用于投射光的开口4022。遮光膜4021由具有遮光特性和导电特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括铝。如图25中虚线所示的，连接各个光接收元件4010a到4010c的光接收表面的中心与相应开口4022的中心的线具有不同的倾斜度，以使得各个光接收元件4010a到4010c的入射角不同。在本实施例中，借助开口4022，第一光接收元件4010a的仰角限定为90度，第二光接收元件4010b的仰角限定为45度，第三光接收元件4010c的仰角限定为30度。

存储部4030电连接到每一个光接收元件4010a到4010c，用以存储从光接收元件4010a到4010c输出的电荷，并将存储的电荷转换为电压。具体地，存储部4030是浮置扩散泵。

转移开关4040用于控制光接收元件4010与存储部4030之间的连接的断开/闭合。转移开关4040包括转移开关4040a到4040c。在第一光接收元件4010a与存储部4030之间提供第一转移开关4040a。在第二光接收元件4010b与存储部4030之间提供第二转移开关4040b。在第三光接收元件4010c与存储部4030之间提供第三转移开关4040c。根据本实施例的转移开关4040是N沟道MOSFET。

重置开关4050用于控制存储部4030与电源之间的连接的断开/闭合，并提供在存储部4030与电源之间。根据本实施例的重置开关4050是N沟道MOSFET，并对应于重置部。

选择开关4060用于控制存储部4030的输出端与外部端子(未示出)之间的连接的断开/闭合，并提供在存储部4030与外部端子之间。根据本实施例的选择开关4060是N沟道MOSFET。

控制部4070用于控制开关4040到4060的断开/闭合，并且是地址解码器。类似脉冲的控制信号从控制部4070输出到各个开关4040到4060。控制信号包括用于控制转移开关4040的断开/闭合的转移信号、用于控制重置开关4050的断开/闭合的重置信号，以及用于控制选择开关4060的断开/闭合的选择信号。上述的这三个控制信号的脉冲周期与占空比相同，但其脉冲上升时序不同。

接下来，将参考图26和27说明光学传感器4100的操作。图26是仅仅转移信号输入到转移开关4040时的时序图。图27是转移信号和重置信号输入到转移开关4040时的时序图。

首先，将说明仅仅转移信号输入到转移开关4040时的情况。在此情况下，从每一个光接收元件4010a到4010c输出的电荷的量取决于每一个转移开关4040a到4040c的断开与闭合之间的间隔，并且存储在存储部4030中的电荷的量也取决于在每一个转移开关4040a到4040c的断开与闭合之间的间隔。电荷存储在每一个光接收元件4010a到4010c中所经历的时间段取决于转移信号的脉冲周期，并且来自各个光接收元件4010a到4010c的输出信号的增益比相同。来自各个光接收元件4010a到4010c的输出信号的强度取决于入射在半导体基板4011的一个表面4011a上的光的仰角。例如，当光入射在一个表面4011a上以垂直于一个表面4011a时，来自第一光接收元件4010a的输出信号最大，来自第三光接收元件4010c的输出信号最小，而来自第二光接收元件4010b的输出信号介于两者中间。

如图26所示，当将高电压电平的信号(下文中称为Hi信号)输入到重置开关4050时，存储部4030经由重置开关4050电连接到电源，以使得横跨存储部4030的电压等于电源电压。当Hi信号下一次输入到重置开关4050时转移信号的Hi信号输入到各个转移开关4040a到4040c时，光接收元件4010a到4010c经由转移开关4040a到4040c电连接到存储部4030，并且存储在光接收元件4010a到4010c中的电荷输出(转移)到存储部4030。结果，横跨存储部4030的电压根据转移电荷的量从电源电压下降。当选择信号的Hi信号输入到选择开关4060时，存储部4030经由选择开关4060电连接到外部端子(未示出)，对应于电荷的量的电压输出到外部。当在此状态下重置信号的Hi信号再次输入到重置开关4050时，横跨存储部4030的电压被强制等于电源电压，存储在存储部4030中的电荷变为0。随后，通过重复上述的操作，将由来自各个光接收元件4010a到4010c的输出信号的相加所产生的信号(加信号)输出到外部。

接下来，将说明不仅将转移信号而且将重置信号输入到转移开关4040中的情况。在此情况下，从每一个光接收元件4010a到4010c输出的电荷的量取决于在每一个转移开关40404a到4040c的断开与闭合之间的间隔。然而，存储在存储部4030中的电荷的量不仅取决于在每一个转移开关4040a到4040c的断开与闭合之间的间隔，而且取决于重置开关4050的断开/闭合的时序。如图27所示，电荷存储在每一个光接收元件4010a到4010c中所经历的时间段包括从重置信号的下降沿到每一个转移信号的上升沿的第一存储时间，以及从转移信号的下降沿到重置信号的上升沿的第二存储时间。在两个存储时间的第二存储时间期间存储在每一个光接收元件4010a到4010c中的电荷在重置信号输入每一个转移开关4040a到4040c的同时转移到存储部30。然而，由于存储部4030此时连接到电源，横跨存储部4030的电压被强制等于电源电压，以使得没有电荷存储在存储部4030中。因此，在第二存储时间期间，存储在光接收元件4010a到4010c中的电荷没有存储在存储部4030中。相反地，在第一存储时间期间，存储在光接收元件4010a到4010c中的电荷存储在存储部4030中，以下将对此进行说明。

如图27所示，当重置信号的Hi信号输入到开关4040到4050时，光接收元件4010a到4010c经由转移开关4040a到4040c电连接到存储部4030，存储部4030经由重置开关4050电连接到电源。由于横跨存储部4030的电压等于电源电压，从光接收元件4010a到4010c转移到存储部4030的电荷没有存储在存储部4030中。当在Hi信号下一次输入到重置开关4050时转移信号的Hi信号输入到各个转移开关4040a到4040c时，光接收元件4010a到4010c经由转移开关4040a到4040c电连接到存储部4030。结果，在第一存储时间期间存储在光接收元件4010a到4010c中的电荷转移到存储部4030，横跨存储部4030的电压从电源电压降低对应于转移的电荷的量的量值。当选择信号的Hi信号输入到选择开关4060时，与电荷的量相对应的电压从存储部4030输出到外部。当在此状态下重置信号的Hi信号再次输入到开关4040到4050时，横跨存储部4030的电压被强制等于电源电压，存储在存储部4030中的电荷变为0，同时存储在各个光接收元件4010a到4010c中的电荷也变为0。随后，通过重复上述的操作，将由来自各个光接收元件4010a到4010c的输出信号的相加所产生的加信号输出到外部。注意，在图27中，光接收元件4010a到4010c各自的第一存储时间是有所区别的，来自各个光接收元件4010a到4010c的输出信号的增益比是有所区别的。

接下来，将说明光学传感器4100的操作/效果。如上所述，通过调整每一个转移开关4040的断开与闭合之间的间隔(第一存储时间)，来调整从每一个光接收元件4010a到4010c输出到存储部4030的电荷的量，即来自每一个光接收元件4010a到4010c的输出信号的增益。因此，与包括运算放大器和激光微调电阻器的电流－电压转换电路连接到每一个光接收元件，且激光微调电阻器的电阻值被调整的结构相比，可以调整来自每一个光接收元件4010a到4010c的输出信号的增益，同时抑制成本增加。

在存储部4030与外部端子之间提供选择开关4060，选择开关4060的断开/闭合由控制部4070控制。这允许通过选择开关4060的断开/闭合来调整存储在存储部4030中的电荷被输出的时序。

在半导体基板4011的一个表面4011a侧形成光接收元件4010，限定部4020包括隔着透光膜4012在一个表面4011a上方形成的遮光膜4021，和在遮光膜4021中形成的开口4022。因此，限定部4020包括在半导体基板4011上形成的薄膜。因此，与在半导体基板上方提供以开放窗口等形成的屏蔽板的结构相比，抑制了光学传感器4100的规模增大。

在本实施例中，作为代表性示例，示出三个光接收元件4010a到4010c。然而，也可以在半导体基板4010上形成更多数量的光接收元件4010。

如图25所示，本实施例示出透光膜4012处于一层，遮光膜4021处于一层的示例。然而，透光膜4012与遮光膜4021各自的层数不限于前述示例中的数量。例如，也可以采用例如透光膜4012处于两层，遮光膜4021处于两层的结构。因此，如果在透光膜12中以多层方式形成遮光膜21，与在一层遮光膜4021中形成开口4022的结构相比，可以缩窄入射在半导体基板4011上的光的范围。这防止了从给定的一个开口4022入射的光入射在除了对应于给定开口4022的光接收元件4010以外的光接收元件4010上，并防止了来自每一个光接收元件4010的输出信号包括来自非预期的开口4022的光输出(干扰输出)。

在本实施例中，没有特别提及各个光接收元件4010a到4010c的光接收面积与相应开口4022的开口面积之间的关系。然而，例如，各个光接收元件4010a到4010c的光接收面积与相应开口4022的开口面积可以彼此相等或不同。可替换地，可以将对应于各个光接收元件4010a到4010c的开口4022的开口面积设定为彼此相等或不同。具体地，当对应于各个光接收元件4010a到4010c的开口4022的开口面积有所区别时，也可以以各个开口4022之间开口面积比来有利地调整来自各个光接收元件4010a到4010c的输出信号的增益比。

本实施例示出转移信号、重置信号和选择信号各自的占空比相同的示例。然而，其各自的占空比也可以不同，选择信号也可以具有不同于转移信号和重置信号的脉冲周期。

(第六实施例)

图28是示出光学传感器装置的示意性结构的电路图。图29是用于示出限定部与光接收元件的截面图。图30是用于示出控制信号的时序图。注意，在图28中，没有示出限定部5020的图示，而在图29中，将连接光接收元件5010的中心与对应于光接收元件5010的开口5022的中心的虚拟线示出为虚线。

如图28和29所示，光学传感器5100包括作为其主要部分的光接收元件5010、限定部5020、存储部5030、转移开关5040、控制部5050、以及放大电路5060。当光入射在光接收元件5010上时，对应于光的量的电荷存储在每一个光接收元件5010中。当每一个转移开关4040进入闭合状态时，存储在光接收元件5010中的电荷经由转移开关5040输出到放大部5060。注意，当重置开关5030进入闭合状态时，存储在光接收元件5010中的电荷经由重置开关5030流到地，而存储在每一个光接收元件5010中的电荷的量变为零。

每一个光接收元件5010均用于存储对应于接收光的量的电荷，并且是具有PN结的光电二极管。如图28所示，每一个光接收元件5010的阴极电极连接到电源，其阳极电极经由重置开关5030连接到地。如图29所示，在半导体基板5011的一个表面5011a侧形成光接收元件5010。在图29中，将三个光接收元件5010a到5010c示出为代表性示例。然而，在本实施例中，在一个表面5011a侧形成9个光接收元件5010a到5010i。

在一个表面5011a上形成透光膜5012，在透光膜5012上形成限定部5020。透光膜5012由具有绝缘特性和透光特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括氧化硅SiO₂。尽管未示出，在半导体基板5011中形成光学传感器5100的组件5030到5060。这些组件经由在半导体基板5011中形成的布线图电连接。

限定部5020用于限定光的入射角，以使得入射在光接收元件5010a到5010i的光接收表面上的光的入射角不同。限定部5020包括在透光膜5012上形成的遮光膜5021，以及在遮光膜5021中形成的用于投射光的开口5022。遮光膜5021由具有遮光特性和导电特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括铝。如图29中虚线所示的，连接各个光接收元件5010a到5010c的光接收表面的中心以及相应开口5022的中心的线具有不同的倾斜度，以使得各个光接收元件5010a到5010c的入射角不同。在本实施例中，借助开口5022，第一光接收元件5010a的仰角限定为90度，第二光接收元件5010b的仰角限定为80度，第三光接收元件5010c的仰角限定为70度。注意，借助开口5022，第四光接收元件5010d的仰角限定为60度，第五光接收元件5010e的仰角限定为40度，第六光接收元件5010f的仰角限定为40度，第七光接收元件5010g的仰角限定为30度，第八光接收元件5010h的仰角限定为20度，第九光接收元件5010i的仰角限定为10度。

重置开关5030用于控制光接收元件5010与地之间的连接的断开与闭合，并提供在光接收元件5010与地之间。如图28所示，重置开关5030包括9个重置开关5030a到5030i，光接收元件5010a到5010经由相应的重置开关5030a到5030i连接到地。根据本实施例的重置开关5030是P沟道MOSFET，并对应于重置部。

转移开关5040用于控制光接收元件5010与放大电路5060(公共布线5061)之间的连接的断开与闭合，并提供在光接收元件5010与重置开关5030的中点与公共布线5061之间。如图28所示，转移开关5040包括9个转移开关5040a到5040i，光接收元件5010a到5010i经由相应的转移开关5040a到5040i连接到公共布线5061。根据本实施例的转移开关5040是P沟道MOSFET。

控制部5050用于控制开关5030到5040的断开与闭合，并且是地址解码器。类似脉冲的控制信号从控制部5050输出到各个开关5030到5040。控制信号包括用于控制重置开关5030的断开与闭合的重置信号，以及用于控制转移开关5040的断开与闭合的转移信号。这两个控制信号的脉冲周期与占空比相同，但其脉冲下降(上升)时序不同。

放大电路5060经由公共布线5061电连接到每一个光接收元件5010a到5010i，执行放大由来自各个光接收元件5010a到5010i的输出信号的相加而产生的加信号的功能，并将放大的加信号输出到外部。

接下来，将基于图30来说明光学传感器5100的操作。在图30中，为了避免复杂，仅示出输入到9个重置开关5030a到5030i的9个重置信号中的输入到三个重置开关5030a到5030c的三个重置信号。由于输入到9个转移开关5040a到5040i的9个转移信号相同，将它们共同示出为一个转移信号。

如上所述，重置开关5030和转移开关5040是P沟道MOSFET。因此，当将在低电压电平的信号(下文中称为Lo信号)输入到每一个重置开关5030时，光接收元件5010经由重置开关5030连接到地，存储在光接收元件5010中的电荷被重置。当Lo信号输入到每一个转移开关5040时，光接收元件5010经由转移开关5040连接到公共布线5061，存储在光接收元件5010中的电荷输出到公共布线5061。

如上所述，两个控制信号的脉冲周期和占空比相同，但其脉冲下降(上升)时序不同。由此得出结论，在每一个转移信号的一个脉冲周期中，存在电荷存储在光接收元件5010中所经历的两个时间。这两个时间是从转移信号的上升沿到重置信号的下降沿的第一存储时间，以及从重置信号的上升沿到转移信号的下降沿的第二存储时间。第一存储时间是从每一个转移开关5040从闭合状态转换为断开状态的时刻到重置开关5030从断开状态转换为闭合状态的时刻的时间段。第二存储时间是从重置开关5030从闭合状态转换为断开状态的时刻到转移开关5040从断开状态转换为闭合状态的时刻的时间段。

如图30所示，输入到各个转移开关5040a到5040i的转移信号彼此相同，但输入到各个重置开关5030a到5030i的重置信号的脉冲下降(上升)时序不同。因此，各个光接收元件5010a到5010i的总存储时间(第一存储时间与第二存储时间之和)彼此相等，但其第一存储时间与第二存储时间不同。

由于当Lo信号输入到每一个重置开关5030时，光接收元件5010经由重置开关5030连接到地，在第一存储时间期间存储的电荷被重置。结果，在第一存储时间期间存储的电荷没有输出到公共布线5061。相反地，由于当Lo信号输入到每一个转移开关5040时，光接收元件5010经由转移开关5040连接到公共布线5061，在第二存储时间期间存储的电荷输出到公共布线5061。因此，从每一个光接收元件5010a到5010i输出与取决于第二存储时间的电荷的量相对应的信号(增益调整的信号)。

如上所述，输入到各个转移开关5040a到5040i的转移信号相同。因此，将具有调整的增益的输出信号从各个光接收元件5010a到5010i同时输出到公共布线5061，并在公共布线5061中受到相加。由相加得到的信号输出到放大电路5060。注意，在图30中，各个光接收元件5010a到5010i的第二存储时间(第一存储时间)有所区别，并且来自各个光接收元件5010a到5010i的输出信号的增益比有所区别。

接下来，将说明光学传感器5100的操作/效果。如上所述，通过调整重置开关5030和转移开关5040的断开与闭合(第二存储时间)，可以调整从每一个光接收元件5010a到5010i输出到公共布线5061的电荷的量，即来自每一个光接收元件5010a到5010i的输出信号的增益。结果，与包括运算放大器和激光微调电阻器的电流－电压转换电路连接到每一个光接收元件，且激光微调电阻器的电阻值被调整的结构相比，可以调整来自每一个光接收元件5010a到5010i的输出信号的增益，同时抑制成本增加。

输入到各个转移开关5040a到5040i的转移信号相同。因此，来自各个光接收元件5010a到5010i的具有调整的增益的输出信号在公共布线5061中受到相加，从公共布线5061输出由相加得到的信号。这简化了光学传感器5100的电路结构，并抑制了成本增加。

在半导体基板5011的一个表面5011a侧形成光接收元件5010，并且限定部5020包括隔着透光膜5012在一个表面5011a上方形成的遮光膜5021以及在遮光膜5021中形成的开口5022。这样，限定部5020包括在半导体基板5011上形成的薄膜。因此，与在半导体基板上提供以开放窗口等形成的屏蔽板的结构相比，抑制了光学传感器5100的规模增大。

本实施例示出在半导体基板5011上形成9个光接收元件5010a到5010c的示例。然而，光接收元件5010的数量不限于前述示例中的数量，只要其数量不小于3即可。

如图29所示，本实施例示出透光膜5012处于一层，遮光膜5021处于一层的示例。然而，透光膜5012与遮光膜5021各自的层数不限于前述示例中的数量。例如，也可以采用透光膜5012处于两层中，遮光膜5021处于两层的结构。因此，如果在透光膜5012中以多层方式形成遮光膜5021，与在一层遮光膜5021中形成开口5022的结构相比，可以缩窄入射在半导体基板5011上的光的范围。这防止了从给定的一个开口5022入射的光入射在除了对应于给定开口5022的光接收元件5010以外的光接收元件5010上，并防止了来自每一个光接收元件5010的输出信号包括来自非预期的开口5022的光输出(干扰输出)。

在本实施例中，没有特别提及各个光接收元件5010a到5010i的光接收面积与相应开口5022的开口面积之间的关系。然而，例如，各个光接收元件5010a到5010i的光接收面积与相应开口5022的开口面积可以彼此相等或不同。可替换地，可以将对应于各个光接收元件5010a到5010i的开口5022的开口面积设定为彼此相等或不同。具体地，当对应于各个光接收元件5010a到5010i的开口5022的开口面积不同时，也可以以各个开口5022之间的开口面积比来有利地调整来自各个光接收元件5010a到5010i的输出信号的增益比。

本实施例示出重置信号和转移信号各自的占空比相同的示例。然而，其各自的占空比也可以不同。

本实施例示出重置开关5030与转移开关5040是P沟道MOSFET的示例。然而，作为重置开关5030和转移开关5040，也可以采用N沟道MOSFET。在此情况下，重置开关5030连接在光接收元件5010的阴极电极与电源之间，转移开关5040提供在光接收元件5010与电源之间的中点与公共布线5061之间。当每一个重置开关5030进入闭合状态时，电源电压施加到光接收元件5010，以重置存储在光接收元件5010中的电荷。注意，控制信号(重置信号与转移信号)的电压电平相反。

(第七实施例)

图31是示出光学传感器装置的示意性结构的电路图。图32是示出光接收元件的分布的顶视图。图33是沿图32的线XXXIII-XXXIII的截面图。图34是用于示出来自各自光接收元件、第一矩阵与第二矩阵的输出信号的概念图。图35和36是用于示出角度计算单元中的信号的时序图。在下文中，将沿着稍后说明的半导体基板6010的形成表面6010a延伸，并在车辆的前后之间通过车辆的方向示出为前后方向，将沿着形成表面6010a延伸并在车辆的左右之间通过车辆的方向示出为左右方向。将在平行于每一个光接收元件6020的光接收表面6020a的方向与光行进方向之间形成的角度示出为仰角，将围绕垂直于光接收表面6020a的垂直线的角度示出为光的左右角。

注意，在图32中，为了避免复杂，仅示出171个光接收元件6021a到6039i中的由数字6021a到6021i和6039a到6039i标记的光接收元件。另外，在图33中，为了清晰示出由开口6070限定的光的仰角，由实线示出经由开口6070入射在光接收元件6021a到6021i和6039a到6039i上的光。

如图31所示，光学传感器装置6020包括作为其主要部分的光学传感器6100、角度计算单元6110、和辐射量计算单元6180。光学传感器6100执行将入射在光学传感器装置6200(车辆)上的光转换为对应于光的入射角(仰角和左右角)和辐射的量的电信号的功能。角度计算单元6110执行基于来自光学传感器6100的输出信号来计算入射在光学传感器装置6200(车辆)上的光的角度的功能。辐射量计算单元6180执行基于来自光学传感器6100的输出信号和来自角度计算单元6110的输出信号来计算入射在光学传感器装置6200(车辆)上的光的辐射的量的功能。

如图32和33所示，光学传感器6100包括：半导体基板6010、光接收元件6020、透光膜6050、遮光膜6060和开口6070。在半导体基板6010上形成光接收元件6020。在形成光接收元件6020的表面6010a上形成透光膜6050。在透光膜6050中形成遮光膜6060。在遮光膜6060中，形成开口6070，经由开口6070，光入射在光接收元件6020上。

半导体基板6010形成为矩形，在其上不仅形成光接收元件6020，还形成构成角度计算单元6110和辐射量计算单元6180的电子元件(未示出)。这些电子元件经由在半导体基板6010中形成的布线图(未示出)电连接。

每一个光接收元件6020均用于将光转换为电信号，并且是具有PN结的光电二极管。光接收元件6020包括具有相同光接收面积的171个光接收元件6021a到6039i，和用于辐射量检测的一个光接收元件6040，该光接收元件6040的光接收面积大于每一个光接收元件6021a到6039i的光接收面积。光接收元件6021a到6039i和6040的布置是光学传感器装置6200的特性特征，因此稍后将详细说明。

透光膜6050由具有透光特性和绝缘特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括氧化硅SiO₂。遮光膜6060由具有遮光特性和导电特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括铝。在本实施例中，在透光膜6050中形成两层遮光膜6060。

开口6070用于限定入射在光接收元件6020的光接收表面6020a上的光的角度(仰角和左右角)。在本实施例中，在两层遮光膜6060的每一层中形成172个开口6070。入射在光接收表面6020a上的光的角度由开口6070和光接收元件6020的位置来确定。它们之间的具体位置关系是光学传感器装置6200的特性特征，因此稍后将详细说明。

如图31所示，角度计算单元6110包括开关6120、比较部6140、参考电压产生部6150、分布形成部6160和地址解码器6170。由于角度计算单元6110是光学传感器装置6200的特性特征，在此说明每一个组件6120到6170的示意性结构，稍后将说明其操作。

开关6120用于控制在光接收元件6020与比较部6140之间的电连接的断开与闭合。开关6120包括171个开关6121a到6139i。171个开关6121a到6139i中的一个布置在相应的一个光接收元件6021a到6039i与比较部6140之间。开关6120对应于第一开关。

比较部6140用于将来自每一个光接收元件6021a到6039i的输出信号的电压与阈值电压相比较。比较部6140是比较器，并且当从每一个光接收元件6021a到6039i输入到其的输出信号的电压高于阈值电压时输出Hi信号，当输入到其的输出信号的电压高低于阈值电压时输出Lo信号。

参考电压产生部6150包括参考电压电路6151，用于产生阈值电压；以及阈值调整电路6152，用于基于来自用于辐射量检测的光接收元件6040的输出信号，来控制由参考电压电路6151产生的阈值电压。阈值调整电路6152执行调整，以使得当来自用于辐射量检测的光接收元件6040的输出信号的值大于预定值时，增大阈值电压，当来自用于辐射量检测的光接收元件6040的输出信号的值低于预定值时，减小阈值电压。注意，当入射在光学传感器装置6020(车辆)上的光的仰角是90度时，预定值是从用于辐射量检测的光接收元件6040输出的信号的值的一半的值。

分布形成部6160用于形成矩阵，该矩阵具有来自光接收元件6020的输出信号的电压作为其元素，从而形成基于入射在光学传感器装置6200上的光的角度的来自光接收元件6020的输出信号的强度的分布。分布形成部6160包括触发器(flip-flop)6161、用于控制触发器6161与比较部6140之间的电连接的断开与闭合的转换开关6162，以及仰角/左右角处理部6163，该仰角/左右角处理部6163用于形成具有来自光接收元件6021a到6039i的输出信号的电压作为其元素的矩阵，并基于由该矩阵表示的分布来指定仰角和左右角。转换开关6162对应于第二开关。

每一个触发器6161均是RS触发器，其当没有从比较部6140向其输入Hi信号时，持续保持“0”标志，而当一旦向其输入Hi信号时，就持续保持“1”标志，直到向其输入用于将标志设定为“0”的重置信号。触发器6161包括19个第一触发器6164a到6164s，用于左右角检测；以及9个第二触发器6165a到6165i，用于仰角检测。转换开关6162包括对应于第一触发器6164a到6164s的19个第一转换开关6166a到6166s，以及对应于第二触发器6165a到6165i的9个第二转换开关6167a到6167i。19个第一转换开关6166a到6166s中的一个布置在第一触发器6164a到6164s中的相应一个与比较部6140之间。9个第二转换开关6167a到6167i中的一个布置在第二触发器6165a到6165i中的相应一个与比较部6140之间。

经由比较部6140，将来自具有光接收表面6020a的各个光接收元件6020输出信号连续输入至第一触发器6164a到6164s，其中，光以相同的左右角和不同的仰角入射在光接收表面6020a上。经由比较部6140，将来自具有光接收表面6020a的各个光接收元件6020的输出信号连续输入至第二触发器6165a到6165i，其中，光以相同的仰角和不同的左右角入射在光接收表面6020a上。

如图34所示，仰角/左右角处理部6163产生第一矩阵，该第一矩阵具有第一触发器6164a到6164s的标志作为其元素，并具有19行和一列，并产生第二矩阵，该第二矩阵具有第二触发器6165a到6165i的标志作为其元素，并具有一行和9列。于是，基于产生的第一和第二矩阵，仰角/左右角处理部6163指定输出最强输出信号的光接收元件6020。

地址解码器6170用于向每一个开关6120和转换开关6162输入断开/闭合信号。地址解码器6170还执行向每一个触发器6161输入重置信号的功能。

辐射量计算单元6180包括电流-电压转换电路6181，用于将来自用于辐射量检测的光接收元件6040的输出信号从电流转换为电压；以及辐射量处理部6182，用于基于来自电流-电压转换电路6181的输出信号和来自仰角/左右角处理部6163的输出信号(仰角/左右角信息)来计算光辐射的量。

接下来，将说明根据本实施例的光学传感器装置6200的特性特征和操作。如图32所示，171个光接收元件6021a到6039i布置在从用于辐射量检测的光接收元件6040的中心点C1(图32中所示的十字标记)径向延伸的多条虚拟线的每一条上(为避免复杂而未示出)，以径向地布置。另外，尽管未示出，对应于光接收元件6021a到6039i的开口6070也布置在虚拟线上，并且从对应于用于辐射量检测的光接收元件6040的开口6070，径向地布置171个开口6070。在本实施例中，19条虚拟线从中心点C1延伸，在19条虚拟线的每一条上布置9个光接收元件。布置在每一条虚拟线上的9个光接收元件的左右角相同，而光的仰角彼此不同。如图33所示，入射在布置于每一条虚拟线上的9个光接收元件的光接收表面上的光的仰角由相应的开口6070限定，以便随着距中心点C1的距离一次减小10度。由围绕中心点C1的相邻虚拟线形成的角为10度，入射在布置于每一条虚拟线上的9个光接收元件的光接收表面上的光的左右角与入射在布置于相邻于该虚拟线的虚拟线上的9个光接收元件的光接收表面上的光的左右角仅相差10度。如图32所示，在本实施例中，围绕中心点C1由从中心点C1向左延伸的第一虚拟线与从中心点C1向右延伸的第19条虚拟线形成的角为180度。提供该结构的目的在于检测从车辆前侧入射的光的角度。

在下文中，为了易于说明，将布置在第n(n是1到19的自然数)条虚拟线上的9个光接收元件示出为第n组光接收元件。此外，将形成第n组的9个光接收元件示出为的第k个光接收元件(k是1到9的自然数)，以使得其数量随着仰角减小而增大。另外，围绕中心点C1由第一虚拟线与任一其它虚拟线形成的角示出为左右角。根据前述定义，第n组光接收元件的左右角是10(n-1)度，第k个光接收元件的仰角是10(10-k)度。注意，布置在每一条虚拟线上的9个光接收元件形成权利要求范围表述的光接收元件组。在本实施例中，形成19个光接收元件组6021到6039。

接下来，将基于图34到36说明光学传感器装置6200的操作。图34中具有19行和9列的矩阵示出通过比较部6140的来自各个光接收元件6021a到6039i的输出信号。在第n行中提供来自第n组光接收元件的输出信号，在第k列中提供来自第k个光接收元件的输出信号。矩阵中示出的每一个“0”表示来自比较部6140的输出信号是Lo信号，矩阵中示出的每一个“1”表示来自比较部6140的输出信号是Hi信号。注意，在图34所示的示例中，13个元件为“1”，而其它158个元件为“0”。“1”的分布是围绕一个元件相对中心点对称的。这是因为入射在光学传感器装置6200上的光在对应于其入射角的光接收元件周围具有峰值。

图35示出输入到开关6120和第一转换开关6166的信号，以及来自第一触发器6164的输出信号(标志)。在图35中，代表性地示出输入到各个开关6121a到6121i和6122a以及各个第一转换开关6166a到6166b的信号，和来自各个第一触发器6164a到6164b的输出信号(标志)。

图36示出输入到开关6120和第二转换开关6167的信号，和来自第二触发器6165的输出信号(标志)。在图36中，代表性地，示出输入到各个开关6121a到6139a和6121b，以及各个第二转换开关6167a到6167b的信号，和来自各个第二触发器6165a到6165b的输出信号(标志)。

当光学传感器装置6200操作时，首先将重置信号从地址解码器6170输入到每一个触发器6161，并将触发器6161的标志设定为“0”。另外，由参考电压产生部6150确定阈值电压。

在输出重置信号后，地址解码器6170向第一转换开关6166a输入闭合信号，以将比较部6140电连接到第一触发器6164a，如图35所示。在保持比较部6140与第一触发器6164a之间的电连接的状态下，连续并单独地向对应于第一组光接收元件6021a到6021i的开关61621a到6121i输入闭合信号。结果，图34所示的19行和9列的矩阵中第一行所示的9个输出信号顺序输入到第一触发器6164a。如图35所示，作为每一个开关6121a到6121e转换到ON状态的结果，来自光接收元件6021a到6021e的输出信号顺序输入到第一触发器6164a。然而在此情况下，从比较部6140仅输出Lo信号，以使得第一触发器6164a的标志保持为“0”。然而，当开关6121f转换到ON状态时，从比较部6140输出Hi信号，并且第一触发器6164a的标志转换为“1”。第一触发器6164a保持该状态，直到向其输入重置信号。

随后，对对应于第2到第19组光接收元件6022a到6039i的开关6122a到6139i，以及对第一转换开关6166b到6166i连续执行上述的相同操作，从而将来自光接收元件6021a到6039i的输出信号输入至第一触发器6134a到6164s。即，将来自第n组光接收元件的输出信号顺序输入至对应于第一矩阵中第n行的元素的第一触发器6164。仰角/左右角处理部6163基于来自第一触发器6164a到6164s的各个标志(输出信号)产生第一矩阵。

此后，地址解码器6170向第二转换开关6167a输入闭合信号，以电连接比较部6140和第二触发器6165a。在保持比较部6140与第二触发器6165a之间的电连接的状态下，从地址解码器6170向对应于第一光接收元件6021a到6039a的开关61621a到6139a顺序输入闭合信号。结果，向第二触发器6165a顺序输入图4中所示的19行和9列的矩阵中的第一列中所示的19个输出信号。如图36所示，作为每一个开关6121a到6139a转换到ON状态的结果，向第二触发器6165a顺序输入来自光接收元件6021a到6039a的输出信号。然而在此情况下，仅从比较部6140输出Lo信号，以使得第二触发器6165a保持为“0”。

随后，对对应于第2到第9光接收元件6021b到6039i的开关6121b到6139i，以及对第二转换开关6167b到6167i连续执行上述的相同操作，从而将来自光接收元件6021a到6039i的输出信号输入至各个第二触发器6165a到6165s。即，向各对应于第二矩阵中第k行的元素的第二触发器6165顺序输入来自第一到第n组中的各个第k个光接收元件的输出信号。仰角/左右角处理部6163基于来自第二触发器6165a到6165i(的输出信号)的各个标志产生第二矩阵。

仰角/左右角处理部6163基于产生的第一和第二矩阵中“0”和“1”的分布，指定输出最强输出信号的光接收元件。具体地，仰角/左右角处理部6163指定第一和第二矩阵的每一个中“1”的排列中的位于正中的“1”所在的行和列，并从而指定最强输出信号的光接收元件。更具体地，仰角/左右角处理部6163将在各个第一和第二矩阵中示出的元素彼此相比较，从而计算“1”的排列(分布)的中心，并指定在对应于该行数与列数的位置的光接收元件。在指定后，仰角/左右角处理部6163向外部和辐射量处理部6182输出包括左右角和仰角的仰角/左右角信息。

如图34所示，在第一矩阵中所示的“1”的排列(分布)中，位于正中的“1”位于第三行，而在第二矩阵中所示的“1”的排列(分布)中，位于正中的“1”位于第六列。由此，可以见到输出最强输出信号的光接收元件是第三组中的第六个光接收元件6023f。入射在光接收元件6023f上的光的左右角是20度，其仰角是40度。因此，可以见到入射在光学传感器6100(车辆)上的光的左右角是20度，其仰角是40度。因此，从仰角/左右角处理部6163输出20度左右角和40度仰角的仰角/左右角信息。

辐射量处理部6182基于从仰角/左右角处理部6163输入到其的仰角/左右角信息，和从用于辐射量检测的光接收元件6040经由电流-电压转换电路6181输入到其的输出信号，来检测光辐射的量，并将其输出到外部。

接下来，将说明根据本实施例的光学传感器装置6200的操作/效果。如上所述，由具有相同的光的左右角和不同仰角的9个光接收元件形成19个光接收元件组6021到6039中的每一个。19个光接收元件组6021到6039各自的左右角不同。因此，入射在各个光接收元件6021a到6039i上的光的量不同，并且来自具有光以与入射在光学传感器装置6200(车辆)上的光的角度相等或与之最接近的角度入射在光接收表面上的光接收元件的输出信号最大。因此，通过将来自光接收元件6021a到6039i的输出信号的强度彼此进行比较，来指定输出最强输出信号的光接收元件。通过指定入射在所指定的光接收元件的光接收表面上的光的角度，可以检测入射在光学传感器装置6200(车辆)上的光的入射方向(仰角和左右角)。这提高了光的入射方向的检测精度。

在本实施例中，通过形成具有来自光接收元件6020的输出信号的电压的矩阵，形成了基于入射在光学传感器装置6200上的光的角度的来自光接收元件6020的光信号的强度的分布。

来自光接收元件6021a到6039i的输出信号包括一些噪声。因此，当来自光接收元件6021a到6039i的输出信号的强度简单地顺序相互比较时，会恶化光的角度的检测精度。相对地，在本实施例中，形成了基于入射在光学传感器装置6200上的光的角度的来自光接收元件6020的输出信号的强度的分布。这实现了即使在来自光接收元件6021a到6039i的每一个输出信号中包括噪声的情况下，也可以指定输出最强信号的光接收元件。这也防止了角度的检测精度恶化。另外，与来自光接收元件6021a到6039i的输出信号顺序地相互比较的情况相比，可以减小检测光的入射方向所需的时间。

在本实施例中，使用第一触发器6164a到6164s的标志作为其元素产生具有19行和1列的第一矩阵，使用第二触发器6165a到6165i的标志作为其元素产生具有1行和9列的第二矩阵。在这个结构中，矩阵元素的数量少于产生图34中所示的具有19行和9列的矩阵后，根据该矩阵中所示的“0”和“1”的分布检测光的入射角的结构中的。因此，可以简化用于检测光的入射角的算术运算。

取决于光辐射的量和外部环境(气候)，强度分布的大部分可以变为“1”或“0”，因此会难以检测光的入射角。然而，如本实施例所示的，通过基于来自用于辐射量检测的光接收元件6040的输出信号来调整阈值电压，可以防止强度分布的大部分变为“1”或“0”。这防止光的入射角的检测变得困难。

辐射量处理部6182基于来自仰角/左右角处理部6163的输出信号(仰角/左右角信息)和来自用于辐射量检测的光接收元件6040的经由电流-电压转换电路6181输入到其的输出信号来检测光辐射的量。在这个结构中，与仅基于来自用于辐射量检测的光接收元件6040的输出信号检测光辐射的量的结构相比，提高了光辐射的量的检测精度。

光接收元件6021a到6039i布置在从中心点C1径向延伸的19条虚拟线上，以径向布置。由对应于多个径向布置的光接收元件的各个开口限定的光的仰角随着距中心点C1的距离而减小。这实现了易于设计光接收元件6021a到6039i与角度计算单元6110之间的电连接。另外，由于指定为输出最强输出信号的光接收元件的位置示出光的仰角和左右角，容易识别光的仰角和左右角。

从中心C1，19条虚拟线延伸，并且由相邻虚拟线围绕中心点C1形成的角是10度。在每一条虚拟线上，布置9个光接收元件，以使得入射在光接收表面上的光的仰角随着距中心点C1的距离一次减小10度。这实现了在±5度的误差范围内检测光的左右角和仰角。

在透光膜6050中形成两层遮光膜6060。这防止了从给定的一个开口6070入射的光入射在除了对应于给定开口6070的光接收元件6020之外的光接收元件6020上。结果，防止了来自每一个光接收元件6021a到6039i的输出信号包括来自非预期的开口6070的光输出(干扰输出)。

本实施例已示出形成强度分布以检测光的入射角的示例。然而，也可以顺序地相互比较来自光接收元件6021a到6039i的输出信号，从而指定输出最强输出信号的光接收元件，并检测光的入射角。

本实施例已示出形成“0”和“1”的强度分布以检测光的入射角的示例。然而，也可以形成模拟信号的强度的分布，并检测光的入射角。

本实施例已示出使用具有19行和1列的第一矩阵以及具有1行和9列的第二矩阵来形成强度分布的示例。然而，也可以产生如图34所示的具有19行和9列的矩阵，并形成强度分布。应理解，第一矩阵和第二矩阵中各自的行数和各自的列数不限于上述示例中的数量。例如，也可以产生具有1行和19列的第一矩阵与具有9行和1列的第二矩阵。

本实施例已示出径向布置171个光接收元件6021a到6039i的示例。然而，光接收元件6021a到6039i的数量以及其布置不限于前述示例中的。如果要提高光的入射角的检测精度，可以适当地增大光接收元件的数量。作为多个光接收元件的布置，也可以使用网格状的结构。

本实施例已示出光接收元件6020包括用于辐射量检测的、光接收面积大于每一个光接收元件6021a到6039i的光接收面积的光接收元件6040的示例。然而，也可以采用光接收元件20不包括用于辐射量检测的光接收元件6040的结构。在此情况下，辐射量计算单元6180基于来自输出最强输出信号的光接收元件的输出信号(在第一实施例中，第三组中第六个光接收元件6023f的输出信号和入射在光接收元件6023f的光接收表面上的光的角度(20度的左右角和40度的仰角))，来计算光辐射的量。在这个结构中，与仅基于来自输出最强输出信号的光接收元件6023f的输出信号来检测光辐射的量的结构相比，提高了光辐射的量的检测精度。

本实施例已示出遮光膜6060处于两层中的示例。然而，遮光膜60的数量不限于前述示例中的数量，遮光膜6060的层数也可以为1或3或更多。

本实施例已示出由相邻虚拟线围绕中心点C1形成的角是10度的示例。然而，由相邻虚拟线围绕中心点C1形成的角不限于前述示例，也可以是例如5度。

本实施例已示出在每一条虚拟线上布置9个光接收元件，以使得入射在光接收表面上的光的仰角随着距中心点C1的距离一次减小10度的示例。然而，也可以采用在每一条虚拟线上布置9个光接收元件，以使得入射在光接收表面上的光的仰角随着距中心点C1的距离一次增大10度的结构。此外，布置在每一条虚拟线上的光接收元件的数量不限于前述示例中的数量。也可以采用例如，在其上布置18个光接收元件的结构。在此情况下，18个光接收元件布置在每一条虚拟线上，以使得入射在光接收表面上的光的仰角随着距中心点C1的距离一次增大或减小5度。

(第八实施例)

图37是示出根据第八实施例的光学传感器的示意性结构的方框图。图38是示出传感器部的示意性结构的平面图。图39是传感器部的截面图。图40是用于示出计算部的示意性电路图。注意，在图38中，为了清晰示出形成光接收元件7020的位置，由实线示出光接收元件7020，由虚线示出开口7041。另外，为了避免复杂，没有示出一些光接收元件7020和开口7041。此外，在图39中，由虚线示出连接光接收元件7020的中心与对应于各个光接收元件7020的开口7041的中心的虚拟线。注意，以下所示的仰角是由平行于每一光接收元件7020的光接收表面的线与光行进的每一方向(图39中的虚拟线)所形成的角，并且以下所示的左右角是围绕半导体基板7011的参考点(图38中所示的中心点P)的角。

如图37所示，光学传感器7100包括作为其主要部分的传感器部7010和计算部7050。如图38到40所示，传感器部7010包括半导体基板7011、光接收元件7020、透光膜7030和遮光膜7040，而计算部7050包括放大部7051和算术运算部7052。在半导体基板7011的一个表面侧形成光接收元件7020。在形成光接收元件7020的其表面7011a上形成透光膜7030。在透光膜7030上形成遮光膜7040。在遮光膜7040中形成用于光透射的开口7041，以使得光经由开口7041入射在光接收元件7020上。光接收元件7020和计算部7050电连接，由计算部7050处理来自光接收元件7020的输出信号。

半导体基板7011形成为矩形，并在其上形成上述的光接收元件7020和形成计算部7050的电子元件(未示出)。这些电子元件经由在半导体基板7011中形成的布线图(未示出)电连接。

每一光接收元件7020用于将光转换为电信号。根据本实施例的每一个光接收元件7020均是具有PN结的光电二极管。如图37到39所示，以矩阵形式形成多个光接收元件7020，由81个光接收元件7020形成具有9行和9列的矩阵。由两条交叉线(图38中示出为点划线的线)将具有9行和9列的矩阵分为四个光接收元件组21到24，交叉线包括沿着行数增大/减小的方向的一条(下文中称为行方向)和沿着列数增大/减小的方向的另一条(下文中称为列方向)，并在矩阵的中心点P交叉。形成第一光接收元件组7021的光接收元件7020的行数和列数每一个都较小，而形成第二光接收元件组7022的光接收元件7020的行数较大，而列数较小。另一方面，形成第三光接收元件组7023的光接收元件7020的行数较小，而列数较大，而形成第四光接收元件组7024的光接收元件7020的行数和列数每一个都较大。光接收元件组7021与7022共用行数不大于5的第五列中的光接收元件7020，而光接收元件组7023与7024共用行数不小于5的第五列中的光接收元件7020。此外，光接收元件组7021与7023共用列数不大于5的第五行中的光接收元件7020，而光接收元件组7022与7024共用行列数不小于5的第五行中的光接收元件7020。在图38中，为了避免复杂，仅准确示出第三光接收元件组7023和对应于形成第三光接收元件组7023的光接收元件7020的开口7041。

透光膜7030由具有透光特性和绝缘特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括氧化硅膜。如图39中所示，在形成表面7011a上形成一层透光膜7030。

遮光膜7040由具有遮光特性和导电特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括铝。如图39中所示，在透光膜7030上形成遮光膜7040，隔着透光膜7030在形成表面7011a上形成一层遮光膜7040。在遮光膜7040中形成对应于81个各自光接收元件7020的81个开口7041，并且每一个开口7041的开口面积与每一个光接收元件7020的光接收面积大体上相同。如图38所示，在本实施例中，沿着从中心点P径向延伸的虚拟线(未示出)在遮光膜7040中形成81个开口7041，以便距离相应的光接收元件7020更远。在每一个开口7041与对应于开口7041的光接收元件7020之间的空间间隔距离和中心点P与光接收元件7020之间的距离成比例。注意，遮光膜7040电连接到形成于半导体基板11中的布线图，以便还用作电连接各个电子元件的布线，尽管未示出。

计算部7050用于基于来自各个光接收元件7020的输出信号来计算入射在半导体基板7011上的光的仰角及其左右角。如图40所示，计算部7050具有四个放大部7051，用于放大来自各个光接收元件7020的输出信号；以及算术运算部7052，用于对来自放大部7051的输出信号执行算术运算，以计算入射在光学传感器7100上的光的量及其仰角和左右角。第一放大部7051a放大来自形成第一光接收元件组7021的各个光接收元件7020的输出信号，同时执行它们的相加。第二放大部7051b放大来自形成第二光接收元件组7022的各个光接收元件7020的输出信号，同时执行它们的相加。第三放大部7051c放大来自形成第三光接收元件组7023的各个光接收元件7020的输出信号，同时执行它们的相加。第四放大部7051d放大来自形成第四光接收元件组7024的各个光接收元件7020的输出信号，同时执行它们的相加。

当向其输入来自各个放大部7051a到7051d的输出信号时，算术运算部7052执行它们的相加，以通过算术运算确定入射光的量，同时将四个输出信号彼此比较，以大致计算光的入射方向。例如，可以见到，当来自第一光接收元件组7021的输出信号最大时，光入射以便从第一光接收元件组7021向中心点P行进，当来自第二光接收元件组7022的输出信号最大时，光入射以便从第二光接收元件组7022向中心点P行进。也可以见到，当来自第三光接收元件组7023的输出信号最大时，光入射以便从第三光接收元件组7023向中心点P行进，当来自第四光接收元件组7024的输出信号最大时，光入射以便从第四光接收元件组7024向中心点P行进。这样，算术运算部7052将四个输出信号(来自各个光接收元件组7021到7024的输出信号)彼此比较，从而大致计算光的入射方向。

沿着行方向入射在光接收元件组7021与7023上的光的量与沿着行方向入射在光接收元件组7022与7024上的光的量不同，沿着列方向入射在光接收元件组7021与7022上的光的量与沿着列方向入射在光接收元件组7023与7024上的光的量不同。因此，算术运算部7052基于来自光接收元件组7021与7022的输出信号或来自光接收元件组7023与7024的输出信号，计算光的左右角，并且基于来自光接收元件组7021与7023的输出信号或来自光接收元件组7022与7024的输出信号，计算光的仰角。

接下来，将说明根据本实施例的光学传感器7100的操作/效果。如上所述，每一光接收元件7020的光接收面积与相应的开口7041的开口面积大体上相同。因此，与一个开口对应于多个光接收元件，并且开口面积大于光接收面积的结构相比，缩窄了入射在每一个光接收元件7020的光接收表面上的光的角度范围(方向性)。结果，改进了每一个光接收元件7020的方向性特性，并提高了光的入射角的检测精度。

本实施例示出形成四个光接收元件组7021到7024的示例。然而，只要组的数量不小于3即是适当的。

本实施例示出在半导体基板7011上形成81个光接收元件的示例。然而，只要光接收元件7020的数量不小于3即是适当的，并不限于前述示例中的。

本实施例示出透光膜7030处于一层中，遮光膜7040处于一层中的示例。然而，透光膜7030与遮光膜7040各自的层数不限于前述示例中的数量。例如，也可以采用透光膜7030处于两层中，遮光膜7040处于两层中的结构。如果在透光膜7030中以多层方式形成遮光膜7040，与在一层遮光膜7040中形成开口7041的结构相比，可以缩窄入射在半导体基板7011上的光的范围。这防止了从给定的一个开口7041入射的光入射在除了对应于给定开口7041的光接收元件7020之外的光接收元件7020上，并防止了来自每一个光接收元件7020的输出信号包括干扰输出。

本实施例示出遮光膜7040由具有遮光特性和导电特性的材料制成的示例。然而，在半导体基板7011上形成的各个电子元件无需由遮光膜7040电连接的情况下，遮光膜7040也可以由具有光吸收特性的材料制成。

(第九实施例)

图41是示出光学传感器的示意性结构的电路图。图42是用于示出光接收元件和开口的布置的平面图。图43是沿图42的线XLIII-XLIII的截面图。图44是用于示出计算部的示意性结构的电路图。注意，在图42中，为了清晰示出形成光接收元件8010的位置，由实线示出光接收元件8010，由虚线示出开口8023。此外，在图43中，由虚线示出连接光接收元件8010的中心与对应于光接收元件8010的开口8023的中心的虚拟线。

在下文中，将沿着由多个光接收元件8010形成的矩阵的行的方向示出为左右方向，沿着其列的方向示出为前后方向。注意，以下所示的左侧是具有较小列数的一侧，以下所示的右侧是具有较大列数的一侧。此外，前侧是具有较小行数的一侧，后侧是具有较大行数的一侧。

如图41到43所示，光学传感器8100包括作为其主要部分的光接收元件8010、限定部8020、计算部8030、选择开关8040和控制部8050。光接收元件8010和计算部8030经由选择开关8040电连接。经由借助控制部8050而进入闭合状态的选择开关8040，来自光接收元件8010的输出信号输入到计算部8030。

每一光接收元件8010都用于将光转换为电信号，并且是具有PN结的光电二极管。如图42和43所示，在半导体基板8011的一个表面8011a侧形成28个光接收元件8010，以形成具有4行和7列的矩阵。在本实施例中，矩阵由分割线(图42中由双点划线示出的线)平分为第一光接收元件组8010a，由第一到第四列中的光接收元件8010形成；和第二光接收元件组8010b，由第四到第七列中的光接收元件8010形成。注意，在半导体基板8011上形成光学传感器8100的组件8030到8050，并经由在半导体基板8011中形成的布线图电连接，尽管未示出。

限定部8020均用于限定入射在28个光接收元件8010的光接收表面上的光的入射角，以使得光的入射角不同。如图43所示，每一个限定部8020均包括形成于一个表面8011a上的透光膜8021，形成于透光膜8021上的遮光膜8022，和形成于遮光膜8022中的用于投射光的开口8023。如图43中虚线所示的，连接各个光接收元件8010的光接收表面的中心与相应开口8023的中心的线的倾斜度不同，并且入射在各个光接收元件8010上的光的角度不同。透光膜8021由具有绝缘特性和透光特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括氧化硅SiO₂。遮光膜8022由具有遮光特性和导电特性的材料制成。具有这种特性的材料的示例包括铝。

如图42所示，在遮光膜8022中并沿着从位于第四行和第四列的光接收元件8010(参考点P)径向延伸的虚拟线(未示出)形成多个限定部8020，以距离相应的光接收元件8010更远。在每一个开口8023与对应于开口8023的光接收元件8010之间的空间间隔距离和参考点P与光接收元件8010之间的距离成比例。因此，在第一光接收元件组8010a中，容易检测从左侧入射的光，而难以检测从右侧入射的光。相反地，在第二光接收元件组8010b中，容易检测从右侧入射的光，难以检测从左侧入射的光。此外，在每一个光接收元件8010中难以检测从后侧入射的光，并且随着从第四列中的光接收元件8010的列数增大/减小，更加难以检测从前侧入射的光。如上所示，形成第一光接收元件组8010a的光接收元件8010易于检测从左侧入射的光，形成第二光接收元件组8010b的光接收元件8010易于检测从左侧入射的光，第四列中的光接收元件8010易于检测从前侧入射的光。

计算部8030基于来自光接收元件8010的输出信号来计算光的入射角。如图44所示，计算部8030包括两个放大部8031a和8031b，用于放大来自光接收元件组8010a和8010b的输出信号；以及算术运算部8032，用于对来自放大部8031a和8031b的输出信号执行算术运算，从而计算入射在光学传感器8100上的光的入射方向。第一放大部8031a放大来自形成第一光接收元件组8010a的各个光接收元件8010的输出信号，同时执行它们的相加。第二放大部8031b放大来自形成第二光接收元件组8010b的各个光接收元件8010的输出信号，同时执行它们的相加。

当向其输入来自各个放大部8031a与8031b的输出信号时，算术运算部8032执行它们的相加，以通过算术运算确定入射光的量，同时将两个输出信号彼此比较，以大致计算光的入射方向。例如，可以见到，当来自第一光接收元件组8010a的输出信号高于来自第二光接收元件组8010b的输出信号，光从左侧入射。还可以见到，相反地，当来自第二光接收元件组8010b的输出信号高于来自第一光接收元件组8010a的输出信号，光从右侧入射。通过这样将来自两个光接收元件组8010a和8010b的输出信号彼此比较，从而大致计算光的入射方向。

根据本实施例的算术运算部8032计算通过将来自第一光接收元件组8010a的输出信号除以来自两个光接收元件组8010a和8010b的输出信号的总和而获得的值，以及通过将来自第二光接收元件组8010b的输出信号除以来自两个光接收元件组8010a和8010b的输出信号的总和而获得的值，并确定这两个值之间的比率，以检测有多少光从左右方向中的每一个入射在光学传感器8100上。

选择开关8040用于控制光接收元件8010与计算部8030之间的连接的断开和闭合，并提供在各个光接收元件810与计算部8030之间。根据本实施例的选择开关8040是N沟道MOSFET。

控制部8050用于控制选择开关8040的断开和闭合，并且是地址解码器。控制部8050提供有诸如ROM的存储部，基于存储在存储部中的信息，可以确定向哪一个选择开关不断输出Hi电压电平上的信号，以及哪一个光接收元件8010电连接到计算部8040。根据其使用目的来确定存储部中的信息。例如，当要检测的光的由光接收元件8010的光接收表面与图43中示出为虚线的虚拟线所形成的角(仰角)较大时，仅将对应于第三到第五列中的光接收元件8010的选择开关8040恒久地保持于闭合状态，当要检测的光的上述角较小时，仅将对应于第一、第二、第六和第七列中的光接收元件8010的选择开关8040恒久地保持于闭合状态。这样，选择开关8040被选择为相对于分割线对称。如果以数值表达式来表示，其中n是1到4的自然数，m是1到3的自然数，则选择对应于第n行和第(4-m)列中的光接收元件8010的选择开关8040和对应于第n行和第(4+m)列中的光接收元件8010的选择开关8040。

接下来，将说明光学传感器8100的操作/效果。如上所述，经由选择开关8040电连接光接收元件8010与计算部8030，并且选择开关的断开与闭合由控制部8050控制。因此，即使当操作特别期望检测的光的角度时，基于其使用目的重写控制部8050的存储部中的信息即足够了。结果，与根据其使用目的再次产生限定部的结构相比，提高了通用性。

在半导体基板8011的一个表面8011a侧形成光接收元件8010，每一个限定部8020都由在一个表面8011a上方形成的多个薄膜8021与8022形成。因此，与在半导体基板上提供以开放窗口等形成的屏蔽板的结构相比，抑制了光学传感器8100的规模的增大。

本实施例示出在半导体基板8011上形成28个光接收元件8010的示例。然而，光接收元件8010的数量不限于前述示例中的数量。

本实施例示出以矩阵形式布置多个光接收元件8010的示例。然而，光接收元件8010的布置的示例不限于前述示例。例如，也可以采用以从参考点P径向延伸的虚拟线的形式布置光接收元件8010的结构。

如图42所示，本实施例示出在半导体基板8011上形成具有彼此相等的光接收面积的多个光接收元件8010。然而，也可以采用在半导体基板8011上形成用于检测入射光的量的光接收元件的光接收面积大于每一个其他光接收元件8010的光接收面积以检测入射光的量的结构。

如图42所示，本实施例示出透光膜8021处于一层中，遮光膜8022处于一层中的示例。然而，透光膜8021与遮光膜8022各自的层数不限于前述示例中的数量。例如，如图45所示，也可以采用透光膜8021处于两层中，遮光膜8022处于两层中的结构。如果这样在透光膜8021中以多层方式形成遮光膜8022，与在一层遮光膜8022中形成开口2023的结构相比，可以缩窄入射在半导体基板8011上的光的范围。这防止了从给定的一个开口8023入射的光入射在除了对应于给定开口8023的光接收元件8010以外的光接收元件8010上，并防止了来自每一个光接收元件8010的输出信号包括来自非预期的开口8023的光输出(干扰输出)。图45是示出限定部的可变形特性的截面图。

尽管参考优选实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于优选实施例及其结构。本发明旨在包括各种修改以及等价布置。另外，仅仅包括更大或更少数量的一个组件的优选或各种其他组合和形式也属于本发明的领域和范围内。

Claims (7)

1.一种光学传感器，包括：

多个光接收元件(1020)，布置在半导体基板(1010)的一个表面侧并将光转换为电信号；

遮光膜(1040)，隔着透光膜(1030)布置在所述半导体基板(1010)上的所述光接收元件(1020)上方；

用于透射光的多个开口(1041)，布置在所述遮光膜(1040)中并分别对应于所述光接收元件(1020)；以及

遮光部(1050)，

其中，每一个开口(1041)限定光的仰角，

其中，所述仰角是平行于对应光接收元件(1020)的光接收表面的线与光的行进方向之间的角，

其中，所述遮光部(1050)防止从对应于各自光接收元件(1020)的所述多个开口(1041)中的一个入射的光进入与所述各自光接收元件(1020)相邻的另一光接收元件(1020)中，以及

其中，所述遮光部(1050)布置在彼此相邻的所述开口(1041)之间的所述透光膜(1030)中，

其中，所述遮光部(1050)被布置以使得具有限定仰角的光通过开口(1041)仅进入对应的光接收元件(1020)中

其中，所述遮光部(1050)包括U形平面形状且围绕所述多个开口(1041)中的所述一个的遮光壁(1051)。

2.根据权利要求1所述的光学传感器，

其中，所述遮光壁(1051)从所述半导体基板(1010)的所述一个表面侧延伸并到达所述遮光膜(1040)。

3.根据权利要求2所述的光学传感器，

其中，所述遮光膜(1040)和所述遮光壁(1051)中的每一个具有导电特性。

4.根据权利要求1所述的光学传感器，

其中，所述遮光部(1050)具有光吸收膜(1052)，所述光吸收膜(1052)具有吸收光的特性，以及

其中，所述光吸收膜(1052)布置在所述遮光膜(1040)的表面上。

5.根据权利要求4所述的光学传感器，

所述光吸收膜(1052)布置在每一个所述开口(1041)的边缘上。

6.根据权利要求5所述的光学传感器，

其中，布置在每一个开口(1041)的所述边缘的所述遮光膜(1040)的端部沿着光的入射方向倾斜。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的光学传感器，

其中，所述遮光膜(1040)和所述透光膜(1030)中每一个具有多层结构，以及

其中，布置在每一层所述遮光膜(1040)中的开口(1041)限定所述仰角。