JP2009010331A

JP2009010331A - 暗電流補正を有する光検出器

Info

Publication number: JP2009010331A
Application number: JP2008090052A
Authority: JP
Inventors: Fam Hin Chen; ファーン・ヒン・チェン; Gim Eng Chew; ジム・エン・チュウ; Keat Tan Boon; ブーン・キート・タン
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-01-15
Also published as: DE102008015562A1; US7649220B2; CN101276827A; TWI357494B; US20080239321A1; TW200902952A; US7879641B2; CN100594612C; US20100302532A1

Abstract

【課題】暗電流に起因する最終的な信号への貢献を除去した広いダイナミックレンジの光検出器を提供する。
【解決手段】光検出器は、第１、第２、および第３のフォトダイオードと、第１および第２の色素フィルタ層とを有する基板を含む。第１、第２、および第３のフォトダイオードは、フォトダイオード出力信号をそれぞれ生成し、各フォトダイオード出力信号は、そのフォトダイオードに入射する光強度、および、光強度とは無関係な暗電流を示している。第１および第２の色素フィルタ層が第１および第２のフォトダイオード上にわたって位置する一方、第１および第２の色素フィルタ層の両方を有する層が第３のフォトダイオード上にわたって位置している。出力回路は、第１および第３のフォトダイオード出力信号を組み合わせて第１の補正出力信号を供給するとともに、第２および第３のフォトダイオード出力信号を組み合わせて第２の補正出力信号を供給する。
【選択図】図１

Description

多数の波長帯域の光の強度を測定する安価な光検出器は、数多くの装置において必要とされる。例えば、赤色、青色および緑色のＬＥＤを利用して特定の色であるとして知覚される光を生成する光源は、しばしば、劣化を補償するためにＬＥＤの出力を所定のレベルに維持するサーボループで光検出器を利用する。光検出器は、各ＬＥＤの出力を測定するために使用される。コントローラは、生成されるべき光の知覚色によって決定される目標値に測定された出力が維持されるように、各ＬＥＤへの平均電流を調整する。

光検出器の１つの一般に使用されるタイプにおいて、光検出器は、色素フィルタによって覆われるフォトダイオードを利用し、色素フィルタは、各フォトダイオードの応答を対応する波長帯域の光に制限する。様々なフォトダイオードからの信号は、各ＬＥＤの出力を表わす信号を供給するために処理される。各フォトダイオードからの信号は、入射光、色素の帯域通過フィルタ特性およびフォトダイオードに達する光の強度レベルとは無関係に存在する様々なバックグラウンド信号によって決定される。光に依存しない信号は、しばしば、「暗電流」と称される。暗電流によって生み出されるエラーは多くの用途で重要となり得る。そのため、暗電流を補正する方式が開発されてきている。また、暗電流に起因する最終的な信号への貢献を除去すると、光検出器のダイナミックレンジが高まり、そのため、大きな範囲の光強度にわたってＬＥＤを制御するために光検出器を使用することができる。

ある暗電流補正方式では、暗電流によって生み出されるエラーは、光が存在しないときにフォトダイオードの出力を測定した後にその測定信号値を光の存在下でフォトダイオードにより生成される信号から差し引くことによって除去される。この構成において、フォトダイオードは、構造が同一であり、各フォトダイオード上に位置する色素フィルタのタイプだけが異なっている。光検出器は、全ての光を遮る不透明層によって覆われる更なるフォトダイオードを含む。そして、このフォトダイオードからの信号は、様々な色素フィルタで覆われるフォトダイオードにより生成される信号から差し引かれる。しかしながら、この方式は、更なるフォトダイオード上にわたって不透明層を設けるために更なるマスキングステップが必要とされるため、フォトダイオードのコストを著しく増大させる。

本発明は、第１、第２、および第３のフォトダイオードと、第１および第２の色素フィルタ層とを有する基板を含む。第１、第２、および第３のフォトダイオードは第１、第２、および第３のフォトダイオード出力信号をそれぞれ生成し、各フォトダイオード出力信号は、そのフォトダイオードに入射する光強度、および、光強度とは無関係な暗電流を示している。第１の色素フィルタ層は、第１のフォトダイオード上にわたって位置するが第２のフォトダイオード上にわたって位置しておらず、第１の波長帯域の光を透過するとともに第２の波長帯域の光を透過しない。第２の色素フィルタ層は、第２のフォトダイオード上にわたって位置するが、第１のフォトダイオード上にわたって位置していない。第２の色素フィルタ層は、第２の波長帯域の光を透過するとともに、第１の波長帯域の光を透過しない。第１および第２の色素フィルタ層を含む層が第３のフォトダイオード上にわたって位置している。出力回路は、第１および第３のフォトダイオード出力信号を組み合わせて第１の補正出力信号を供給するとともに、第２および第３のフォトダイオード出力信号を組み合わせて第２の補正出力信号を供給する。本発明のある態様では、第１、第２、および第３のフォトダイオードは同じ暗電流を有する。

本発明がその利点を与える態様は、色素フィルタを利用する従来技術の光検出器の断面図である図１を参照して更に容易に理解され得る。光検出器２０は、一般に、４つのフォトダイオードがその上に製造されるダイ２１から構成されている。フォトダイオード２２〜２４は、色素フィルタ２５〜２７によって決定される３つの波長帯域の光の強度をそれぞれ測定するために使用される。フォトダイオード２８は、不透明層２９によって覆われており、暗電流を測定するために利用される。色素フィルタは、多数のマスキングステップおよび堆積ステップを必要とするフォトリソグラフィステップによって加えられる。層２９を加えるために同様のフォトリソグラフィステップが必要とされる。

ここで、本発明の一実施形態に係る光検出器の断面図である図２を参照する。フォトダイオード３０では、暗電流検出器２８を覆った不透明層が、フィルタ２５〜２７と同じ色素を利用する色素フィルタの積層体３１に置き換えられている。フォトダイオード２８からの信号は、不透明層２９を使用して既に測定された暗電流信号を与える。そのため、フォトダイオード２８からの信号を他のフォトダイオードのそれぞれによって生成された信号から差し引くことによって、暗電流に関してフォトダイオード信号を補正することができる。

ここで、本発明の別の実施形態に係るフォトダイオードの概略図である図３を参照する。フォトダイオード４０は、図２に示されたチップを利用して、３つの補正されたフォトダイオード信号４７〜４９を生成する。補正された信号は、減算回路４２〜４４を使用してフォトダイオード２８の出力をフォトダイオード２２〜２４の出力のそれぞれから差し引くことにより生成される。

本発明の前述した実施形態は、入射光が光スペクトルの視覚部分の光に制限されるものと仮定している。特に、前述した実施形態は、入射光がスペクトルの赤外線部分の光を欠いているものと仮定している。最も一般的に使用されるフォトダイオードは、スペクトルの赤外線部分の光に対して感度がよい。また、一般に使用される色素フィルタは、対象の波長帯域の光に加えて、スペクトルの赤外線部分の光を伝える。

各色素フィルタがスペクトルの赤外線領域を本質的に透過する場合、図３に示される装置は、入射光の任意の赤外線も補正する。この場合、各光検出器からの信号は、赤外線の大きさに等しい大きさを有する成分も含む。フォトダイオードの全てが同一であると想定しているため、積層された色素フィルタを有するフォトダイオードからの信号の減算も、入射光の赤外線成分に関して信号を補正する。色素フィルタが赤外光を部分的に減じる場合、図３に示される実施形態によって行なわれる補正は、入射光の赤外線成分の一部だけを補正する。しかしながら、該補正は、暗電流を測定するために使用されるフォトダイオードを覆う不透明層を利用することによって行なわれる補正よりも依然として良好である。

なお、本発明で利用される暗電流補正フィルタは、他の帯域通過色素フィルタを堆積させるために使用される製造ステップよりも多い任意の新たな製造ステップを必要としない。例えば、リソグラフィ堆積方式において、各フォトダイオードには、他のフォトダイオードをマスキングした後に当該フォトダイオード上にわたって色素を堆積させることにより色素フィルタが設けられる。そして、マスクが除去され、次のフォトダイオードを除く全てを覆う新たなマスクが導入される。そして、マスキングされていない層上にわたって色素の層が堆積される。該プロセスは、各フォトダイオードがそのフォトダイオードに対応する色素で覆われるまで繰り返される。本発明の暗電流フィルタは、他の色素層を堆積させるために使用される各堆積ステップ中に当該フォトダイオード上の領域をマスキングしないままにすることによって、帯域通過フィルタと同時に構成することができる。そのため、新たなマスクおよび堆積ステップを使用する必要がない。

本発明の一実施形態では、色素は、光検出器を構成するために通常利用される赤色素、青色素、および、緑色素である。そのようなフィルタは、デジタルカメラで使用される撮像アレーにおいて使用されるため、ここでは詳しく説明しない。

本発明の前述した実施形態は、暗電流信号を生成するために使用されるフォトダイオードをシールドするために使用される不透明層を構成するために、他のフォトダイオードに対して加えられる層の全てを有する色素積層体を利用する。しかしながら、色素フィルタの全ての組よりも少ない色素フィルタを使用することもできる。例えば、幾つかの場合において、青色帯域通過フィルタと赤色帯域通過フィルタとの組み合わせは、下側に位置する光検出器の必要なシールドを行なうために十分に不透明となり得る。この更に制限されたフィルタの積層体は、厚い積層体を維持する課題に起因して更に厚い色素フィルタ全部の積層体を利用することができない場合に有益である。例えば、フィルタの厚い積層体は、温度サイクル中に剥離してしまう可能性がある。

なお、フィルタ層のそのような制限された積層体は、依然として、新たなマスキングステップ及び／又は新たな堆積ステップを何ら伴うことなく設けることができる。例えば、緑色素フィルタがフィルタ積層体から省かれるべき場合を考える。緑色素の堆積は３つのステップを含む。第１のステップは、最終的な光検出器において緑色素により覆われるべきでない領域上にわたってパターン化されたマスクを堆積させる。第２のステップでは、色素が堆積され、最後に、第３のステップにおいてマスクが除去される。積層体から緑色素が排除されるべき場合、パターン化されたマスクは、該マスクが暗電流フォトダイオードの上側の領域上にわたって延在するようにセットされる。

本発明の前述した実施形態は、暗電流検出フォトダイオードと帯域通過検出フォトダイオードとの両方において構造が同一なフォトダイオードを利用する。しかしながら、フォトダイオードが異なる寸法を有する実施形態を利用することもできる。例えば、フォトダイオードは、フォトダイオードのうちの１つの面積の整数倍の面積を有することができる。そのような場合、帯域通過検出フォトダイオードにおける暗電流に対する暗電流検出フォトダイオードにおける暗電流の比率は既知である必要がある。そして、暗電流検出フォトダイオードからの出力は、異なる構造を成すために適切な増幅器または減衰器を用いてスケーリングすることができる。ここで、本発明の他の実施形態に係るフォトダイオードの概略図である図４を参照する。フォトダイオード５０は、フォトダイオード２８が残りのフォトダイオードとは異なる構造を有するフォトダイオード５８に置き換えられている点において、前述したフォトダイオード４０とは異なっている。この場合、フォトダイオード５８は、残りのフォトダイオードの暗電流とは異なる暗電流を有するが、フォトダイオード５８の暗電流は所定の値を有する。そのため、フォトダイオード５８からの暗電流は、適切な増幅器または減衰器を利用してフォトダイオード５８の出力をスケーリングした後にその出力を他のフォトダイオードのそれぞれの出力から差し引くことにより、他のフォトダイオードの暗電流を補正するために依然として利用することができる。このスケーリング動作は増幅器５１〜５３によって行なわれる。増幅器５１〜５３が１未満の利得を有することができること、すなわち、増幅器５１〜５３が減衰器となり得ることは言うまでもない。

以上の説明は、様々な帯域の波長の光を色素層が「透過する」および「透過しない」ことに言及している。理想的には、透明層が関連波長帯域の光において１００％の透過率を有するとともに、不透明層が関連波長帯域の光において０％の透過率を有する。しかしながら、部分的に透明または部分的に不透明な色素のみを利用することができるとともに、当該色素が特定の用途において従来技術の光検出器よりも優れた光検出器を依然として形成できることは言うまでもない。したがって、用語「透明層」は、層が不透明であると言われている帯域で何らかの透過率を有する場合であっても層が不透明であると言われている帯域の光の存在下で層の下側のフォトダイオードが関連波長帯域の光を測定できるようにする十分な透過率を有する層を含むように規定される。特に、用語「透明層」は、６０パーセントよりも大きい透過率を有する層を含む。同様に、用語「不透明層」は、３０パーセント未満の透過率を有する層を含むように規定される。

本発明の様々な改良は、前述の説明および添付図面から当業者にとって明らかとなるであろう。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

色素フィルタを利用する従来技術の光検出器の断面図である。本発明の１つの実施形態に係る光検出器の断面図である。本発明の他の実施形態に係るフォトダイオードの概略図である。本発明の他の実施形態に係るフォトダイオードの概略図である。

Claims

第１、第２、および第３のフォトダイオード出力信号をそれぞれ生成する第１、第２、および第３のフォトダイオードを有する基板であって、各フォトダイオード出力信号がそのフォトダイオードに入射する光強度を示す基板と、
前記第１のフォトダイオード上にわたって位置するが前記第２のフォトダイオード上にわたって位置しない第１の色素フィルタ層であって、第１の波長帯域の光を透過するとともに第２の波長帯域の光を透過しない第１の色素フィルタ層と、
前記第２のフォトダイオード上にわたって位置するが前記第１のフォトダイオード上にわたって位置しない第２の色素フィルタ層であって、前記第２の波長帯域の光を透過するとともに前記第１の波長帯域の光を透過しない第２の色素フィルタ層と、
前記第１および第２の色素フィルタ層を含み、前記第３のフォトダイオード上にわたって位置する層と、
前記第１および第３のフォトダイオード出力信号を組み合わせて第１の補正出力信号を供給するとともに、前記第２および第３のフォトダイオード出力信号を組み合わせて第２の補正出力信号を供給する出力回路と
を含んでなる光検出器。
前記出力回路は、前記第３のフォトダイオード出力信号の倍数である信号を前記第１および第２のフォトダイオード出力信号から差し引く、請求項１に記載の光検出器。
前記第１、第２、および第３のフォトダイオードは、前記フォトダイオードのうちの１つの面積の整数倍である面積を有している、請求項１に記載の光検出器。
第４のフォトダイオードと、前記第４のフォトダイオード上にわたって位置するが前記第１および第２のフォトダイオード上にわたって位置しない第３の色素フィルタ層とを更に含み、前記第４のフォトダイオードは、前記第４のフォトダイオードに入射する光強度とその光強度に無関係な暗電流とを示す第４のフォトダイオード出力信号を生成し、前記出力回路は、前記第３および第４のフォトダイオード出力信号を更に組み合わせて第３の補正出力信号を供給する、請求項１に記載の光検出器。
前記第３の補正出力信号が前記暗電流に関して補正される、請求項４に記載の光検出器。
前記第３の色素層も前記第３のフォトダイオード上にわたって位置している、請求項４に記載の光検出器。
前記フォトダイオードのそれぞれは、前記フォトダイオードによって受けられる光が存在しないときに暗電流を生成し、前記第１および第２の出力信号は、前記第１および第２のフォトダイオード出力信号ほど該暗電流に依存していない、請求項１に記載の光検出器。
複数のスペクトル帯域のそれぞれにより光信号の光強度を決定するための方法であって、
第１、第２、および第３のフォトダイオード出力信号をそれぞれ生成する第１、第２、および第３のフォトダイオードを設けるステップであって、各フォトダイオード出力信号がそのフォトダイオードに入射する光強度を示している、第１、第２、および第３のフォトダイオードを設けるステップと、
前記第１のフォトダイオード上にわたって位置するが前記第２のフォトダイオード上にわたって位置しない第１の色素フィルタ層を設けるステップであって、第１の波長帯域の光を透過するとともに第２の波長帯域の光を透過しない第１の色素フィルタ層を設けるステップと、
前記第２のフォトダイオード上にわたって位置するが前記第１のフォトダイオード上にわたって位置しない第２の色素フィルタ層を設けるステップであって、前記第２の波長帯域の光を透過するとともに前記第１の波長帯域の光を透過しない第２の色素フィルタ層を設けるステップと、
前記第１および第２の色素フィルタ層を含み、前記第３のフォトダイオード上にわたって位置する層を設けるステップと、
前記第１および第３のフォトダイオード出力信号を組み合わせて前記第１の波長帯域の前記光強度の推定値を供給するとともに、前記第２および第３のフォトダイオード出力信号を組み合わせて前記第２の波長帯域の前記光強度の推定値を供給するステップと
を含んでなる方法。
前記第１、第２、および第３のフォトダイオードは、前記フォトダイオードのうちの１つの面積の整数倍である面積を有している、請求項８に記載の方法。
第４のフォトダイオードと、前記第４のフォトダイオード上にわたって位置するが前記第１および第２のフォトダイオード上にわたって位置しない第３の色素フィルタ層とを設けるステップを更に含み、前記第４のフォトダイオードは、前記第４のフォトダイオードに入射する光強度とその光強度に無関係な暗電流とを示す第４のフォトダイオード出力信号を生成し、前記第３の色素層が第３の波長帯域を透過し、前記第３および第４のフォトダイオード出力信号を更に組み合わせて前記第３の波長帯域の前記光強度の推定値を供給する、請求項８に記載の方法。
前記第３の波長帯域の前記光強度の前記推定値が前記暗電流に関して補正される、請求項１０に記載の方法。
前記第３の色素層も前記第３のフォトダイオード上にわたって位置している、請求項１０に記載の方法。
前記フォトダイオードのそれぞれは、前記フォトダイオードによって受けられる光が存在しないときに暗電流を生成し、前記第１および第２の波長帯域の前記光強度の前記推定値は、前記第１および第２のフォトダイオード出力信号ほど該暗電流に依存していない、請求項８に記載の方法。
第１、第２、および第３のフォトダイオード出力信号をそれぞれ生成する第１、第２、および第３のフォトダイオードを有する基板を設けるステップであって、各フォトダイオード出力信号がそのフォトダイオードに入射する光強度を示している基板を設けるステップと、
前記第１のフォトダイオード上および前記第３のフォトダイオード上にわたって位置するが前記第２のフォトダイオード上にわたって位置しない第１の色素フィルタ層を堆積させるステップであって、第１の波長帯域の光を透過するとともに第２の波長帯域の光を透過しない第１の色素フィルタ層を堆積させるステップと、
前記第２のフォトダイオード上および前記第３のフォトダイオード上にわたって位置するが前記第１のフォトダイオード上にわたって位置しない第２の色素フィルタ層を堆積させるステップであって、前記第２の波長帯域の光を透過するとともに前記第１の波長帯域の光を透過しない第２の色素フィルタ層を堆積させるステップと
を含んでなる、光検出器の製造方法。
前記基板は、前記第１および第３のフォトダイオード出力信号を組み合わせて第１の補正出力信号を供給するとともに、前記第２および第３のフォトダイオード出力信号を組み合わせて第２の補正出力信号を供給する出力回路を更に含む、請求項１４に記載の方法。
前記第１、第２、および第３のフォトダイオードは、前記フォトダイオードのうちの１つの面積の整数倍である面積を有している、請求項１４に記載の方法。
前記基板は、第４のフォトダイオードと、前記第４のフォトダイオード上にわたって位置するが前記第１および第２のフォトダイオード上にわたって位置しない第３の色素フィルタ層とを更に含み、前記第４のフォトダイオードは、前記第４のフォトダイオードに入射する光強度とその光強度に無関係な暗電流とを示す第４のフォトダイオード出力信号を生成し、前記出力回路は、前記第３および第４のフォトダイオード出力信号を更に組み合わせて第３の補正出力信号を供給する、請求項１５に記載の方法。
前記第３の補正出力信号が前記暗電流に関して補正される、請求項１７に記載の方法。
前記第３の色素層も前記第３のフォトダイオード上にわたって位置している、請求項１７に記載の方法。
前記フォトダイオードのそれぞれは、前記フォトダイオードによって受けられる光が存在しないときに暗電流を生成し、前記第１および第２の出力信号は、前記第１および第２のフォトダイオード出力信号ほど該暗電流に依存していない、請求項１４に記載の方法。