JP2009238944A - 照度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】人間の視感度特性に近い分光感度特性を持ち、検出精度が高く、しかも低コストで作製可能な照度センサを提供する。
【解決手段】可視光領域にピーク感度を有するフォトダイオード１１と、第１のフォトダイオード１１とは異なる波長にピーク感度を有する第２のフォトダイオード１２と、第１のフォトダイオード１１が流す第１の光電流に係数を乗じる乗算手段１３と、乗算手段１３の出力信号から第２のフォトダイオード１２の流す第２の光電流を減じる減算手段１４と、減算手段１４の減算結果が正の場合に該減算結果を出力し、減算手段１４の減算結果が正でない場合に、該減算結果を遮断するリミッタ手段１５と、リミッタ手段１５の出力信号を増幅し、光強度信号として出力する信号増幅手段１６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、可視光の強度を検出する照度センサに関する。

人間の可視光は、３８０〜７８０ｎｍの光であり、このうち４４０〜７００ｎｍ程度が主な感知波長領域である。しかし、光の色(波長)によって同じパワーを持つ光でも、人間は明るく感じたり暗く感じたりする。この色ごとに人間が強く感じる明るさを相対的に示したものが比視感度特性であり、波長が５００〜６００ｎｍの緑色付近にピークを持っている。
表示デバイスのバックライト制御用の照度センサ等では、人間の視感度特性に近い分光感度特性を持つものが望まれている。

可視光の強度を検出する照度センサには、フォトダイオードが用いられるが、フォトダイオードの分光感度特性は、人間の視感度特性とは異なる。そのため、人間の視感度特性に近づけるために、フォトダイオードの表面に光学フィルタや多層反射膜を設けたり、照度センサにアモルファスＳｉのフォトダイオードを使用していた。

しかしながら、光学フィルタ等をフォトダイオードに付けると、コストが上昇する。また、アモルファスＳｉのフォトダイオードは、ガラスに蒸着する工程が必要となり、一般的な製造工程では作れず、設備投資が必要になるなどの問題があった。

これに対し、特許文献１に示される半導体光検出装置では、３個の感度特性の異なるフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３を基板に形成し、そのうちのＰＤ１，ＰＤ２に流れる電流の差を求め、その差に相当する信号を光の強度検出結果として出力している。
特開２００６−１４８０１４号公報

前述のように、光学フィルタ等をフォトダイオードに付けると、コストが上昇する。また、アモルファスＳｉのフォトダイオードは、一般的製造工程では作製できない。また、特許文献１に示される半導体光検出装置では、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に流れる電流が同程度となるように演算を行い、光の強度検出結果としているが、検出結果の分光感度特性の長波長側が依然人間の視感度特性に対してずれている。また、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の感度特性の差が、負となる波長領域がある場合、フォトダイオードの検出精度が劣化し、装置の誤動作の原因となる。

本発明は、以上のような問題点を解決し、人間の視感度特性に近い分光感度特性を持ち、検出精度が高く、しかも低コストで作製可能な照度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の観点に係る照度センサは、
可視光領域にピーク感度を有する第１のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードとは異なる波長にピーク感度を有する第２のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードが流す第１の光電流及び前記第２のフォトダイオードが流す第２の光電流を入力し、それらのいずれか一方或いは両方に係数を乗じて電流量調整を行う乗算手段と、
前記乗算手段の出力する電流量調整された第１の光電流から該乗算手段の出力する電流量調整された第２の光電流を減じる減算手段と、
前記減算手段の減算結果が正の場合に該減算結果を出力し、前記減算手段の減算結果が正でない場合に、該減算結果を遮断するリミッタ手段と、
前記リミッタ手段の出力信号を増幅し、光強度信号として出力する増幅手段と、
を備えることを特徴とする。

なお、前記第２のフォトダイオードのピーク感度は、前記第１のフォトダイオードのピーク感度よりも長波長側にあってもよい。

また、当該照度センサにおける暗電流を検出する暗電流検出手段と、
前記暗電流に対応する信号を前記リミッタ手段の出力信号から減算する暗電流補正手段とを設けてもよい。

この場合、前記暗電流検出手段は、
前記第１のフォトダイオードと同じピーク感度を有する第３のフォトダイオードと、
前記第２のフォトダイオードと同じピーク感度を有する第４のフォトダイオードと、
前記第３のフォトダイオードが流す第３の光電流及び前記第４のフォトダイオードが流す第４の光電流を入力し、それらのいずれか一方或いは両方に係数を乗じて電流量調整を行う暗電流乗算手段と、
前記暗電流乗算手段の出力する電流量調整された第３の光電流から該暗電流乗算手段の出力する電流量調整された第４の光電流を減じる暗電流減算手段と、
前記暗電流減算手段の減算結果が正の場合に該減算結果を出力し、前記暗電流減算手段の減算結果が正でない場合に、該減算結果を遮断する暗電流リミッタ手段と、を備えてもよい。

また、前記第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードは、半導体基板に形成され、
前記半導体基板には、赤外領域にピーク感度を持ち、前記第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードの側方或いは下方に配置されると共に、電源とグランドとの間を接続する第５のフォトダイオードが形成されていてもよい。

本発明は、人間の視感度特性に近い分光感度特性を持ち、検出精度が高く、しかも低コストで作製可能な照度センサを提供することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る照度センサ１０を示す構成図である。
この照度センサ１０は、第１のフォトダイオード（ＰＤ）１１と、第２のフォトダイオード１２と、乗算手段１３と、減算手段１４と、リミッタ手段１５と、信号増幅手段（ＡＭＰ）１６とを備える。

図２は、フォトダイオード１１，１２の光の感度特性を示す図である。
フォトダイオード１１は、図２のように、可視光領域の例えば波長５５０ｎｍの近傍の光にピーク感度を持つ。フォトダイオード１２は、フォトダイオード１１よりも長波長側の波長８２０ｎｍの近傍の光にピーク感度を持つ。
乗算手段１３は、フォトダイオード１１の流す光電流Ｉｐｄ１をフォトダイオード１２の流す光電流Ｉｐｄ２のｍ倍にする機能を有する。
減算手段１４は、ｍ倍のＩｐｄ１からＩｐｄ２を減算（ｍ＊Ｉｐｄ１−Ｉｐｄ２）する手段である。

リミッタ手段１５は、減算手段１４の減算結果が負になったときには、それを遮断する手段である。信号増幅手段１６は、リミッタ手段１５から与えられた信号を増幅する手段である。

図３は、係数ｍの決め方の説明図であり、第１のフォトダイオード１１の感度と、比視感度特性が示されている。
フォトダイオード１１の感度特性は、長波長側が比視感度特性に対して大きく相違している。この相違している部分の面積（斜線部）が、減算手段１４による減算で消去できるように、係数ｍを設定する。
なお、図１では、乗算手段１３が光電流Ｉｐｄ１に係数ｍを乗じ、減算手段１４が、ｍ倍のＩｐｄ１からＩｐｄ２を減算する形態をとっているが、乗算手段１３は、光電流Ｉｐｄ１，Ｉｐｄ２をフォトダイオード１１，１２の感度特性に応じた比に調整することを目的とするものであり、別の形態でもよい。即ち、光電流Ｉｐｄ２に係数を乗じて、光電流Ｉｐｄ１，Ｉｐｄ２の比を調整し、調整後にＩｐｄ１から係数倍された光電流Ｉｐｄ２を減算する構成でもよい。また、光電流Ｉｐｄ１，Ｉｐｄ２の両方に係数を乗じて、光電流Ｉｐｄ１，Ｉｐｄ２の比を調整し、係数の乗じられた光電流Ｉｐｄ１から係数の乗じられた光電流Ｉｐｄ２を減ずる構成でもよい。

図４は、減算処理を示す説明図である。
減算手段１４による減算を行うと、例えば図４のように、減算結果が負の値となる波長がある。このような波長の光が入射されて、検出信号中に内在すると、検出精度が悪くなる。リミッタ手段１５は、減算結果が負になる場合にそれを遮断する。

図５は、リミッタ手段１５の出力信号を示す図である。
リミッタ手段１５の出力信号は、図５のように、比視感度特性に近似している。即ち、人間の視感度特性に近い感度を持つことになる。

図６は、照度センサ１０の回路例を示す図である。
図６に示す照度センサ１０では、フォトダイオード１１のカソード及びフォトダイオード１２のカソードが電源に接続されている。
フォトダイオード１２のアノードには、ＮＰＮ型トランジスタ２１のベース及びＮＰＮ型トランジスタ２２のコレクタが接続されている。フォトダイオード１１のアノードは、ＮＰＮ型トランジスタ２３のコレクタに接続されている。

トランジスタ２１のコレクタは、電源に接続され、トランジスタ２１のエミッタが抵抗２４の一端とトランジスタ２２のベースとトランジスタ２３のべースとに接続されている。抵抗２４の他端は、グランドに接続されている。

トランジスタ２２のエミッタは、抵抗２５の一端に接続され、抵抗２５の他端は、グランドに接続されている。トランジスタ２３のエミッタには、抵抗２６の一端が接続され、抵抗２６の他端は、グランドに接続されている。抵抗２５の抵抗値は、抵抗２６の抵抗値のｍ倍になっており、トランジスタ２１，２２，２３及び抵抗２４，２５，２６からなる回路が、図１の乗算手段１３，減算手段１４及びリミッタ手段１５を形成している。トランジスタ２３のコレクタの電流は、フォトダイオード１１，１２の光電流Ｉｐｄ１，Ｉｐｄ２に対して、（Ｉｐｄ１−Ｉｐｄ２／ｍ）に相当する電流になる。

トランジスタ２３のコレクタには、更に、ＰＮＰ型トランジスタ２７のベース及びＰＮＰ型トランジスタ２８のコレクタが接続されている。トランジスタ２７のコレクタはグランドに接続され、トランジスタ２７のエミッタがトランジスタ２８のベース、ＰＮＰ型トランジスタ２９のベース及び抵抗３０の一端に接続されている。

抵抗３０の他端は、電源に接続されている。トランジスタ２８のエミッタは、抵抗３１の一端に接続され、抵抗３１の他端は、電源に接続されている。トランジスタ２９のエミッタは抵抗３２の一端に接続され、抵抗３２の他端は、電源に接続されている。

トランジスタ２９のコレクタには、抵抗３３の一端と、コンデンサ３４の一方の電極とが接続されている。抵抗３３の他端はグランドに接続されている。コンデンサ３４の他方の電極はコンデンサ３５の一方の電極に接続され、コンデンサ３５の他方の電極は、グランドに接続されている。コンデンサ３４とコンデンサ３５の接続点が照度センサ１０の出力端子になり、光検出信号を出力する。

トランジスタ２７，２８，２９は、図１の信号増幅手段１６を形成し、図１の信号増幅手段１６の増幅率は、抵抗３１の抵抗値と抵抗３２の抵抗値とで設定される。

以上の本実施形態の照度センサ１０では、比視感度特性に近い感度特性を持つ照度センサを形成できると共に、光学フィルタ等をフォトダイオード１１，１２に付ける必要がないので、コストを低く抑えることが可能である。また、アモルファスＳｉのフォトダイオードを用いる必要がないので、一般的製造工程で作製可能である。更に、感度特性の異なるフォトダイオード１１，１２から演算によって比視感度特性に近い分光特性を得る場合に、感度が負となる領域が発生する場合でも、その負の感度領域をリミッタ手段１５が遮断するので、誤動作の危険性を低くすることができる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る照度センサ４０を示す構成図であり、図１中の要素と共通する要素には、共通の符号を用いている。
前述の第１の実施形態の照度センサ１０では、照度センサに光が当たっていない状態のときのリークや温度特性の影響を考慮していなかったが、暗い状態でも、フォトダイオード１１，１２には暗電流が流れ、リークや温度特性によって光の検出結果に悪影響を及ぼす可能性がある。

図７の照度センサ４０は、暗電流の影響を低減したものであり、図１の照度センサ１０に暗電流検出回路５０と暗電流補正手段６０とを追加したものである。
フォトダイオード１１、フォトダイオード１２、乗算手段１３、減算手段１４、及びリミッタ手段１５は、第１の実施形態と同様に動作する。
暗電流検出回路５０は、第３のフォトダイオード５１と、第４のフォトダイオード５２と、暗電流乗算手段５３と、暗電流減算手段５４と、暗電流リミッタ手段５５とを備える。

フォトダイオード５１は、フォトダイオード１１と同じ波長にピーク感度を有する。フォトダイオード５２は、フォトダイオード１２と同じ波長にピーク感度を有する。

暗電流乗算手段５３は、フォトダイオード５１の流す暗電流Ｉｐｄ３をフォトダイオード５２の流す暗電流Ｉｐｄ４のｍ倍にする手段であり、暗電流Ｉｐｄ３に係数のｍを乗じるか、或いは暗電流Ｉｐｄ４に係数１／ｍを乗じる。
暗電流減算手段５４は、ｍ倍のＩｐｄ３からＩｐｄ４を減算（ｍ＊Ｉｐｄ３−Ｉｐｄ４）する手段である。

暗電流リミッタ手段５５は、暗電流減算手段５４の減算結果が負になったときには、それを遮断する手段である。
即ち、暗電流検出回路５０は、フォトダイオード５１，５２の流す暗電流Ｉｐｄ３，Ｉｐｄ４に関して、フォトダイオード１１、フォトダイオード１２、乗算手段１３、減算手段１４、及びリミッタ手段１５における場合と同様に動作する。

暗電流補正手段６０は、リミッタ手段１５の出力信号から暗電流リミッタ手段５５の出力信号を減算し、信号増幅手段１６に与える。即ち、暗電流補正手段６０は、リミッタ手段１５の出力信号から暗電流分の影響を除去して、リミッタ手段１５の出力信号を補正する。信号増幅手段１６は、暗電流補正手段６０の出力信号を増幅して、光検出信号として出力する。
以上のように、本実施形態は、暗電流検出回路５０と暗電流補正手段６０とを備えるので、リーク電流や出力の温度特性の影響を低減することができ、これにより、光検出信号の精度を向上できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば次の（１）〜（３）のような変形例が考えられる。
（１）図８は、照度センサの変形例を示す図である。
この変形例の照度センサは、減算手段１４を演算増幅器（以下、オペアンプという）７１で構成している。また、光検出信号として電流を出力する構成にしている。

フォトダイオード１１のカソード及びフォトダイオード１２のカソードが電源に接続されている。フォトダイオード１１のアノードは、抵抗７２を介してグランドに接続されると共に、抵抗７４を介してオペアンプ７１の非反転入力端子に接続されている。フォトダイオード１２のアノードは、抵抗７３を介してグランドに接続されると共に、抵抗７５を介してオペアンプ７１の反転入力端子に接続されている。抵抗７２の抵抗値は、抵抗７３の抵抗値のｍ倍に設定されている。

オペアンプ７１の出力端子とオペアンプ７１の反転入力端子との間には、帰還抵抗７６が接続され、オペアンプ７１の出力信号が安定化するようになっている。

オペアンプ７１の出力端子は、ＮＰＮ型トランジスタ７７のベースに接続されている。トランジスタ７７のコレクタは電源に接続され、トランジスタ７７のエミッタが抵抗７８を介して抵抗７９の一端と定電流源８０に接続されている。抵抗７９の他端は、ＮＰＮ型トランジスタ８１のエミッタに接続されている。トランジスタ８１のコレクタは電源に接続され、トランジスタ８１のベースには固定電圧が印加されている。抵抗７８の一端と抵抗７９の一端との接続点が、オペアンプ８２の非反転入力端子に接続されている。オペアンプ８２の出力端子は、ＮＰＮ型トランジスタ８３のベースに接続されている。トランジスタ８３のエミッタは、抵抗８４を介してグランドに接続されると共に、オペアンプ８２の反転入力端子に接続されている。

トランジスタ８３のコレクタは、ＰＮＰ型トランジスタ８５のコレクタ及びベースと、ＰＮＰ型トランジスタ８６のベースに接続されている。トランジスタ８５のエミッタは、抵抗８７を介して電源に接続されている。トランジスタ８６のエミッタは、抵抗８９を介して電源に接続されている。
トランジスタ８１は、リミッタ手段１５として機能する。オペアンプ８２、トランジスタ８３、トランジスタ８５、トランジスタ８６は、信号増幅手段１６として機能する。トランジスタ８５及びトランジスタ８６がカレントミラーとなり、トランジスタ８６のコレクタから、光検出信号に相当する電流を出力する。

（２）図６及び図８中に示された各トランジスタは、バイポーラトランジスタであるが、これらのトランジスタをＭＯＳトランジスタで構成することも可能である。この場合、例えば図６の回路ではトランジスタ２１，２８が省略できる。

（３）フォトダイオード１１，１２を半導体基板に形成した場合、半導体基板の側面或いは下面から赤外光が進入する場合があり、それがノイズとなって光検出結果を劣化させる危険がある。そこで、フォトダイオード１１，１２の側方或いは下方に、赤外領域にピーク感度を有するノイズ除去用のフォトダイオードを形成することで、側面や下面から進入する赤外光をノイズ除去用のフォトダイオードに吸収させることができる。この場合、ノイズ除去用のフォトダイオードのアノードをグランドに接続し、カソードを電源に接続することにより、光検出結果の精度が確保される。

本発明の第１の実施形態に係る照度センサを示す構成図である。 フォトダイオードの光の感度特性を示す図である。 係数の決め方の説明図である。 減算処理を示す説明図である。 リミッタ手段の出力信号を示す図である。 照度センサ１０の回路例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る照度センサを示す構成図である。 照度センサの変形例を示す図である。

符号の説明

１０ 照度センサ
１１，１２，５１，５２ フォトダイオード
１３ 乗算手段
１４ 減算手段
１５ リミッタ手段
１６ 信号増幅手段
５０ 暗電流検出回路
５３ 暗電流乗算手段
５４ 暗電流減算手段
５５ 暗電流リミッタ手段
６０ 暗電流補正手段

Claims (5)

1. 可視光領域にピーク感度を有する第１のフォトダイオードと、
   前記第１のフォトダイオードとは異なる波長にピーク感度を有する第２のフォトダイオードと、
   前記第１のフォトダイオードが流す第１の光電流及び前記第２のフォトダイオードが流す第２の光電流を入力し、それらのいずれか一方或いは両方に係数を乗じて電流量調整を行う乗算手段と、
   前記乗算手段の出力する電流量調整された第１の光電流から該乗算手段の出力する電流量調整された第２の光電流を減じる減算手段と、
   前記減算手段の減算結果が正の場合に該減算結果を出力し、前記減算手段の減算結果が正でない場合に、該減算結果を遮断するリミッタ手段と、
   前記リミッタ手段の出力信号を増幅し、光強度信号として出力する増幅手段と、
   を備えることを特徴とする照度センサ。
2. 前記第２のフォトダイオードのピーク感度は、前記第１のフォトダイオードのピーク感度よりも長波長側にあることを特徴とする請求項１に記載の照度センサ。
3. 当該照度センサにおける暗電流を検出する暗電流検出手段と、
   前記暗電流に対応する信号を前記リミッタ手段の出力信号から減算する暗電流補正手段とを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の照度センサ。
4. 前記暗電流検出手段は、
   前記第１のフォトダイオードと同じピーク感度を有する第３のフォトダイオードと、
   前記第２のフォトダイオードと同じピーク感度を有する第４のフォトダイオードと、
   前記第３のフォトダイオードが流す第３の光電流及び前記第４のフォトダイオードが流す第４の光電流を入力し、それらのいずれか一方或いは両方に係数を乗じて電流量調整を行う暗電流乗算手段と、
   前記暗電流乗算手段の出力する電流量調整された第３の光電流から該暗電流乗算手段の出力する電流量調整された第４の光電流を減じる暗電流減算手段と、
   前記暗電流減算手段の減算結果が正の場合に該減算結果を出力し、前記暗電流減算手段の減算結果が正でない場合に、該減算結果を遮断する暗電流リミッタ手段と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の照度センサ。
5. 前記第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードは、半導体基板に形成され、
   前記半導体基板には、赤外領域にピーク感度を持ち、前記第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードの側方或いは下方に配置されると共に、電源とグランドとの間を接続する第５のフォトダイオードが形成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照度センサ。

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