JP2012103126A - 光センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の入射方向の検出精度が向上された光センサ装置を提供する。
【解決手段】半導体基板に受光素子が複数形成され、半導体基板における受光素子の形成面上に透光膜が形成され、透光膜に遮光膜が形成され、遮光膜に、受光素子の受光面に入射する光の角度を規定する開口部が形成された光センサと、受光素子の出力信号に基づいて光の仰角と左右角を算出する角度算出部と、を有する光センサ装置であって、対応する開口部によって規定される光の左右角が互いに同一であり、仰角が互いに異なる複数の受光素子によって、受光素子群が複数構成され、複数の受光素子群それぞれの左右角が異なっており、角度算出部は、各受光素子の出力信号の強度を比べることで、最も強い出力信号を出力している受光素子を特定し、特定された受光素子の受光面に入射する光の角度を特定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、半導体基板における受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、遮光膜に、受光素子それぞれに対応して、受光素子の受光面に入射する光の角度を規定する開口部が形成された光センサと、受光素子の出力信号に基づいて、光の入射角度を算出する角度算出部と、を有する光センサ装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、半導体基板にフォトダイオードが複数形成され、その形成面上に透光性を有する透光層が形成され、その透光層に遮光性を有する遮光マスクが形成され、その遮光マスクに光伝播エリアが複数形成された光センサが提案されている。この光センサでは、遮光マスクの光伝播エリアによって、フォトダイオードの受光面に入射する光の範囲が規定されている。

米国特許６８７５９７４号明細書

特許文献１に示される光センサでは、対を成す２つのフォトダイオードが左右方向に隣接しており、これら２つのフォトダイオードそれぞれの受光面に入射する光の範囲が、２つのフォトダイオードの上方に位置する１つの光伝播エリアによって規定されている。したがって、左方から光センサに光が入射した場合、右方のフォトダイオードの出力信号が、左方のフォトダイオードの出力信号よりも大きくなる。これとは反対に、右方から光センサに光が入射した場合、左方のフォトダイオードの出力信号が、右方のフォトダイオードの出力信号よりも大きくなる。したがって、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号を比べることで、光が左方から入射しているのか、右方から入射しているのかを検出することが可能となっている。

ところで、上記構成では、左方のフォトダイオードの出力信号を、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号の総和によって割った値と、右方のフォトダイオードの出力信号を、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号の総和によって割った値と、を算出し、これら２つの値の比をとることで、光が、光センサに対して左方からどれくらい入射しているのか、若しくは、右方からどれくらい入射しているのか、を検出することができる。すなわち、光の左右比を検出することができる。しかしながら、左右比は、光の仰角によって変動する性質を有しており、左右比の値だけでは、正確な光の入射方向（仰角と左右角）を検出することができなかった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、光の入射方向の検出精度が向上された光センサ装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、半導体基板における受光素子の形成面上に、透光性を有する透光膜が形成され、透光膜に、遮光性を有する遮光膜が形成され、遮光膜に、受光素子それぞれに対応して、受光素子の受光面に入射する光の角度を規定する開口部が形成された光センサと、受光素子それぞれの出力信号に基づいて、光の仰角、及び、光の左右角を算出する角度算出部と、を有する光センサ装置であって、対応する開口部によって規定される光の左右角が互いに同一であり、仰角が互いに異なる複数の受光素子によって、受光素子群が複数構成され、複数の受光素子群それぞれの左右角が異なっており、角度算出部は、各受光素子の出力信号の強度を比べることで、最も強い出力信号を出力している受光素子を特定し、特定された受光素子の受光面に入射する光の角度を特定することを特徴とする。

このように本発明によれば、対応する開口部によって規定される光の左右角が互いに同一であり、仰角が互いに異なる複数の受光素子によって、受光素子群が複数構成されている。そして、複数の受光素子群それぞれの左右角が異なっている。これによれば、各受光素子に入射する光の量が異なることとなり、半導体基板に入射する光の角度と、受光面に入射する光の角度とが一致する受光素子、若しくは、最も近い受光素子の出力信号が最大と成る。したがって、各受光素子の出力信号の強度を比べることで、最も強い出力信号を出力している受光素子を特定し、その特定された受光素子の受光面に入射する光の角度を特定することで、半導体基板に入射する光の入射方向（仰角と左右角）を検出することができる。これにより、光の入射方向の検出精度が向上される。

なお、請求項１に記載の光の仰角とは、受光素子の受光面に平行な方向と光の進行方向とによって形成される角度であり、光の左右角は、受光面に垂直な垂線の周囲の角度である。

請求項２に記載のように、角度算出部は、受光素子の出力信号の電圧を要素とした行列を形成することで、受光面に入射する光の角度に応じた、受光素子の出力信号の強度分布を形成する分布形成部を有し、分布形成部は、受光面に入射する光の左右角が異なる各受光素子の出力信号を、行番号若しくは列番号が増大するにつれて、左右角が増大若しくは減少するように並べた第１行列と、受光面に入射する光の仰角が異なる各受光素子の出力信号を、行番号若しくは列番号が増大するにつれて、仰角が増大若しくは減少するように並べた第２行列と、を形成する構成が好ましい。

各受光素子の出力信号には、多少なりともノイズが含まれているので、単純に、各受光素子の出力信号の強度を逐次比較した場合、光の角度の検出精度が低下する虞がある。これに対して、請求項２に記載の発明では、受光面に入射する光の角度に応じた、受光素子の出力信号の強度分布を形成する。これによれば、各出力信号にノイズが含まれていたとしても、強度分布の形状から、最も強い信号を出力している受光素子を特定することができる。また、ノイズによって、角度の検出精度が低下することが抑制される。更に言えば、各受光素子の出力信号を逐次比較する場合と比べて、光の入射方向の検出時間を短縮することができる。

請求項３に記載のように、角度算出部は、受光素子の出力信号の電圧値が閾値電圧よりも高い場合にＨｉ信号を出力し、受光素子の出力信号の電圧値が閾値電圧よりも低い場合にＬｏ信号を出力する比較部を有し、分布形成部は、Ｈｉ信号が一度も入力されていない場合に「０」のフラグを立て続け、Ｈｉ信号が一度でも入力された場合に、フラグを「０」にするリセット信号が入力されるまで、「１」のフラグを立て続けるフリップフロップを複数有し、第１行列及び第２行列の各要素の値は、１つのフリップフロップのフラグであり、第１行列及び第２行列それぞれは、１列若しくは１行の行列であり、第１行列を成す１つのフリップフロップには、受光面に入射する光の左右角が同一であり、受光面に入射する光の仰角が異なる各受光素子の出力信号が、比較部を介して順次入力され、第２行列を成す１つのフリップフロップには、受光面に入射する光の仰角が同一であり、受光面に入射する光の左右角が異なる各受光素子の出力信号が、比較部を介して順次入力される構成が好ましい。

例えば、受光面に入射する光の左右角が異なる各受光素子の出力信号が、行番号が増大するにつれて左右角が増大するように並べられ、受光面に入射する光の仰角が異なる各受光素子の出力信号が、列番号が増大するにつれて仰角が減少するように並べられた行列を作成した後、その行列に表れる「０」，「１」の分布から、光の入射角度を検出する構成も考えられる。この場合、上記した分布は、行要素と列要素とを乗算した数の要素から成る。

これに対して、請求項３に記載の発明では、「０」，「１」の分布が、上記した比較例に示した行列における、１つの行要素と１つの列要素との和によって示される。このように、比較例と比べて、要素数が少なくなるので、光の入射角度を検出する演算を簡素化することができる。

請求項３に記載の構成の具体例としては、請求項４に記載のように、角度算出部は、対応する１つの受光素子と比較部との電気的な接続を開閉制御する第１スイッチと、対応する１つのフリップフロップと比較部との電気的な接続を開閉制御する第２スイッチと、複数の第１スイッチを順次一つずつ閉状態とし、閉状態とされた第１スイッチに対応する第２スイッチを閉状態とするアドレスデコーダと、を有する構成を採用することができる。

請求項５に記載のように、複数の受光素子よりも受光面積が広い、照射量検出用受光素子が半導体基板に形成されており、角度算出部は、照射量検出用受光素子の出力信号に基づいて、閾値電圧を生成する基準電圧生成部を有する構成が好ましい。

光の照射量や外部環境（天気）によっては、強度分布の大部分が「１」若しくは「０」となり、光の入射角度を検出することが困難となる虞がある。そこで、請求項５に記載のように、照射量検出用受光素子の出力信号に基づいて、閾値電圧を調整することで、強度分布の大部分が「１」若しくは「０」になることを抑制することができる。これにより、光の入射角度の検出が困難となることが抑制される。

請求項６に記載のように、照射量検出用受光素子の出力信号と、複数の受光素子の内、最も強い出力信号を出力している受光素子の受光面に入射する光の角度とに基づいて、半導体基板に照射される光の照射量を算出する照射量算出部を有する構成が良い。これによれば、照射量検出用受光素子の出力信号のみに基づいて光の照射量を検出する構成と比べて、光の照射量の検出精度が向上される。

請求項７に記載のように、最も強い出力信号を出力している受光素子の出力信号と、その受光素子の受光面に入射する光の角度とに基づいて、半導体基板に照射される光の照射量を算出する照射量算出部を有する構成が良い。これによれば、最も強い出力信号を出力している受光素子の出力信号のみに基づいて光の照射量を検出する構成と比べて、光の照射量の検出精度が向上される。

請求項８に記載のように、受光素子は、半導体基板の任意点から放射状に延びた複数の仮想直線それぞれの上に複数配置されて、受光素子が放射状に配置されており、放射状に配置された複数の受光素子それぞれに対応する開口部によって規定される光の仰角が、任意点から離れるにしたがって小さくなる若しくは大きくなる構成が好ましい。これによれば、各受光素子と角度算出部との電気的接続の設計が容易となる。また、最も強い出力信号を出力していると特定された受光素子の位置が、光の仰角と左右角とを示すので、光の仰角と左右角とを直感的に認識し易くなる。なお、１本の仮想直線に配置された複数の受光素子によって、請求項１に記載の受光素子群が構成されている。

請求項８に記載の具体的な構成としては、請求項９に記載のように、任意点から、１９本の仮想直線が延び、隣接する仮想直線が成す、任意点周りの角度が１０°となっており、１本の仮想直線には、任意点から離れるにしたがって、受光面に入射する光の仰角が１０°ずつ小さくなる若しくは大きくなるように、９個の受光素子が配置された構成を採用することができる。これによれば、光の左右角と仰角とを、±５°の誤差範囲で検出することができる。

請求項１０に記載のように、遮光膜は、透光膜に層状に複数形成されており、複数の遮光膜それぞれに形成された開口部によって、受光面に入射する光の角度が規定された構成が好ましい。これによれば、ある開口部から入射した光が、その開口部と対応する受光素子以外の受光素子に入射することが抑制される。これにより、各受光素子の出力信号に、意図しない開口部からの光出力（外乱出力）が含まれることが抑制される。

光センサ装置の概略構成を示す回路図である。 受光素子の分布を示す上面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 各受光素子の出力信号、及び、第１行列と第２行列を説明するための概念図である。 角度算出部の信号を説明するためのタイミングチャートである。 角度算出部の信号を説明するためのタイミングチャートである。

以下、本発明に係る光センサ装置を車両に搭載した場合の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、光センサ装置の概略構成を示す回路図である。図２は、受光素子の分布を示す上面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、各受光素子の出力信号、及び、第１行列と第２行列を説明するための概念図である。図５及び図６は、角度算出部の信号を説明するためのタイミングチャートである。以下においては、後述する半導体基板１０の形成面１０ａに沿い、車両の前後を貫く方向を前後方向、形成面１０ａに沿い、車両の左右を貫く方向を左右方向と示す。そして、受光素子２０の受光面２０ａに平行な方向と、光の進行方向とによって形成される角度を仰角、受光面２０ａに垂直な垂線の周囲の角度を光の左右角と示す。

なお、図２では、煩雑となることを避けるために、１７１個の受光素子２１ａ〜３９ｉの内、２１ａ〜２１ｉと、３９ａ〜３９ｉの符号のみを記載した。また、図３では、開口部７０によって規定される光の仰角を明瞭とするために、開口部７０を介して、受光素子２１ａ〜２１ｉ，３９ａ〜３９ｉそれぞれに入射する光を、実線で示した。

光センサ装置２００は、図１に示すように、要部として、光センサ１００と、角度算出部１１０と、照射量算出部１８０と、を有する。光センサ１００は、光センサ装置２００（車両）へ入射する光を、その入射角度（仰角と左右角）と光の照射量に応じた電気信号に変換する機能を果たし、角度算出部１１０は、光センサ１００の出力信号に基づいて、光センサ装置２００（車両）へ入射する光の角度を算出する機能を果たす。そして、照射量算出部１８０は、光センサ１００と角度算出部１１０の出力信号に基づいて、光センサ装置２００（車両）へ入射する光の照射量を算出する機能を果たす。

光センサ１００は、図２及び図３に示すように、半導体基板１０と、受光素子２０と、透光膜５０と、遮光膜６０と、開口部７０と、を有する。半導体基板１０に受光素子２０が形成され、受光素子２０の形成面１０ａ上に透光膜５０が形成され、透光膜５０に遮光膜６０が形成されている。遮光膜６０に開口部７０が形成され、この開口部７０を介して、受光素子２０に光が入射するようになっている。

半導体基板１０は、矩形を成し、受光素子２０の他に、角度算出部１１０及び照射量算出部１８０を構成する電子素子（図示略）が形成されている。これら電子素子は、半導体基板１０に形成された配線パターン（図示略）を介して電気的に接続されている。

受光素子２０は、光を電気信号に変換するものであり、ＰＮ接合を有するフォトダイオードである。受光素子２０は、受光面積が同一である、１７１個の受光素子２１ａ〜３９ｉと、受光素子２１ａ〜３９ｉよりも受光面積が大きい、１つの照射量検出用受光素子４０と、を有する。受光素子２１ａ〜３９ｉ，４０の配置は、光センサ装置２００の特徴点なので、後で詳説する。

透光膜５０は、光透過性と絶縁性とを有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えば酸化シリコンＳｉＯ_２がある。遮光膜６０は、遮光性と導電性を有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えばアルミニウムがある。本実施形態では、二層の遮光膜６０が透光膜５０に形成されている。

開口部７０は、受光素子２０の受光面２０ａに入射する光の角度（仰角と左右角）を規定するものである。本実施形態では、１７２個の開口部７０が二層の遮光膜６０それぞれに形成されている。受光面２０ａに入射する光の角度は、開口部７０と受光素子２０との位置によって決定されるが、その具体的な位置関係は、光センサ装置２００の特徴点なので、後で詳説する。

角度算出部１１０は、図１に示すように、スイッチ１２０と、比較部１４０と、基準電圧生成部１５０と、分布形成部１６０と、アドレスデコーダ１７０と、を有する。角度算出部１１０は、光センサ装置２００の特徴点なので、ここでは、構成要素１２０〜１７０それぞれの概略構成を説明し、その動作を後述する。

スイッチ１２０は、受光素子２０と比較部１４０との電気的な接続を開閉制御するものである。スイッチ１２０は、１７１個のスイッチ１２１ａ〜１３９ｉを有しており、１７１個のスイッチ１２１ａ〜１３９ｉの内の１つが、対応する受光素子２１ａ〜３９ｉの内の１つと比較部１４０との間に配置されている。スイッチ１２０は、特許請求の範囲に記載の第１スイッチに相当する。

比較部１４０は、受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号の電圧と、閾値電圧とを比較するものである。比較部１４０は、コンパレータであり、入力される受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号の電圧が閾値電圧よりも高い場合に、Ｈｉ信号を出力し、低い場合に、Ｌｏ信号を出力する。

基準電圧生成部１５０は、閾値電圧を生成する基準電圧回路１５１と、照射量検出用受光素子４０の出力信号に基づいて、基準電圧回路１５１が生成する閾値電圧を制御する閾値調整回路１５２と、を有する。閾値調整回路１５２は、照射量検出用受光素子４０の出力信号の値が所定値よりも大きい場合に、閾値電圧を上げ、所定値よりも低い場合に、閾値電圧を下げる、という調整を行う。なお、所定値は、光センサ装置２００（車両）に入射する光の仰角が９０°の場合に、照射量検出用受光素子４０から出力される信号の半分の値である。

分布形成部１６０は、受光素子２０の出力信号の電圧を要素とした行列を形成することで、光センサ装置２００に入射する光の角度に応じた、受光素子２０の出力信号の強度分布を形成するものである。分布形成部１６０は、フリップフロップ１６１と、フリップフロップ１６１と比較部１４０との電気的な接続を開閉制御する切替スイッチ１６２と、受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号の電圧を要素とした行列を形成し、その行列に表される分布に基づいて、仰角と左右角とを特定する仰角左右角処理部１６３と、を有する。切替スイッチ１６２は、特許請求の範囲に記載の第２スイッチに相当する。

フリップフロップ１６１は、比較部１４０から、Ｈｉ信号が一度も入力されていない場合に「０」のフラグを立て続け、Ｈｉ信号が一度でも入力された場合に、フラグを「０」にするリセット信号が入力されるまで、「１」のフラグを立て続けるＲＳフリップフロップである。フリップフロップ１６１は、左右角検出用の１９個の第１フリップフロップ１６４ａ〜１６４ｓと、仰角検出用の９個の第２フリップフロップ１６５ａ〜１６５ｉと、を有する。切替スイッチ１６２は、第１フリップフロップ１６４ａ〜１６４ｓに対応する１９個の第１切替スイッチ１６６ａ〜１６６ｓと、第２フリップフロップ１６５ａ〜１６５ｉに対応する９個の第２切替スイッチ１６７ａ〜１６７ｉと、を有する。対応する第１フリップフロップ１６４ａ〜１６４ｓの内の１つと比較部１４０との間に、１９個の第１切替スイッチ１６６ａ〜１６６ｓの内の１つが配置され、対応する第２フリップフロップ１６５ａ〜１６５ｉの内の１つと比較部１４０との間に、９個の第２切替スイッチ１６７ａ〜１６７ｉの内の１つが配置されている。

第１フリップフロップ１６４ａ〜１６４ｓには、受光面２０ａに入射する光の左右角が同一であり、受光面２０ａに入射する光の仰角が異なる各受光素子２０の出力信号が、比較部１４０を介して順次入力される。そして、第２フリップフロップ１６５ａ〜１６５ｉには、受光面２０ａに入射する光の仰角が同一であり、受光面２０ａに入射する光の左右角が異なる各受光素子２０の出力信号が、比較部１４０を介して順次入力される。

仰角左右角処理部１６３は、図４に示すように、第１フリップフロップ１６４ａ〜１６４ｓのフラグを要素とする１９行１列の第１行列を作成し、第２フリップフロップ１６５ａ〜１６５ｉのフラグを要素とする１行９列の第２行列を作成する。そして、作成した第１行列と第２行列とに基づいて、最も強い出力信号を出力している受光素子２０を特定する。

アドレスデコーダ１７０は、スイッチ１２０と切替スイッチ１６２それぞれに開閉信号を入力するものである。また、アドレスデコーダ１７０は、リセット信号をフリップフロップ１６１に入力する機能も果たす。

照射量算出部１８０は、照射量検出用受光素子４０の出力信号を電流から電圧に変換する電流電圧変換回路１８１と、電流電圧変換回路１８１の出力信号と、仰角左右角処理部１６３の出力信号（仰角・左右角情報）とに基づいて、光の照射量を算出する照射量処理部１８２と、を有する。

次に、本実施形態に係る光センサ装置２００の特徴点と動作を説明する。図２に示すように、１７１個の受光素子２１ａ〜３９ｉが、照射量検出用受光素子４０の中心点Ｃ１（図２で示したバツ印）から放射状に延びた複数の仮想直線（煩雑となるので図示略）それぞれに配置され、受光素子２１ａ〜３９ｉが放射状に配置されている。また、図示しないが、受光素子２１ａ〜３９ｉに対応する開口部７０も仮想直線に配置されており、照射量検出用受光素子４０に対応する開口部７０から、１７１個の開口部７０が放射状に配置されている。本実施形態では、１９本の仮想直線が中心点Ｃ１から延びており、１９本の仮想直線それぞれに、９個の受光素子が配置されている。１本の仮想直線に配置された９個の受光素子それぞれの左右角は同一となっており、光の仰角が互いに異なっている。図３に示すように、１本の仮想直線に配置された９個の受光素子の受光面に入射する光の仰角は、中心点Ｃ１から離れるにしたがって、１０°ずつ小さくなるように、対応する開口部７０によって規定されている。また、隣接する仮想直線が成す、中心点Ｃ１周りの角度が１０°となっており、１本の仮想直線に配置された９個の受光素子の受光面に入射する光の左右角が、この仮想直線に隣接する仮想直線に配置された９個の受光素子の受光面に入射する光の左右角と１０°だけ異なっている。図２に示すように、本実施形態では、中心点Ｃ１から左方向に延びる第１仮想直線と、中心点Ｃ１から右方向に伸びる第１９仮想直線とが成す、中心点Ｃ１周りの角度が１８０°となっており、車両の前方から入射してくる光の角度を検出することを目的とした構成となっている。

以下においては、話を簡便とするために、第ｎ番目の仮想直線（ｎは１〜１９までの自然数）に配置された９個の受光素子を、第ｎ群の受光素子と示す。また、第ｎ群を構成する９個の受光素子それぞれを、仰角が小さくなるにしたがって番号が大きくなるように、第ｋ受光素子（ｋは、１〜９までの自然数）と示す。そして、第１仮想直線と、任意の仮想直線とが成す、中心点Ｃ１回りの角度を左右角と示す。以上の定義によれば、第ｎ群の受光素子の左右角は、１０（ｎ−１）°となり、第ｋ受光素子の仰角は、１０（１０−ｋ）°となる。なお、１本の仮想直線に配置された９個の受光素子によって、特許請求の範囲に記載の受光素子群が構成されている。本実施形態では、１９個の受光素子群２１〜３９が構成されている。

次に、光センサ装置２００の動作を図４〜図６に基づいて説明する。図４に示す１９行９列の行列は、比較部１４０を介した、受光素子２１ａ〜３９ｉそれぞれの出力信号を示している。第ｎ行に第ｎ群の受光素子の出力信号が設けられ、第ｋ列に第ｋ受光素子の出力信号が設けられている。行列に示された「０」は、比較部１４０の出力信号がＬｏ信号であり、「１」は、比較部１４０の出力信号がＨｉ信号であることを示している。なお、図４に示す例では、１３個の要素が「１」となっており、他の１５８個の要素が「０」となっている。そして、「１」の分布が点対称となっており、１つの要素を中心としている。これは、光センサ装置２００に入射した光は、その入射角度に対応する受光素子を中心にピークを持つためである。

図５は、スイッチ１２０と第１切替スイッチ１６６に入力される信号と、第１フリップフロップ１６４の出力信号（フラグ）とを示している。図５では、それらの代表として、スイッチ１２１ａ〜１２１ｉ，１２２ａ、及び、第１切替スイッチ１６６ａ，１６６ｂそれぞれに入力される信号と、第１フリップフロップ１６４ａ，１６４ｂそれぞれの出力信号（フラグ）とを示した。

図６は、スイッチ１２０と第２切替スイッチ１６７に入力される信号と、第２フリップフロップ１６５の出力信号（フラグ）とを示している。図６では、それらの代表として、スイッチ１２１ａ〜１３９ａ，１２１ｂ、及び、第２切替スイッチ１６７ａ，１６７ｂそれぞれに入力される信号と、第２フリップフロップ１６５ａ，１６５ｂそれぞれの出力信号（フラグ）とを示した。

光センサ装置２００が動作すると、先ず、アドレスデコーダ１７０から、フリップフロップ１６１にリセット信号が入力され、フリップフロップ１６１のフラグが「０」になる。また、閾値電圧が、基準電圧生成部１５０によって決定される。

リセット信号を出力した後、アドレスデコーダ１７０は、図５に示すように、第１切替スイッチ１６６ａに閉信号を入力し、比較部１４０と第１フリップフロップ１６４ａとを電気的に接続する。この比較部１４０と第１フリップフロップ１６４ａとの電気的な接続が維持された状態で、アドレスデコーダ１７０から、第１群の受光素子２１ａ〜２１ｉに対応するスイッチ１２１ａ〜１２１ｉそれぞれに、閉信号が順次入力される。この結果、図４に示す１９行９列の行列における第１行に示された９個の出力信号が、第１フリップフロップ１６４ａに順次入力される。図５に示すように、スイッチ１２１ａ〜１２１ｅがオン状態に変化した結果、受光素子２１ａ〜２１ｅの出力信号が第１フリップフロップ１６４ａに順次入力されるが、この場合、比較部１４０からはＬｏ信号しか出力されないので、第１フリップフロップ１６４ａのフラグは、「０」のままである。しかしながら、スイッチ１２１ｆがオン状態に変化すると、比較部１４０からＨｉ信号が出力され、第１フリップフロップ１６４ａのフラグが、「１」に変化する。第１フリップフロップ１６４ａは、リセット信号が入力されるまで、この状態を維持する。

以下、上記した同様の操作を、第２〜第１９群の受光素子２２ａ〜３９ｉに対応するスイッチ１２２ａ〜１３９ｉ、及び、第１切替スイッチ１６６ｂ〜１６６ｉに順次行うことで、第１フリップフロップ１６４ａ〜１６４ｓそれぞれに、受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号を入力する。すなわち、第１行列におけるｎ行の要素に対応する第１フリップフロップ１６４に、第ｎ群の受光素子の出力信号を順次入力する。仰角左右角処理部１６３は、第１フリップフロップ１６４ａ〜１６４ｓそれぞれのフラグ（出力信号）に基づいて、第１行列を作成する。

その後、アドレスデコーダ１７０は、第２切替スイッチ１６７ａに閉信号を入力し、比較部１４０と第２フリップフロップ１６５ａとを電気的に接続する。この比較部１４０と第２フリップフロップ１６５ａとの電気的な接続が維持された状態で、アドレスデコーダ１７０から、第１受光素子２１ａ〜３９ａに対応するスイッチ１２１ａ〜１３９ａそれぞれに、閉信号が順次入力される。この結果、図４に示す１９行９列の行列における第１列に示された１９個の出力信号が、第２フリップフロップ１６５ａに順次入力される。図６に示すように、スイッチ１２１ａ〜１３９ａがオン状態に変化した結果、受光素子２１ａ〜３９ａの出力信号が第２フリップフロップ１６５ａに順次入力される。しかしながら、この場合、比較部１４０からはＬｏ信号しか出力されないので、第２フリップフロップ１６５ａのフラグは、「０」のままである。

以下、上記した同様の操作を、第２〜第９受光素子２１ｂ〜３９ｉに対応するスイッチ１２１ｂ〜１３９ｉ、及び、第２切替スイッチ１６７ｂ〜１６７ｉに順次行うことで、第２フリップフロップ１６５ａ〜１６５ｉそれぞれに、受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号を入力する。すなわち、第２行列におけるｋ列の要素に対応する第２フリップフロップ１６５に、第１〜ｎ群それぞれの第ｋ受光素子の出力信号を順次入力する。仰角左右角処理部１６３は、第２フリップフロップ１６５ａ〜１６５ｉそれぞれのフラグ（出力信号）に基づいて、第２行列を作成する。

仰角左右角処理部１６３は、作成した第１行列と第２行列の「０」，「１」の分布に基づいて、最も強い出力信号を出力している受光素子を特定する。詳しく言えば、仰角左右角処理部１６３は、第１行列及び第２行列の「１」の並びの内、「１」の中心が位置する行と列とを特定することで、最も強い出力信号を出力している受光素子を特定する。更に詳しく言えば、仰角左右角処理部１６３は、第１行列及び第２行列に記された各要素を比べることで、「１」の並び（分布）の中心を算出し、その行番号と列番号とに位置する受光素子を特定する。特定後、仰角左右角処理部１６３は、左右角と仰角とを含む仰角左右角情報を、外部と照射量処理部１８２とに出力する。

図４に示すように、第１行列に記された「１」の並び（分布）では、第３行に「１」の中心が位置し、第２行列に記された「１」の並び（分布）では、第６列に「１」の中心が位置している。これによれば、最も強い出力信号を出力している受光素子は、第３群の第６受光素子２３ｆであることがわかる。受光素子２３ｆに入射する光の左右角は２０°であり、仰角は４０°であるから、光センサ１００（車両）に入射する光の左右角が２０°であり、仰角が４０°であることがわかる。したがって、仰角左右角処理部１６３からは、左右角２０°、仰角４０°である仰角左右角情報が出力される。

照射量処理部１８２は、仰角左右角処理部１６３から入力された仰角左右角情報（左右角２０°、仰角４０°）と、電流電圧変換回路１８１を介して入力される照射量検出用受光素子４０の出力信号とに基づいて、光の照射量を検出し、それを外部に出力する。

次に、本実施形態に係る光センサ装置２００の作用効果を説明する。上記したように、光の左右角が互いに同一であり、仰角が互いに異なる９個の受光素子によって、１９個の受光素子群２１〜３９が構成されている。そして、１９個の受光素子群２１〜３９それぞれの左右角が異なっている。これによれば、各受光素子２１ａ〜３９ｉに入射する光の量が異なることとなり、光センサ装置２００（車両）に入射する光の角度と、受光面に入射する光の角度とが一致する受光素子、若しくは、最も近い受光素子の出力信号が最大と成る。したがって、受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号の強度を比べることで、最も強い出力信号を出力している受光素子を特定し、その特定された受光素子の受光面に入射する光の角度を特定することで、光センサ装置２００（車両）に入射する光の入射方向（仰角と左右角）を検出することができる。これにより、光の入射方向の検出精度が向上される。

本実施形態では、受光素子２０の出力信号の電圧を要素とした行列を形成することで、光センサ装置２００に入射する光の角度に応じた、受光素子２０の出力信号の強度分布を形成している。

受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号には、多少なりともノイズが含まれている。したがって、単純に、受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号の強度を逐次比較した場合、光の角度の検出精度が低下する虞がある。これに対して、本実施形態では、光センサ装置２００に入射する光の角度に応じた、受光素子２０の出力信号の強度分布を形成している。これによれば、受光素子２１ａ〜３９ｉそれぞれの出力信号にノイズが含まれていたとしても、強度分布の形状から、最も強い信号を出力している受光素子を特定することができる。また、ノイズによって、角度の検出精度が低下することが抑制される。更に言えば、受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号を逐次比較する場合と比べて、光の入射方向の検出時間を短縮することができる。

本実施形態では、第１フリップフロップ１６４ａ〜１６４ｓのフラグを要素として、１９行１列の第１行列を作成し、第２フリップフロップ１６５ａ〜１６５ｉのフラグを要素として、１行９列の第２行列を作成している。これによれば、図４に示したような、１９行９列の行列を作成した後、その行列に表れる「０」，「１」の分布から、光の入射角度を検出する構成と比べて、行列の要素数が少ないので、光の入射角度を検出する演算を簡素化することができる。

光の照射量や外部環境（天気）によっては、強度分布の大部分が「１」若しくは「０」となり、光の入射角度を検出することが困難となる虞がある。しかしながら、本実施形態で示したように、照射量検出用受光素子４０の出力信号に基づいて、閾値電圧を調整することで、強度分布の大部分が「１」若しくは「０」になることを抑制することができる。これにより、光の入射角度の検出が困難となることが抑制される。

照射量処理部１８２は、仰角左右角処理部１６３の出力信号（仰角左右角情報）と、電流電圧変換回路１８１を介して入力される照射量検出用受光素子４０の出力信号とに基づいて、光の照射量を検出する。これによれば、照射量検出用受光素子４０の出力信号のみに基づいて光の照射量を検出する構成と比べて、光の照射量の検出精度が向上される。

受光素子２１ａ〜３９ｉは、中心点Ｃ１から放射状に延びた１９本の仮想直線それぞれの上に配置されて、受光素子２１ａ〜３９ｉが放射状に配置されている。そして、放射状に配置された複数の受光素子それぞれに対応する開口部によって規定される光の仰角が、中心点Ｃ１から離れるにしたがって小さくなっている。これによれば、受光素子２１ａ〜３９ｉと角度算出部１１０との電気的接続の設計が容易となる。また、最も強い出力信号を出力していると特定された受光素子の位置が、光の仰角と左右角とを示すので、光の仰角と左右角とを直感的に認識し易くなる。

中心点Ｃ１から１９本の仮想直線が延び、隣接する仮想直線が成す、中心点Ｃ１周りの角度が１０°となっている。そして、１本の仮想直線には、中心点Ｃ１から離れるにしたがって、受光面に入射する光の仰角が１０°ずつ小さくなるように、９個の受光素子が配置されている。これによれば、光の左右角と仰角とを、±５°の誤差範囲で検出することができる。

二層の遮光膜６０が透光膜５０に形成されている。これによれば、ある開口部７０から入射した光が、その開口部７０と対応する受光素子２０以外の受光素子２０に入射することが抑制される。これにより、各受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号に、意図しない開口部７０からの光出力（外乱出力）が含まれることが抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、強度分布を形成して、光の入射角度を検出する例を示した。しかしながら、各受光素子２１ａ〜３９ｉの出力信号を逐次比較することで、最も強い出力信号を出力している受光素子を特定して、光の入射角度を検出しても良い。

本実施形態では、「０」、「１」（デジタル信号）の強度分布を形成して、光の入射角度を検出する例を示した。しかしながら、アナログ信号の強度分布を形成して、光の入射角度を検出しても良い。

本実施形態では、１９行１列の第１行列と、１行９列の第２行列とによって、強度分布を形成した例を示した。しかしながら、図４に示したような、１９行９列の行列を作成して、強度分布を形成しても良い。また、当然ではあるが、第１行列及び第２行列それぞれの行数及び列数は上記例に限定されず、例えば、１行１９列の第１行列を作成し、９行１列の第２行列を作成しても良い。

本実施形態では、１７１個の受光素子２１ａ〜３９ｉが放射状に配置された例を示した。しかしながら、受光素子２１ａ〜３９ｉの個数及びその配置は、上記例に限定されない。光の入射角度の検出精度を向上したければ、受光素子の個数を増大すれば良いし、複数の受光素子の配置としては、格子状を採用することもできる。

本実施形態では、受光素子２０が、受光素子２１ａ〜３９ｉよりも受光面積が大きい、照射量検出用受光素子４０を有する例を示した。しかしながら、受光素子２０が、照射量検出用受光素子４０を有さない構成を採用することもできる。この場合、照射量算出部１８０は、最も強い出力信号を出力している受光素子（第１実施例で言えば、第３群の第６受光素子２３ｆ）の出力信号と、受光素子２３ｆの受光面に入射する光の角度（左右角２０°，仰角４０°）とに基づいて、光の照射量を算出する。これによれば、最も強い出力信号を出力している受光素子２３ｆの出力信号のみに基づいて光の照射量を検出する構成と比べて、光の照射量の検出精度が向上される。

本実施形態では、遮光膜６０が二層である例を示した。しかしながら、遮光膜６０の数としては上記例に限定されず、一層でも、三層以上でも良い。

本実施形態では、隣接する仮想直線が成す、中心点Ｃ１周りの角度が１０°である例を示した。しかしながら、隣接する仮想直線が成す、中心点Ｃ１周りの角度としては、上記例に限定されず、例えば、５°でも良い。

本実施形態では、中心点Ｃ１から離れるにしたがって、受光面に入射する光の仰角が１０°ずつ小さくなるように、１本の仮想直線に９個の受光素子が配置された例を示した。しかしながら、中心点Ｃ１から離れるにしたがって、受光面に入射する光の仰角が１０°ずつ大きくなるように、１本の仮想直線に９個の受光素子が配置された構成を採用することもできる。また、１本の仮想直線に配置される受光素子の数としては、上記例に限定されず、例えば、１８個の受光素子が配置された構成を採用することもできる。この場合、中心点Ｃ１から離れるにしたがって、受光面に入射する光の仰角が５°ずつ大きくなる、若しくは、５°ずつ小さくなるように、１本の仮想直線に１８個の受光素子が配置される。

２１ａ〜３９ｉ・・・受光素子
４０・・・照射量検出用受光素子
７０・・・開口部
１００・・・光センサ
１１０・・・角度算出部
１２１ａ〜１３９ｉ・・・スイッチ
１６０・・・分布形成部
１６１・・・フリップフロップ
１６２・・・切替スイッチ
１６３・・・仰角左右角処理部
１８０・・・照射量算出部
２００・・・光センサ装置

Claims (10)

1. 半導体基板に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、前記半導体基板における前記受光素子の形成面上に、透光性を有する透光膜が形成され、前記透光膜に、遮光性を有する遮光膜が形成され、前記遮光膜に、前記受光素子それぞれに対応して、前記受光素子の受光面に入射する光の角度を規定する開口部が形成された光センサと、
   前記受光素子それぞれの出力信号に基づいて、光の仰角、及び、光の左右角を算出する角度算出部と、を有する光センサ装置であって、
   対応する前記開口部によって規定される光の左右角が互いに同一であり、仰角が互いに異なる複数の前記受光素子によって、受光素子群が複数構成され、
   複数の前記受光素子群それぞれの左右角が異なっており、
   前記角度算出部は、各受光素子の出力信号の強度を比べることで、最も強い出力信号を出力している受光素子を特定し、特定された受光素子の受光面に入射する光の角度を特定することを特徴とする光センサ装置。
2. 前記角度算出部は、前記受光素子の出力信号の電圧を要素とした行列を形成することで、前記受光面に入射する光の角度に応じた、前記受光素子の出力信号の強度分布を形成する分布形成部を有し、
   前記分布形成部は、前記受光面に入射する光の左右角が異なる各受光素子の出力信号を、行番号若しくは列番号が増大するにつれて、左右角が増大若しくは減少するように並べた第１行列と、前記受光面に入射する光の仰角が異なる各受光素子の出力信号を、行番号若しくは列番号が増大するにつれて、仰角が増大若しくは減少するように並べた第２行列と、を形成することを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
3. 前記角度算出部は、前記受光素子の出力信号の電圧値が閾値電圧よりも高い場合にＨｉ信号を出力し、前記受光素子の出力信号の電圧値が閾値電圧よりも低い場合にＬｏ信号を出力する比較部を有し、
   前記分布形成部は、前記Ｈｉ信号が一度も入力されていない場合に「０」のフラグを立て続け、前記Ｈｉ信号が一度でも入力された場合に、フラグを「０」にするリセット信号が入力されるまで、「１」のフラグを立て続けるフリップフロップを複数有し、
   前記第１行列及び前記第２行列の各要素の値は、１つの前記フリップフロップのフラグであり、
   前記第１行列及び前記第２行列それぞれは、１列若しくは１行の行列であり、
   前記第１行列を成す１つのフリップフロップには、前記受光面に入射する光の左右角が同一であり、前記受光面に入射する光の仰角が異なる各受光素子の出力信号が、前記比較部を介して順次入力され、
   前記第２行列を成す１つのフリップフロップには、前記受光面に入射する光の仰角が同一であり、前記受光面に入射する光の左右角が異なる各受光素子の出力信号が、前記比較部を介して順次入力されることを特徴とする請求項２に記載の光センサ装置。
4. 前記角度算出部は、
   対応する１つの前記受光素子と前記比較部との電気的な接続を開閉制御する第１スイッチと、
   対応する１つの前記フリップフロップと前記比較部との電気的な接続を開閉制御する第２スイッチと、
   複数の前記第１スイッチを順次一つずつ閉状態とし、閉状態とされた前記第１スイッチに対応する前記第２スイッチを閉状態とするアドレスデコーダと、を有することを特徴とする請求項３に記載の光センサ装置。
5. 複数の前記受光素子よりも受光面積が広い、照射量検出用受光素子が前記半導体基板に形成されており、
   前記角度算出部は、前記照射量検出用受光素子の出力信号に基づいて、前記閾値電圧を生成する基準電圧生成部を有することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の光センサ装置。
6. 前記照射量検出用受光素子の出力信号と、複数の前記受光素子の内、最も強い出力信号を出力している受光素子の受光面に入射する光の角度とに基づいて、前記半導体基板に照射される光の照射量を算出する照射量算出部を有することを特徴とする請求項５に記載の光センサ装置。
7. 最も強い出力信号を出力している受光素子の出力信号と、その受光素子の受光面に入射する光の角度とに基づいて、前記半導体基板に照射される光の照射量を算出する照射量算出部を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の光センサ装置。
8. 前記受光素子は、前記半導体基板の任意点から放射状に延びた複数の仮想直線それぞれの上に複数配置されて、前記受光素子が放射状に配置されており、
   放射状に配置された複数の前記受光素子それぞれに対応する開口部によって規定される光の仰角が、前記任意点から離れるにしたがって小さくなる若しくは大きくなることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の光センサ装置。
9. 前記任意点から、１９本の前記仮想直線が延び、
   隣接する前記仮想直線が成す、前記任意点周りの角度が１０°となっており、
   １本の前記仮想直線には、前記任意点から離れるにしたがって、受光面に入射する光の仰角が１０°ずつ小さくなる若しくは大きくなるように、９個の前記受光素子が配置されていることを特徴とする請求項８に記載の光センサ装置。
10. 前記遮光膜は、前記透光膜に層状に複数形成されており、複数の前記遮光膜それぞれに形成された開口部によって、前記受光面に入射する光の角度が規定されていることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の光センサ装置。

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