JP2013197243A - 光センサ及びその出力回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】リンギングに起因する感度ズレを低減して高精度化を図ることが可能な光センサ及びその出力回路を提供する。
【解決手段】光センサは、第１のフォトダイオードＡ１と、第１のフォトダイオードＡ１と特性の異なる第２のフォトダイオードＢ１と、ＵＶ領域Ｒ１の光をカットする第１及び第２のＵＶカットフィルタｆ１ａ，ｆ１ｂと、第１のフォトダイオードＡ１に第１のＵＶカットフィルタｆ１ａを用いた場合に生じる感度ズレを第２のフォトダイオードＢ１に第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂを用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正してＵＶ領域Ｒ１の光のみを出力する出力回路１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光センサ及びその出力回路に関する。
従来より、太陽光から特定領域の光を取り出す技術が知られている。例えば、特許文献１には、紫外線を受光して光電流を出力する紫外線センサが開示されている。また、特許文献２には、受けた光のうち可視光のみの照度を検出することができる半導体受光素子が開示されている。
特開２００７−０６７３３１号公報 特開２００５−３１７９９４号公報
しかしながら、従来技術によると、フィルタの透過率の分光感度のリンギングに起因する感度ズレの影響で、精度よく所望の光を取り出すことができなかった。
例えば、ＵＶカットフィルタと２つのフォトダイオードを用いて、図２１（ａ）に示すような太陽光から、図２１（ｂ）に示すようなＵＶ領域Ｒ１の光を取り出す場合について説明する。このような場合、ＵＶ領域Ｒ１の光を取り出すには、図２２（ａ）に示すような“フィルタなしのフォトダイオードＡ１の出力”から、図２２（ｂ）に示すような“フィルタありのフォトダイオードＡ２の出力”を引く必要がある。しかしながら、フォトダイオードに例えばＵＶカットフィルタを付けた場合は、図２３（ａ）に示すように、ＵＶ光以外の光を透過するが、フィルタの透過率の分光感度のリンギングが発生する。リンギングが発生するのは、図２３（ｂ）に示すように、フィルタ表面とフィルタ下部で反射波が干渉するためである。図２２（ｂ）に示すように、フォトダイオードＡ２の出力がリンギングを持つと、図２２（ｃ）に示すように、（フォトダイオードＡ１の出力−フォトダイオードＡ２の出力）もＵＶ領域Ｒ１以外の領域で光が残ってしまい、感度ズレの原因となる。このように、従来は、フィルタの製造バラツキが直接（フォトダイオードＡ１の出力−フォトダイオードＡ２の出力）に影響するため、感度ズレが大きくなる問題があった。
本発明の目的は、リンギングに起因する感度ズレを低減して高精度化を図ることが可能な光センサ及びその出力回路を提供することにある。
本発明の一態様によれば、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特性の異なる第２のフォトダイオードと、特定の波長領域の光をカット又は透過するフィルタと、前記第１のフォトダイオードに前記フィルタを用いた場合に生じる感度ズレをそのフィルタと同種のフィルタを前記第２のフォトダイオードに用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正して前記特定の波長領域の光のみを出力する出力回路とを備える光センサが提供される。
また、本発明の他の態様によれば、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特性の異なる第２のフォトダイオードと、特定の波長領域の光をカットする第１のカットフィルタ及び第２のカットフィルタと、前記第１のフォトダイオードと同一の構成を備え、受光面上に前記第１のカットフィルタを有する第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一の構成を備え、受光面上に前記第２のカットフィルタを有する第４のフォトダイオードと、（前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）−（前記第２のフォトダイオードの出力−前記第４のフォトダイオードの出力）を演算する出力回路とを備える光センサが提供される。
また、本発明の他の態様によれば、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特性の異なる第２のフォトダイオードと、特定の波長領域の光を透過する第１の透過フィルタ及び第２の透過フィルタと、前記第１のフォトダイオードと同一の構成を備え、受光面上に前記第１の透過フィルタを有する第５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一の構成を備え、受光面上に前記第２の透過フィルタを有する第６のフォトダイオードと、（前記第５のフォトダイオードの出力−前記第６のフォトダイオードの出力）を演算する出力回路とを備える光センサが提供される。
また、本発明の他の態様によれば、特定の波長領域の光をカット又は透過するフィルタを第１のフォトダイオードに用いた場合に生じる感度ズレをそのフィルタと同種のフィルタを前記第１のフォトダイオードと特性の異なる第２のフォトダイオードに用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正するための演算を行う演算回路と、前記演算回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路と、前記変換回路からのデジタル信号に所定の演算処理を施して出力するロジック回路とを備える出力回路が提供される。
また、本発明の他の態様によれば、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特性の異なる第２のフォトダイオードと、特定の波長領域の光をカットする第１のカットフィルタ及び第２のカットフィルタと、前記第１のフォトダイオードと同一の構成を備え、受光面上に前記第１のカットフィルタを有する第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一の構成を備え、受光面上に前記第２のカットフィルタを有する第４のフォトダイオードとに接続され、（前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）−（前記第２のフォトダイオードの出力−前記第４のフォトダイオードの出力）を演算する演算回路と、前記演算回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路と、前記変換回路からのデジタル信号に所定の演算処理を施して出力するロジック回路とを備える出力回路が提供される。
また、本発明の他の態様によれば、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特性の異なる第２のフォトダイオードと、特定の波長領域の光を透過する第１の透過フィルタ及び第２の透過フィルタと、前記第１のフォトダイオードと同一の構成を備え、受光面上に前記第１の透過フィルタを有する第５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一の構成を備え、受光面上に前記第２の透過フィルタを有する第６のフォトダイオードとに接続され、（前記第５のフォトダイオードの出力−前記第６のフォトダイオードの出力）を演算する演算回路と、前記演算回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路と、前記変換回路からのデジタル信号に所定の演算処理を施して出力するロジック回路とを備える出力回路が提供される。
また、本発明の他の態様によれば、アナログ信号をデジタル信号に変換する第１の変換回路と、アナログ信号をデジタル信号に変換する第２の変換回路と、前記第１及び第２の変換回路からのデジタル信号に所定の演算処理を施すことによって、特定の波長領域の光をカット又は透過するフィルタを第１のフォトダイオードに用いた場合に生じる感度ズレをそのフィルタと同種のフィルタを前記第１のフォトダイオードと特性の異なる第２のフォトダイオードに用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正するための演算を行うロジック回路とを備える出力回路が提供される。
また、本発明の他の態様によれば、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特性の異なる第２のフォトダイオードと、特定の波長領域の光をカットする第１のカットフィルタ及び第２のカットフィルタと、前記第１のフォトダイオードと同一の構成を備え、受光面上に前記第１のカットフィルタを有する第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一の構成を備え、受光面上に前記第２のカットフィルタを有する第４のフォトダイオードとに接続され、（前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）＋（前記第４のフォトダイオードの出力＋前記第２のフォトダイオードの出力）をアナログ信号からデジタル信号に変換する第１の変換回路と、前記第２のフォトダイオードに接続され、（前記第２のフォトダイオードの出力＋前記第２のフォトダイオードの出力）をアナログ信号からデジタル信号に変換する第２の変換回路と、前記第１及び第２の変換回路からのデジタル信号に所定の演算処理を施すことによって、（前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）−（前記第２のフォトダイオードの出力−前記第４のフォトダイオードの出力）を演算するロジック回路とを備える出力回路が提供される。
本発明によれば、リンギングに起因する感度ズレを低減して高精度化を図ることが可能な光センサ及びその出力回路を提供することができる。
第１の実施の形態に係る光センサの処理内容を概念的に示すグラフであって、（ａ）（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）を示すグラフ、（ｂ）第２のフォトダイオードＢ１の出力を示すグラフ、（ｃ）第４のフォトダイオードＢ２の出力を示すグラフ、（ｄ）（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を示すグラフ、（ｅ）（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を示すグラフ。 第１の実施の形態に係る光センサのレイアウト例を示す模式的平面図。 第１の実施の形態に係る出力回路の構成例を示す模式的ブロック構成図。 第１の実施の形態に係る演算回路の内部構成例を示す模式的回路構成図。 第１の実施の形態に係るＵＶ光出力の具体例を説明するための図であって、（ａ）第１及び第２のＵＶカットフィルタの特性を示すグラフ、（ｂ）太陽光スペクトラムを示すグラフ。 第１の実施の形態に係るＵＶ光出力の具体例を説明するための図であって、（ａ）第１のフォトダイオードＡ１の出力と第３のフォトダイオードＡ２の出力を示すグラフ、（ｂ）（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）を示すグラフ、（ｃ）第２のフォトダイオードＢ１の出力と第４のフォトダイオードＢ２の出力を示すグラフ、（ｄ）（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を示すグラフ、（ｅ）（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を示すグラフ。 第１の実施の形態に係るフォトダイオードの面積を説明するための図。 第１の実施の形態に係るフォトダイオードの模式的断面構造図。 第１の実施の形態に係るフォトダイオードの模式的回路構成図。 第１の実施の形態に係るフォトダイオードの特性を示すグラフ。 第１の実施の形態に係るフィルタ層の模式的断面構造図。 第１の実施の形態に係る他のフィルタ層の模式的断面構造図。 第２の実施の形態に係る光センサのレイアウト例を示す模式的平面図。 第２の実施の形態に係る第１及び第２のＵＶ透過フィルタの特性を示すグラフ。 第２の実施の形態に係る出力回路の構成例を示す模式的ブロック構成図。 第２の実施の形態に係る演算回路の内部構成例を示す模式的回路構成図。 第２の実施の形態に係るＵＶ光出力の具体例を説明するための図であって、（ａ）第５のフォトダイオードＡ３の出力を示すグラフ、（ｂ）第６のフォトダイオードＢ３の出力を示すグラフ、（ｃ）（第５のフォトダイオードＡ３の出力−第６のフォトダイオードＢ３の出力）を示すグラフ。 第３の実施の形態に係る出力回路の構成例を示す模式的ブロック構成図。 第３の実施の形態に係るフォトダイオードの模式的回路構成図であって、電流ＩＡ１＋ＩＢ１を取り出す場合を示す図。 第３の実施の形態に係るフォトダイオードの模式的回路構成図であって、（ａ）電流ＩＢ２を取り出す場合を示す図、（ｂ）電流ＩＡ２を取り出す場合を示す図、（ｃ）電流ＩＡ１＋ＩＢ１を取り出す場合を示す図、（ｄ）電流ＩＢ１を取り出す場合を示す図。 従来の課題を説明するための図であって、（ａ）太陽光スペクトラムを示すグラフ、（ｂ）ＵＶ領域の光を取り出す場合を示すグラフ。 従来の課題を説明するための図であって、（ａ）フィルタなしのフォトダイオードの出力を示すグラフ、（ｂ）フィルタありのフォトダイオードの出力を示すグラフ。 従来の課題を説明するための図であって、（ａ）ＵＶカットフィルタの特性を示すグラフ、（ｂ）リンギングを説明するための図。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
［第１の実施の形態］
以下、図１〜図１２を用いて、第１の実施の形態に係る光センサを説明する。
本実施の形態に係る光センサは、第１のフォトダイオードＡ１と、第１のフォトダイオードＡ１と特性の異なる第２のフォトダイオードＢ１と、ＵＶ領域Ｒ１の光をカットする第１及び第２のＵＶカットフィルタｆ１ａ，ｆ１ｂと、第１のフォトダイオードＡ１に第１のＵＶカットフィルタｆ１ａを用いた場合に生じる感度ズレを第２のフォトダイオードＢ１に第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂを用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正してＵＶ領域Ｒ１の光のみを出力する出力回路１とを備える。
具体的には、第１のフォトダイオードＡ１と、第１のフォトダイオードＡ１と特性の異なる第２のフォトダイオードＢ１と、ＵＶ領域Ｒ１の光をカットする第１のＵＶカットフィルタｆ１ａ及び第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂと、第１のフォトダイオードＡ１と同一の構成を備え、受光面上に第１のＵＶカットフィルタｆ１ａを有する第３のフォトダイオードＡ２と、第２のフォトダイオードＢ１と同一の構成を備え、受光面上に第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂを有する第４のフォトダイオードＢ２と、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を演算する出力回路１とを備える。
また、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を演算した場合にＵＶ領域Ｒ１以外の領域の電流値が０になるように第１から第４のフォトダイオードＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の面積があらかじめ調整されていてもよい。
また、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を演算した場合にＵＶ領域Ｒ１以外の領域の電流値が０になるように出力回路１における演算方法があらかじめ調整されていてもよい。
また、第１のフォトダイオードＡ１は、ＵＶ領域Ｒ１の感度が高いフォトダイオードであり、第２のフォトダイオードＢ１は、ＵＶ領域Ｒ１の感度が低いフォトダイオードであってもよい。
（光センサの処理内容）
図１は、第１の実施の形態に係る光センサの処理内容を概念的に示すグラフである。図１（ａ）は、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）を示している。第１のフォトダイオードＡ１は、ＵＶ領域Ｒ１の感度が高いフォトダイオードである。第３のフォトダイオードＡ２は、第１のフォトダイオードＡ１と同一の構成を備え、受光面上に第１のＵＶカットフィルタｆ１ａを有するものである。図中に点線で示すように、取り出したいＵＶ領域Ｒ１以外の領域でフィルタに起因する感度ズレが生じている。図１（ｂ）は、第２のフォトダイオードＢ１の出力を示している。第２のフォトダイオードＢ１は、ＵＶ領域Ｒ１の感度が低いフォトダイオードである。図１（ｃ）は、第４のフォトダイオードＢ２の出力を示している。第４のフォトダイオードＢ２は、第２のフォトダイオードＢ１と同一の構成を備え、受光面上に第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂを有するものである。図１（ｄ）は、（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を示している。図１（ｅ）は、図１（ａ）の演算結果から図１（ｄ）の演算結果を引いたものである。すなわち、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を示している。この図１（ｅ）に示すように、４つのフォトダイオードＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の出力の足し合わせにより、フィルタの透過率の分光感度のリンギングに起因する感度ズレを低減し、高精度化を図ることが可能となる。
（光センサのレイアウト例）
図２は、第１の実施の形態に係る光センサのレイアウト例を示す模式的平面図である。この光センサは、２つのＵＶカットフィルタｆ１ａ，ｆ１ｂと４つのフォトダイオードＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を用いてＵＶ光のみを取り出す。
第１及び第２のＵＶカットフィルタｆ１ａ，ｆ１ｂは、ＵＶ領域Ｒ１の光をカットする。第１のＵＶカットフィルタｆ１ａと第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂとは、断面構造は同じであるが、面積は異なる場合がある。
既に説明した通り、第１のフォトダイオードＡ１は、ＵＶ領域Ｒ１の感度が高いフォトダイオードである。第３のフォトダイオードＡ２は、第１のフォトダイオードＡ１と同一の構成を備え、受光面上に第１のＵＶカットフィルタｆ１ａを有するものである。第２のフォトダイオードＢ１は、ＵＶ領域Ｒ１の感度が低いフォトダイオードである。第４のフォトダイオードＢ２は、第２のフォトダイオードＢ１と同一の構成を備え、受光面上に第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂを有するものである。
ここで、第１のフォトダイオードＡ１と第３のフォトダイオードＡ２が同一の構成を有するとは、第１のフォトダイオードＡ１と第３のフォトダイオードＡ２の接合深さ方向の断面構造が同一の構成を有することをいう。第１のフォトダイオードＡ１と第３のフォトダイオードＡ２は、面積は異なる場合がある。
ここで、第２のフォトダイオードＢ１と第４のフォトダイオードＢ２が同一の構成を有するとは、第２のフォトダイオードＢ１と第４のフォトダイオードＢ２の接合深さ方向の断面構造が同一の構成を有することをいう。第２のフォトダイオードＢ１と第４のフォトダイオードＢ２は、面積は異なる場合がある。
（出力回路の構成例）
図３は、第１の実施の形態に係る出力回路１の構成例を示す模式的ブロック構成図である。この出力回路１は、４つのフォトダイオードＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の出力に所定の処理を施して、Ｉ２Ｃ（Inter-Integrated Circuit）等の通信方式により出力する回路である。具体的には、図３に示すように、演算回路１０と、ＡＤＣ２０と、ロジック回路３０とを備えている。演算回路１０は、第１のＵＶカットフィルタｆ１ａを第１のフォトダイオードＡ１に用いた場合に生じる感度ズレを第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂを第２のフォトダイオードＢ１に用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正するための演算を行う。具体的には、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を演算する。演算回路１０の内部構成例を図４に示す。もちろん、演算回路１０の内部構成はこれに限定されるものではない。ＡＤＣ２０は、演算回路１０からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。ロジック回路３０は、ＡＤＣ２０からのデジタル信号に所定の演算処理を施して出力する。
（ＵＶ光出力の具体例）
図５（ａ）は、第１及び第２のＵＶカットフィルタｆ１ａ，ｆ１ｂの特性を示すグラフである。第１及び第２のＵＶカットフィルタｆ１ａ，ｆ１ｂは、ＵＶ領域Ｒ１の光をカットする多層膜フィルタである。図中に点線で示すように、多層膜フィルタにリンギングがあり、可視光領域にカットできない誤差を含んでしまう。図５（ｂ）は、太陽光スペクトラムを示している。ＵＶ光１００〜３８０〔ｎｍ〕よりも可視光３８０〜７８０〔ｎｍ〕の相対出力の方が遥かに大きく、可視光の影響が大きい。図中に点線で示すように、ＵＶ光に対して可視光のピークが高いことが分かる。
図６（ａ）は、第１のフォトダイオードＡ１の出力と第３のフォトダイオードＡ２の出力を示している。第１のフォトダイオードＡ１としては“多層膜フィルタなしＮＳＤ／ＰＷ”を例示し、第３のフォトダイオードＡ２としては“多層膜フィルタありＮＳＤ／ＰＷ”を例示している。図６（ｂ）は、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）を示している。図６（ｃ）は、第２のフォトダイオードＢ１の出力と第４のフォトダイオードＢ２の出力を示している。第２のフォトダイオードＢ１としては“多層膜フィルタなしＬＩ／ＢＬ”を例示し、第４のフォトダイオードＢ２としては“多層膜フィルタありＬＩ／ＢＬ”を例示している。図６（ｄ）は、（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を示している。図６（ｅ）は、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を示している。図６（ｂ）（ｅ）において点線で囲われた領域を比較すると、カットしたい可視光領域Ｒ２におけるリンギングが低減されていることが分かる。このように、本実施の形態によれば、ＵＶ光のみに感度を持つフォトダイオードの出力を得ることができる。
（調整処理）
本実施の形態では、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を演算した場合にＵＶ領域Ｒ１以外の領域の電流値が０になるように、あらかじめ調整するようにしている。これにより、太陽光が積分されるために可視光がカットされる。
例えば、フォトダイオードＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の面積をあらかじめ調整する。具体的には、図６（ｅ）に示すように、カットしたい可視光領域Ｒ２の積分値が０になるように、各フォトダイオードＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の接合面積をトリミング等の方法により調整する。この調整結果の一例を図７に示す。ここでは、“フィルタなしＮＳＤ／ＰＷ”の面積比を１．０００としている。この場合、“フィルタありＮＳＤ／ＰＷ”の面積比は０．９５７、“フィルタなしＬＩ／ＢＬ”の面積比は０．６００、“フィルタありＬＩ／ＢＬ”の面積比は０．５６９とするのが適当である。
あるいは、出力回路１における演算方法をあらかじめ調整しておいてもよい。例えば、カレントミラーのミラー比を調整することで、フォトダイオードＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２から出力される各電流値を調整することができる。ここでいう各電流値とは、具体的には、図４に示す電流値ＩＡ１，ＩＡ２，ＩＢ１，ＩＢ２である。このように、電流値ＩＡ１，ＩＡ２，ＩＢ１，ＩＢ２を調整すれば、フォトダイオードＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の面積が同じでも、ＵＶ領域Ｒ１以外の領域の電流値が０になるように調整することができる。
（フォトダイオード、フィルタ）
図８は、第１の実施の形態に係るフォトダイオードの模式的断面構造図であり、図９は、その等価回路図である。この図に示すように、ＢＬ／ｓｕｂ、ＢＬ／ＬＩ（ＰＷ）、ＮＳＤ／ＰＷの３つのＰＮ接合を持ち、それぞれ特性が異なる。すなわち、図１０に示すように、表面にあるほど短い波長の光を吸収しやすい。図８や図９では、ＢＬ／ｓｕｂをフォトダイオードＤ１、ＮＳＤ／ＰＷをフォトダイオードＤ２、ＢＬ／ＬＩをフォトダイオードＤ３と記載している。本実施の形態では、ＵＶ領域Ｒ１の感度が高い第１のフォトダイオードＡ１と、ＵＶ領域Ｒ１の感度が低い第２のフォトダイオードＢ１を使用している。第１のフォトダイオードＡ１はフォトダイオードＤ２に相当し、第２のフォトダイオードＢ１はフォトダイオードＤ３に相当する。
図８に示すように、フォトダイオード構造４３の上にパッシベーション層４２が形成され、更にその上にフィルタ層４１が形成されている。例えば、フィルタ層４１は、図１１に示すように、ＳｉＯ２とＴｉＯ２が順に繰り返し積層された多層膜である。膜厚や層数によりフィルタの特性を変えることができる。あるいは、図１２に示すように、アクリル系樹脂（ＰＭＭＡ）によりフィルタ層４１を形成するようにしてもよい。フィルタ層４１の構成は様々あり、特に限定されるものではない。
以上のように、本実施の形態では、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を演算するようにしている。言い換えると、第１のフォトダイオードＡ１に第１のＵＶカットフィルタｆ１ａを用いた場合に生じる感度ズレを第２のフォトダイオードＢ１に第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂを用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正している。これにより、リンギングに起因する感度ズレを低減して高精度化を図ることができるため、波長選択性が向上して特定の波長の光のみに感度を持つフォトダイオードの出力を得ることが可能となる。
［第２の実施の形態］
以下、図１３〜図１７を用いて、第２の実施の形態に係る光センサを第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
本実施の形態に係る光センサは、第１のフォトダイオードＡ１と、第１のフォトダイオードＡ１と特性の異なる第２のフォトダイオードＢ１と、ＵＶ領域Ｒ１の光を透過する第１及び第２のＵＶ透過フィルタｆ２ａ，ｆ２ｂと、第１のフォトダイオードＡ１に第１のＵＶ透過フィルタｆ２ａを用いた場合に生じる感度ズレを第２のフォトダイオードＢ１に第２のＵＶ透過フィルタｆ２ｂを用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正してＵＶ領域Ｒ１の光のみを出力する出力回路１とを備える。
具体的には、第１のフォトダイオードＡ１と、第１のフォトダイオードＡ１と特性の異なる第２のフォトダイオードＢ１と、ＵＶ領域Ｒ１の光を透過する第１のＵＶ透過フィルタｆ２ａ及び第２のＵＶ透過フィルタｆ２ｂと、第１のフォトダイオードＡ１と同一の構成を備え、受光面上に第１のＵＶ透過フィルタｆ２ａを有する第５のフォトダイオードＡ３と、第２のフォトダイオードＢ１と同一の構成を備え、受光面上に第２のＵＶ透過フィルタｆ２ｂを有する第６のフォトダイオードＢ３と、（第５のフォトダイオードＡ３の出力−第６のフォトダイオードＢ３の出力）を演算する出力回路１とを備える。
また、（第５のフォトダイオードＡ３の出力−第６のフォトダイオードＢ３の出力）を演算した場合にＵＶ領域Ｒ１以外の領域の電流値が０になるように第５及び第６のフォトダイオードＡ３，Ｂ３の面積があらかじめ調整されていてもよい。
また、（第５のフォトダイオードＡ３の出力−第６のフォトダイオードＢ３の出力）を演算した場合にＵＶ領域Ｒ１以外の領域の電流値が０になるように出力回路１における演算方法があらかじめ調整されていてもよい。
（光センサのレイアウト例）
図１３は、第２の実施の形態に係る光センサのレイアウト例を示す模式的平面図である。この光センサは、２つのＵＶ透過フィルタｆ２ａ，ｆ２ｂと２つのフォトダイオードＡ３，Ｂ３を用いてＵＶ光のみを取り出す。第１及び第２のＵＶ透過フィルタｆ２ａ，ｆ２ｂは、図１４に示すように、ＵＶ領域Ｒ１の光を透過する。第１及び第２のＵＶ透過フィルタｆ２ａ，ｆ２ｂの構成は特に限定されるものではない。第１のＵＶ透過フィルタｆ２ａと第２のＵＶ透過フィルタｆ２ｂとは、断面構造は同じであるが、面積は異なる場合がある。第５のフォトダイオードＡ３は、第１のフォトダイオードＡ１と同一の構成を備え、受光面上に第１のＵＶ透過フィルタｆ２ａを有するものである。第６のフォトダイオードＢ３は、第２のフォトダイオードＢ１と同一の構成を備え、受光面上に第２のＵＶ透過フィルタｆ２ｂを有するものである。
ここで、第１のフォトダイオードＡ１と第５のフォトダイオードＡ３が同一の構成を有するとは、第１のフォトダイオードＡ１と第５のフォトダイオードＡ３の接合深さ方向の断面構造が同一の構成を有することをいう。第１のフォトダイオードＡ１と第５のフォトダイオードＡ３は、面積は異なる場合がある。
ここで、第２のフォトダイオードＢ１と第６のフォトダイオードＢ３が同一の構成を有するとは、第２のフォトダイオードＢ１と第６のフォトダイオードＢ３の接合深さ方向の断面構造が同一の構成を有することをいう。第２のフォトダイオードＢ１と第６のフォトダイオードＢ３は、面積は異なる場合がある。
（出力回路の構成例）
図１５は、第２の実施の形態に係る出力回路１の構成例を示す模式的ブロック構成図である。処理対象が４つのフォトダイオードＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の出力から２つのフォトダイオードＡ３，Ｂ３の出力になった点を除き、第１の実施の形態と基本的に同じである。すなわち、出力回路１は、２つのフォトダイオードＡ３，Ｂ３の出力に所定の処理を施して、Ｉ２Ｃ等の通信方式により出力する回路である。具体的には、図１５に示すように、演算回路１１と、ＡＤＣ２０と、ロジック回路３０とを備えている。演算回路１１は、（第５のフォトダイオードＡ３の出力−第６のフォトダイオードＢ３の出力）を演算し、その演算結果をＡＤＣ２０に渡す。演算回路１１の内部構成例を図１６に示す。その他の構成については、第１の実施の形態と同様であるため、ここでは詳しい説明を省略する。
（ＵＶ光出力の具体例）
図１７（ａ）は、第５のフォトダイオードＡ３の出力を示している。図１７（ｂ）は、第６のフォトダイオードＢ３の出力を示している。図１７（ｃ）は、（第５のフォトダイオードＡ３の出力−第６のフォトダイオードＢ３の出力）を示している。図１７（ａ）（ｃ）において点線で囲われた領域を比較すると、カットしたい可視光領域Ｒ２におけるリンギングが低減されていることが分かる。このように、本実施の形態によれば、ＵＶ光のみに感度を持つフォトダイオードの出力を得ることができる。
以上のように、本実施の形態では、（第５のフォトダイオードＡ３の出力−第６のフォトダイオードＢ３の出力）を演算するようにしている。言い換えると、第１のフォトダイオードＡ１に第１のＵＶ透過フィルタｆ２ａを用いた場合に生じる感度ズレを第２のフォトダイオードＢ１に第２のＵＶ透過フィルタｆ２ｂを用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正している。このような構成によっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
［第３の実施の形態］
以下、図１８〜図２０を用いて、第３の実施の形態に係る光センサを第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
本実施の形態に係る出力回路１は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ２１と、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ２２と、ＡＤＣ２１及びＡＤＣ２２からのデジタル信号に所定の演算処理を施すことによって、第１のフォトダイオードＡ１に第１のＵＶカットフィルタｆ１ａを用いた場合に生じる感度ズレを第２のフォトダイオードＢ１に第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂを用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正するための演算を行うロジック回路３１とを備える。
具体的には、第１のフォトダイオードＡ１と、第１のフォトダイオードＡ１と特性の異なる第２のフォトダイオードＢ１と、第１のＵＶカットフィルタｆ１ａ及び第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂと、第１のフォトダイオードＡ１と同一の構成を備え、受光面上に第１のＵＶカットフィルタｆ１ａを有する第３のフォトダイオードＡ２と、第２のフォトダイオードＢ１と同一の構成を備え、受光面上に第２のＵＶカットフィルタｆ１ｂを有する第４のフォトダイオードＢ２とに接続され、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）＋（第４のフォトダイオードＢ２の出力＋第２のフォトダイオードＢ１の出力）をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤＣ２１と、第２のフォトダイオードＢ１に接続され、（第２のフォトダイオードＢ１の出力＋第２のフォトダイオードＢ１の出力）をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤＣ２２と、ＡＤＣ２１及びＡＤＣ２２からのデジタル信号に所定の演算処理を施すことによって、（第１のフォトダイオードＡ１の出力−第３のフォトダイオードＡ２の出力）−（第２のフォトダイオードＢ１の出力−第４のフォトダイオードＢ２の出力）を演算するロジック回路３１とを備える。
（出力回路の構成例）
図１８は、第３の実施の形態に係る出力回路１の構成例を示す模式的ブロック構成図である。第１の実施の形態（図３）と異なる点は、演算回路１０を使用しない点である。フォトダイオードの組み合わせを二組に分け、それぞれの出力をＡＤＣ２１，２２で処理し、そのデジタル信号にロジック回路３１で所定の演算処理を施して第１の実施の形態と同様の出力が得られるようになっている。具体的には、図１８に示すように、ＡＤＣ２１には電流値（イ）＝（ＩＡ１−ＩＡ２）＋（ＩＢ２＋ＩＢ１）が入力され、ＡＤＣ２２には電流値（ロ）＝ＩＢ１＋ＩＢ１が入力される。ロジック回路３１は、これら電流値（イ）（ロ）が入力されると、（イ）−（ロ）＝（ＩＡ１−ＩＡ２）−（ＩＢ１−ＩＢ２）を演算する。Ａは、ＮＳＤ／ＰＷの出力を示し、Ｂは、ＬＩ／ＢＬの出力を示している。Ａ（ＮＳＤ／ＰＷ）のみの電流を下側に取り出すことができないので、ここでは、図１９に示すように、電流ＩＡ１＋ＩＢ１＝ＮＳＤ／ＰＷ＋ＬＩ／ＢＬを取り出すようにしている。
以下、図２０を用いて、各電流の取り出し方法について説明する。図２０（ａ）は、電流ＩＢ２を取り出す場合を示し、フィルタありＬＩ／ＢＬを取り出している。図２０（ｂ）は、電流ＩＡ２を取り出す場合を示し、フィルタありＮＳＤ／ＰＷを取り出している。図２０（ｃ）は、電流ＩＡ１＋ＩＢ１を取り出す場合を示し、フィルタなしＮＳＤ／ＰＷ＋フィルタなしＬＩ／ＢＬを取り出している。図２０（ｄ）は、電流ＩＢ１を取り出す場合を示し、フィルタなしＬＩ／ＢＬを取り出している。このようにフォトダイオードＤ１〜Ｄ３の接続方法を変えることによって各電流を取り出すことが可能である。
以上のように、本実施の形態では、演算回路（アナログ回路）１０を使用しないようにしているため、アナログ回路による誤差（リーク電流、カレントミラーの寄生容量による遅延、カレントミラー精度）をなくすことができる。また、同形状のＡＤＣ２１，２２を用いれば、製造上のバラツキをキャンセルすることができるため、精度が増す。さらに、各ＡＤＣ２１，２２の積分時間を変えれば、最終出力のトリミングを行うことが可能である。しかも、積分時間の変更のみで済むため、調整処理が容易である。ここでは、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明したが、第２の実施の形態でも同様、演算回路１０を使用しないようにしてもよい。
以上説明したように、本発明によれば、リンギングに起因する感度ズレを低減して高精度化を図ることが可能な光センサ及びその出力回路１を提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。例えば、第１〜第３の実施の形態では、ＵＶ光のみを取り出す光センサを例示して説明したが、ＵＶ光以外の波長領域の光を取り出す光センサが本発明に含まれることはもちろんである。
本発明に係る光センサ及びその出力回路は、ＵＶ計、照度計、スマートフォン、タブレットなどの様々な電子機器に適用することが可能である。
Ａ１…第１のフォトダイオード
Ｂ１…第２のフォトダイオード
Ａ２…第３のフォトダイオード
Ｂ２…第４のフォトダイオード
Ａ３…第５のフォトダイオード
Ｂ３…第６のフォトダイオード
ｆ１ａ…第１のカットフィルタ（第１のＵＶカットフィルタ）
ｆ１ｂ…第２のカットフィルタ（第２のＵＶカットフィルタ）
ｆ２ａ…第１の透過フィルタ（第１のＵＶ透過フィルタ）
ｆ２ｂ…第２の透過フィルタ（第２のＵＶ透過フィルタ）
Ｒ１…ＵＶ領域
１…出力回路
１０，１１…演算回路
２０…変換回路（ＡＤＣ）
２１…第１の変換回路（ＡＤＣ）
２２…第２の変換回路（ＡＤＣ）
３０，３１…ロジック回路
４１…フィルタ（フィルタ層）

Claims (22)

  1. 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特性の異なる第２のフォトダイオードと、
    特定の波長領域の光をカット又は透過するフィルタと、
    前記第１のフォトダイオードに前記フィルタを用いた場合に生じる感度ズレをそのフィルタと同種のフィルタを前記第２のフォトダイオードに用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正して前記特定の波長領域の光のみを出力する出力回路と
    を備えることを特徴とする光センサ。
  2. 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特性の異なる第２のフォトダイオードと、
    特定の波長領域の光をカットする第１のカットフィルタ及び第２のカットフィルタと、
    前記第１のフォトダイオードと同一の構成を備え、受光面上に前記第１のカットフィルタを有する第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一の構成を備え、受光面上に前記第２のカットフィルタを有する第４のフォトダイオードと、
    （前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）−（前記第２のフォトダイオードの出力−前記第４のフォトダイオードの出力）を演算する出力回路と
    を備えることを特徴とする光センサ。
  3. （前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）−（前記第２のフォトダイオードの出力−前記第４のフォトダイオードの出力）を演算した場合に前記特定の波長領域以外の領域の電流値が０になるように前記第１から第４のフォトダイオードの面積があらかじめ調整されていることを特徴とする請求項２に記載の光センサ。
  4. （前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）−（前記第２のフォトダイオードの出力−前記第４のフォトダイオードの出力）を演算した場合に前記特定の波長領域以外の領域の電流値が０になるように前記出力回路における演算方法があらかじめ調整されていることを特徴とする請求項２に記載の光センサ。
  5. 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特性の異なる第２のフォトダイオードと、
    特定の波長領域の光を透過する第１の透過フィルタ及び第２の透過フィルタと、
    前記第１のフォトダイオードと同一の構成を備え、受光面上に前記第１の透過フィルタを有する第５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一の構成を備え、受光面上に前記第２の透過フィルタを有する第６のフォトダイオードと、
    （前記第５のフォトダイオードの出力−前記第６のフォトダイオードの出力）を演算する出力回路と
    を備えることを特徴とする光センサ。
  6. （前記第５のフォトダイオードの出力−前記第６のフォトダイオードの出力）を演算した場合に前記特定の波長領域以外の領域の電流値が０になるように前記第５及び第６のフォトダイオードの面積があらかじめ調整されていることを特徴とする請求項５に記載の光センサ。
  7. （前記第５のフォトダイオードの出力−前記第６のフォトダイオードの出力）を演算した場合に前記特定の波長領域以外の領域の電流値が０になるように前記出力回路における演算方法があらかじめ調整されていることを特徴とする請求項５に記載の光センサ。
  8. 前記第１のフォトダイオードは、前記特定の波長領域の感度が高いフォトダイオードであり、前記第２のフォトダイオードは、前記特定の波長領域の感度が低いフォトダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
  9. 前記特定の波長領域は、ＵＶ領域であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
  10. 前記フィルタは、ＳｉＯ２とＴｉＯ２が順に繰り返し積層された多層膜であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
  11. 特定の波長領域の光をカット又は透過するフィルタを第１のフォトダイオードに用いた場合に生じる感度ズレをそのフィルタと同種のフィルタを前記第１のフォトダイオードと特性の異なる第２のフォトダイオードに用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正するための演算を行う演算回路と、
    前記演算回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路と、
    前記変換回路からのデジタル信号に所定の演算処理を施して出力するロジック回路と
    を備えることを特徴とする出力回路。
  12. 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特性の異なる第２のフォトダイオードと、特定の波長領域の光をカットする第１のカットフィルタ及び第２のカットフィルタと、前記第１のフォトダイオードと同一の構成を備え、受光面上に前記第１のカットフィルタを有する第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一の構成を備え、受光面上に前記第２のカットフィルタを有する第４のフォトダイオードとに接続され、（前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）−（前記第２のフォトダイオードの出力−前記第４のフォトダイオードの出力）を演算する演算回路と、
    前記演算回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路と、
    前記変換回路からのデジタル信号に所定の演算処理を施して出力するロジック回路と
    を備えることを特徴とする出力回路。
  13. （前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）−（前記第２のフォトダイオードの出力−前記第４のフォトダイオードの出力）を演算した場合に前記特定の波長領域以外の領域の電流値が０になるように前記第１から第４のフォトダイオードの面積があらかじめ調整されていることを特徴とする請求項１２に記載の出力回路。
  14. （前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）−（前記第２のフォトダイオードの出力−前記第４のフォトダイオードの出力）を演算した場合に前記特定の波長領域以外の領域の電流値が０になるように演算方法があらかじめ調整されていることを特徴とする請求項１２に記載の出力回路。
  15. 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特性の異なる第２のフォトダイオードと、特定の波長領域の光を透過する第１の透過フィルタ及び第２の透過フィルタと、前記第１のフォトダイオードと同一の構成を備え、受光面上に前記第１の透過フィルタを有する第５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一の構成を備え、受光面上に前記第２の透過フィルタを有する第６のフォトダイオードとに接続され、（前記第５のフォトダイオードの出力−前記第６のフォトダイオードの出力）を演算する演算回路と、
    前記演算回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路と、
    前記変換回路からのデジタル信号に所定の演算処理を施して出力するロジック回路と
    を備えることを特徴とする出力回路。
  16. （前記第５のフォトダイオードの出力−前記第６のフォトダイオードの出力）を演算した場合に前記特定の波長領域以外の領域の電流値が０になるように前記第５及び第６のフォトダイオードの面積があらかじめ調整されていることを特徴とする請求項１５に記載の出力回路。
  17. （前記第５のフォトダイオードの出力−前記第６のフォトダイオードの出力）を演算した場合に前記特定の波長領域以外の領域の電流値が０になるように演算方法があらかじめ調整されていることを特徴とする請求項１５に記載の出力回路。
  18. 前記第１のフォトダイオードは、前記特定の波長領域の感度が高いフォトダイオードであり、前記第２のフォトダイオードは、前記特定の波長領域の感度が低いフォトダイオードであることを特徴とする請求項１１に記載の出力回路。
  19. 前記特定の波長領域は、ＵＶ領域であることを特徴とする請求項１１に記載の出力回路。
  20. 前記フィルタは、ＳｉＯ２とＴｉＯ２が順に繰り返し積層された多層膜であることを特徴とする請求項１１に記載の出力回路。
  21. アナログ信号をデジタル信号に変換する第１の変換回路と、
    アナログ信号をデジタル信号に変換する第２の変換回路と、
    前記第１及び第２の変換回路からのデジタル信号に所定の演算処理を施すことによって、特定の波長領域の光をカット又は透過するフィルタを第１のフォトダイオードに用いた場合に生じる感度ズレをそのフィルタと同種のフィルタを前記第１のフォトダイオードと特性の異なる第２のフォトダイオードに用いた場合に生じる感度ズレに基づいて補正するための演算を行うロジック回路と
    を備えることを特徴とする出力回路。
  22. 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特性の異なる第２のフォトダイオードと、特定の波長領域の光をカットする第１のカットフィルタ及び第２のカットフィルタと、前記第１のフォトダイオードと同一の構成を備え、受光面上に前記第１のカットフィルタを有する第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一の構成を備え、受光面上に前記第２のカットフィルタを有する第４のフォトダイオードとに接続され、（前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）＋（前記第４のフォトダイオードの出力＋前記第２のフォトダイオードの出力）をアナログ信号からデジタル信号に変換する第１の変換回路と、
    前記第２のフォトダイオードに接続され、（前記第２のフォトダイオードの出力＋前記第２のフォトダイオードの出力）をアナログ信号からデジタル信号に変換する第２の変換回路と、
    前記第１及び第２の変換回路からのデジタル信号に所定の演算処理を施すことによって、（前記第１のフォトダイオードの出力−前記第３のフォトダイオードの出力）−（前記第２のフォトダイオードの出力−前記第４のフォトダイオードの出力）を演算するロジック回路と
    を備えることを特徴とする出力回路。
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