JP2018004439A - 光センサ及びその補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化と低消費電力化及び光電流の検知精度を高めることができる高精度な光センサを提供する。【解決手段】光センサ１０は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２を含み、これらのスイッチは第１ステップ及び第２ステップで切替えられ、各受光部（フォトダイオード）と３つのアナログ・デジタルコンバータ（ＡＤＣ）との結合が切替えられる。スイッチの第１のステップで青色受光部ＢＬＵＥ、緑色受光部ＧＲＥＥＮ、赤色受光部ＲＥＤに生じる光電流をリアルタイムに処理する。第２のステップで赤外光受光部Ｉｒ及び環境光受光部ＣＬＥＡＲと、緑色受光部ＧＲＥＥＮに生じた光電流を処理する。第１ステップで生じていた赤外光受光部Ｉｒ及び環境光受光部ＣＬＥＡＲの光電流は、緑色受光部ＧＲＥＥＮで測定した２つの光電流の比から算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチ回路を備える光センサ及びその補正方法に関する。

近年、光センサは、スマートフォン、デジタルスチルカメラ、ナビゲーションシステム、タブレット端末等各種各様の電子機器に広く採用されている。

図８は、例えば５種類の光を検知するために用意された光センサを示す。光センサ１は赤外光受光部Ｉｒ、青色受光部ＢＬＵＥ、緑色受光部ＧＲＥＥＮ、赤色受光部ＲＥＤ、及び環境光受光部ＣＬＥＡＲを有する。青色受光部ＢＬＵＥ、緑色受光部ＧＲＥＥＮ及び赤色受光部ＲＥＤは赤外光カットフィルタ２で覆われている。赤外光受光部Ｉｒにはフォトダイオード３Ｉ、青色受光部ＢＵＬＥにはフォトダイオード３Ｂ、緑色受光部ＧＲＥＥＮにはフォトダイオード３Ｇ、赤色受光部ＲＥＤにはフォトダイオード３Ｒ、環境光受光部ＣＬＥＡＲにはフォトダイオード３Ｃがそれぞれ用意されている。さらに各受光部にはアナログ−デジタル変換器(以下ＡＤＣ)が結合されている、具体的にはＡＤＣ４Ｉｒ、ＡＤＣ４Ｂ、ＡＤＣ４Ｇ、ＡＤＣ４Ｒ、及びＡＤＣ４Ｃが用意されている。さらに各ＡＤＣの出力は論理回路５の入力側に接続されている。論理回路５の出力はそれぞれ外部端子ＳＤＡ、ＳＣＬ、ＩＮＴ、及びＡＤＤＲに接続されている。各外部端子はＣＰＵ６に接続されている。さらに、光センサ１には発振器ＯＳＣ及びパワーオンリセットＰＯＲが内蔵されている。また光センサ１には電源端子ＶＣＣ及び接地端子ＧＮＤの外部端子が備えられている。

図８に示した光センサの別の形態としては例えば特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１は、小型、低コストかつ高精度の光センサを実現するとしている。そうした目的を達成するために、光電流を選択するスイッチ回路と、選択された光電流をデジタル信号に変換する１つのＡＤＣを有するものであると思料する。

光センサのさらに別の形態としては特許文献２に開示されている。特許文献２は本発明者の提案によるものである。特許文献２は、赤色受光部、緑色受光部及び青色受光部と、これらの受光部を覆う赤外光カットフィルタと、演算部とを含む。さらに、特許文献２は、光検出装置の受光領域の配置図を開示する。

特開２０１１−１０６８７５号公報 特開２０１６−１１５７４６号公報

図８に示した光センサは、５つの各受光部に各別にＡＤＣを用意しているので、５つの色の例えば照度、色温度等をリアルタイムで測定することができる。これによって、高精度の光センサを実現できるというメリットが得られる。しかし、ＡＤＣを５個用意しなければならず、チップ面積が大きくなり、コスト高になるという不具合が生じる。

特許文献１は、ＡＤＣを１個で構成しているので、小型、低コストの光センサを実現することは期待できる。しかし、例えば、５種類の光受光部に生じた光電流を別々のステップ（タイミング）で測定しなければならず、高精度の光センサを実現することは期待できない。特許文献２は、赤色受光部、緑色受光部、及び青色受光部の３つの受光部それぞれにＡＤＣを用意したものを開示したものであって、４以上の受光部と、それに接続されるＡＤＣの構成については開示していない。

本発明は半導体集積回路（ＬＳＩ）の小型化による低コスト化と低消費電力化及び光電流の検知精度を高めることができる高精度な光センサを提供することを目的とする。

本書で用いる「ＲＧＢ受光部」は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、及び青色（Ｂ）の３つの色の受光部の総称である。また「その他受光部」は、ＲＧＢ受光部を除く色の受光部の総称である。また、「演算基準受光部」とは、「ＲＧＢ受光部」及び「その他受光部」の少なくとも１つの受光部であって、「演算基準受光部」の放射照度、照度、色温度、色度等の値を推定、補正するに採用される受光部を指す。

本発明の光センサは、緑色受光部、赤色受光部、青色受光部で構成されたＲＧＢ受光部と、ＲＧＢ受光部の分光感度特性とは異なる分光感度特性を有するその他受光部とを備える複数の光受光部を備える。さらに複数の光受光部に生じる光電流をデジタル値に変換する複数のアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と、複数の光受光部と複数のアナログ・デジタル変換器との信号経路に結合されたスイッチとを有する。スイッチは、ＲＧＢ受光部に生じた光電流を各別にアナログ・デジタル変換器に印加する第１ステップと、演算基準受光部に生じた光電流及びその他受光部に生じた光電流を各別にアナログ・デジタル変換器に印加する第２ステップに切り替える。こうしたスイッチの切り替えは、その他受光部での第１ステップにおける光電流の値を、演算基準受光部での第１ステップ及び第２ステップで検知された光電流の比から算出するために行われる。

また、本発明に係る光センサにおいて、その他受光部は環境光受光部及び赤外光受光部の少なくとも１つである。

また、演算基準受光部は、スイッチの第１ステップ及び第２ステップの切り替えに関わらず、アナログ・デジタル変換器の１つに常時結合されている。これによって、スイッチの切替えによって発生するＡＤＣへの信号印加の遅れやＡＤＣでの変換ロスを排除することができる。また、スイッチは第１スイッチ及び第２スイッチを有する。第１スイッチは第２ステップにおいて青色受光部及び赤外光受光部のいずれか１つを選択し、第２スイッチは第２ステップにおいてＲＧＢ受光部であって青色受光部を除いた受光部の少なくとも１つ及び環境光のいずれか1つを選択するように構成される。

本発明に係る光センサは半導体基板に構成される。ＲＧＢ受光部及びその他受光部は半導体基板の表面から厚み方向すなわち半導体基板の裏面に向かって順に形成される第１ｐｎ接合、第２ｐｎ接合、及び第３ｐｎ接合を利用して構成されている。青色受光部は例えば第１ｐｎ接合、緑色受光部は例えば第１ｐｎ接合または第２ｐｎ接合、赤色受光部及び環境光受光部は例えば第２ｐｎ接合、及び赤外光受光部は例えば第３ｐｎ接合をそれぞれ利用して構成されている。こうした各接合を使い分けるのは光の波長が長いほど透過深さが深くなる傾向になるためである。一般的に波長が比較的短い青色は半導体基板の表面側すなわち第１ｐｎ接合に、波長が比較的長い赤外光は半導体基板の表面から厚み方向に離れたすなわち第３ｐｎ接合に、波長が青色と赤外光との間に存在する緑色及び赤色の受光部は第２ｐｎ接合がそれぞれ利用される。環境光受光部は例えば第２ｐｎ接合を利用して構成されている。

また本発明に係る光センサは半導体基板に構成される。ＲＧＢ受光部及びその他受光部の集合によって受光領域が構成され、受光領域の中心を対称としてＲＧＢ受光部を構成する緑色受光部、赤色受光部、青色受光部、及びその他受光部を構成する環境光受光部及び赤外光受光部が平面視で点対称に配置されている。好ましくは受光領域の中心に最も近接させて緑色受光部及び赤色受光部が点対称に配置されている

本発明の別の発明である光センサの補正方法は上記の光センサに適用される。第１ステップで演算基準受光部の放射照度を測定し、その測定結果に基づき照度、色温度等が算出される。第１ステップではその他受光部の放射照度は測定対象外であるが、第２ステップでは測定の対象となり、放射照度が測定される。その他受光部の第１ステップでの放射照度の値は推定されるが、その推定値、補正値は第１ステップ及び第２ステップで測定された演算基準受光部の放射照度に基づき推定、補正される。推定、補正された放射照度に基づきその他受光部の照度、色温度等が算出される。

こうした構成によれば、ＲＧＢ受光部はリアルタイムで放射照度、照度、色温度等が測定、算出され、その他受光部である環境光受光部または赤外光受光部は別のステップで測定されるも先に測定した演算基準受光部での放射照度に基づき、照度、色温度等を算出、補正することができる。これにより、ＡＤＣの数の削減が図れ、光センサの分光感度特性の測定の高精度化及び小型化による低コスト化と低消費電力化を得ることができる。

本発明の実施の形態である光センサの構成を示す回路ブロック図である。 本発明の光センサに用いられる受光領域の配置図である。 図２に示した受光領域に適用されるフォトダイオードの断面図である。 図３の等価回路である。 図２に示した受光領域の分光感度特性を示す図である。 本発明に係る光センサのスイッチ切り替え時のタイミングチャートである。 本発明の光センサの補正方法を説明する図である。 従来技術の一実施形態である光センサの構成を示す回路ブロック図である。

（本発明の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る光センサ１０の構成を示す回路ブロック図である。光センサ１０は、図８に示した従来の光センサ１とほぼ同じ回路部や回路機能部を備えるが大きく次の点が異なる。第１にスイッチＳＷ１，ＳＷ２を有する。第２にＡＤＣの数が３つで構成される。

光センサ１０は赤外光受光部Ｉｒ、青色受光部ＢＬＵＥ、緑色受光部ＧＲＥＥＮ、赤色受光部ＲＥＤ、及び環境光受光部ＣＬＥＡＲを備えている。光センサ１０は、半導体基板に作り込まれ、最終的には例えば、外部端子が例えば８ピンのパッケージに実装される。

青色受光部ＢＬＵＥ、緑色受光部ＧＲＥＥＮ、及び赤色受光部ＲＥＤは、不要な赤外光をカットするために赤外光カットフィルタ２で覆われている。

作図及び説明の便宜上、各受光部の構成はフォトダイオードのみで、そのカソード側がＡＤＣの入力側に接続されているように表示している。すなわち、赤外光受光部Ｉｒはフォトダイオード３Ｉ、青色受光部ＢＵＬＥはフォトダイオード３Ｂ、緑色受光部ＧＲＥＥＮはフォトダイオード３Ｇ、赤色受光部ＲＥＤはフォトダイオード３Ｒ、環境光受光部ＣＬＥＡＲはフォトダイオード３Ｃがそれぞれのフォトダイオードに相当する。なお、実際の各受光部は１つのフォトダイオードだけで構成されるものではなく、複数のフォトダイオードと複数のカラーフィルタを有している。

各受光部で生じたアナログ信号である光電流をデジタル値に変換するためにＡＤＣが用意されている、具体的にはＡＤＣ４ＩＢ、ＡＤＣ４Ｇ、及びＡＤＣ４ＲＣの３つのＡＤＣが用意されている。ＡＤＣには例えば積分形、逐次比較形、並列比較形等の種類があるが、本発明では例えば積分形を採用している。

さらに各フォトダイオードと各ＡＤＣとの信号経路の間にスイッチＳＷ１，ＳＷ２が結合されている。スイッチＳＷ１，ＳＷ２の切替えは論理回路５から供給される図示されない切替信号によって実行される。スイッチＳＷ１の接点ａはフォトダイオード３Ｂ（青色）のカソード側に、接点ｂはフォトダイオード３Ｉのカソード側に、中点ｃはＡＤＣ４ＩＢの入力側にそれぞれ接続されている。

スイッチＳＷ１の中点ｃと接点ａが接続されたときには、フォトダイオード３Ｂすなわち青色受光部ＢＬＵＥの光電流がＡＤＣ４ＩＢでデジタル値に変換される。中点ｃと接点ｂが接続されたときには、フォトダイオード３Ｉすなわち赤外光受光部Ｉｒの光電流がＡＤＣ４ＩＢでデジタル値に変換される。

スイッチＳＷ２の接点ａはフォトダイオード３Ｒ（赤色）のカソード側に接点ｂはフォトダイオード３Ｃのカソード側に、中点ｃはＡＤＣ４ＲＣの入力側にそれぞれ接続されている。

スイッチＳＷ２の中点ｃと接点ａが接続されたときには、フォトダイオード３Ｒすなわち赤色受光部ＲＥＤの光電流がＡＤＣ４ＲＣでデジタル値に変換される。スイッチＳＷ２の中点ｃと接点ｂが接続されたときには、フォトダイオード３Ｃすなわち環境光受光部ＣＬＥＡＲの光電流がＡＤＣ４ＲＣでデジタル値に変換される。

緑色受光部ＧＲＥＥＮのフォトダイオード３Ｇは、直接ＡＤＣ４Ｇの入力に結合されている。したがって、緑色受光部ＧＲＥＥＮで生じた光電流はスイッチＳＷ１，ＳＷ２の切替状態に関わらず常時ＡＤＣ４Ｇに印加されている。本実施の形態では緑色受光部ＧＲＥＥＮを演算基準受光部として位置づけている。

ＡＤＣ４ＩＢ、ＡＤＣ４Ｇ、及びＡＤＣ４ＲＣの出力は各別に論理回路５に供給される。論理回路５には例えば、レジスタ、演算回路等が内蔵されており、各フォトダイオードに生じた光電流に相当する放射照度、照度、色温度等を記憶または演算で求めた演算値が格納される。

論理回路５には各ＡＤＣで処理した各種の光データ、情報を格納、演算する回路機能（ＡＤＣ Ｌｏｇｉｃ）と、同回路部のデータ、情報をＣＰＵ６と授受するための回路機能（Ｉ^２Ｃ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）と、インタラプト回路機能（ＩＮＴ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が内蔵される。インタラプト機能は、放射照度の変化をＣＰＵ６に知らせるために用意されている。

論理回路５の出力はそれぞれ外部端子ＳＤＡ、ＳＣＬ、ＩＮＴ、及びＡＤＤＲに接続されている。各外部端子はＣＰＵ６に接続されている。外部端子ＳＤＡ，ＳＣＬは、Ｉ^２Ｃ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅとして、外部端子ＩＮＴはインタラプト機能として、外部端子ＡＤＤＲは、Ｉ^２Ｃ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅのスレーブアドレスを入力する端子としてそれぞれ用意されている。外部端子ＩＮＴには、予め設定した照度の範囲を超えると例えばローレベル（Ｌ）が出力される。さらに外部端子としては、電源端子ＶＣＣ及び接地端子ＧＮＤが用意されている。なお、光センサ１０には図示されない例えば、光センサ１０をテストするためのテスト端子を設けられる場合も少なくない。また、光センサ１０には発振器ＯＳＣ及びパワーオンリセットＰＯＲが内蔵されている。

外部端子ＳＤＡ、ＳＣＬ、ＩＮＴ、及びＡＤＤＲはＣＰＵ６に接続されている。これらの外部端子を介して、論理回路５とＣＰＵ６との間で各種信号の授受が行われる。

さて、本発明の特徴は、図１の回路ブロック図からも分かるように、その第１は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２でそれぞれ２つの受光部すなわちフォトダイオードを切替えていることである。第２にスイッチＳＷ１，ＳＷ２がいずれも接点ａに接続されたときには、青色受光部ＢＬＵＥ（フォトダイオード３Ｂ）、赤色受光部ＲＥＤ（フォトダイオード３Ｒ）が選択され、さらにスイッチを介さない緑色受光部ＧＲＥＥＮ（フォトダイオード３Ｇ）の３つの色がリアルタイムでそれぞれＡＤＣ４ＩＢ，４ＲＣ、及びＡＤＣ４Ｇで信号処理が実行されることである。さらに、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が共に接点ｂに切替えられたときには、赤外光受光部Ｉｒ（フォトダイオード３Ｉ）と環境光受光部ＣＬＥＡＲ（フォトダイオード３Ｃ）、及び緑色受光部ＧＲＥＥＮ（フォトダイオード３Ｇ）の３つの色がリアルタイムでそれぞれＡＤＣ４ＩＢ，４ＲＣ、及びＡＤＣ４Ｇで信号処理が行われるということである。したがって、緑色受光部ＧＲＥＥＮ（フォトダイオード３Ｇ）に対しては２回の信号処理を行うことになる。

緑色受光部ＧＲＥＥＮの信号処理を２回行うのは、２回の測定値からスイッチＳＷ１，ＳＷ２が接点ａに選択されたときの赤外光受光部Ｉｒ及び環境光受光部ＣＬＥＡＲの放射照度、照度、色温度等の値を補正するためである、こうしたやり方によれば、３つのＡＤＣを用意し、さらにスイッチを２回切替えることで５色の受光部の照度や色温度を測定及び推定することができる。

図１にはＲＧＢ受光部及びその他受光部である環境光受光部ＣＬＥＡＲ及び赤外光受光部Ｉｒの２色の光の放射照度、照度、色温度等を測定、算出、補正するものとしたが、環境光受光部ＣＬＥＡＲ及び赤外光受光部Ｉｒのいずれか１つを選択して測定することもできる。

図１に示した実施の形態では緑色受光部ＧＲＥＥＮ（フォトダイオード３Ｇ）を演算基準受光部として設定するために、常時、緑色受光部ＧＲＥＥＮをＡＤＣ４Ｇに結合されるものとしたが、演算基準受光部に赤色受光部ＲＥＤ（フォトダイオード３Ｒ）を設定してもかまわない。なお、演算基準受光部に、ＲＧＢ受光部はもちろんのこと、その他受光部である例えば環境光（ＣＬＥＡＲ）や赤外光（Ｉｒ）を選択してもかまわない。しかし、好ましくは緑色受光部ＧＲＥＥＮ（フォトダイオード３Ｇ）である。なぜならば、緑色の光の波長は、人間の目に最も強く感じられるとする比視感度の領域にあるためである。しかも可視光の波長のほぼ中間に存在するため、かつ紫外光や赤外光の波長から遠ざかっており、これらの光の影響を排除することが比較的容易になるからである。もちろん、演算基準受光部として緑色受光部ＧＲＥＥＮ（フォトダイオード３Ｇ）及び赤色受光部ＲＥＤ（フォトダイオード３Ｒ）等複数の受光部を設定することもできる。

なお、図１に示した本発明の一実施の形態は、ＲＧＢ受光部を含む５つの光受光部の光電流を検出するものを示した。しかしＲＧＢ受光部をまったく含まないその他受光部を含む光センサにも適用することが可能である。

図２は受光領域２０を示す。受光領域２０は図１に示した赤外光受光部Ｉｒ、青色受光部ＢＬＵＥ、緑色受光部ＧＲＥＥＮ、赤色受光部ＲＥＤ、環境光受光部ＣＬＥＡＲ、及び赤外光カットフィルタ２の配置を示した平面視図である。

受光領域２０は、例えば平面視四角形の形状を成し、その中心が符号２０ｃで示されている。受光領域２０の中心２０ｃの近傍に受光部Ｇ１が配置され、受光部Ｇ１の隣に受光部Ｇ２が中心２０ｃから少し離れて配置されている。受光部Ｇ１，Ｇ２は共に図１に示した緑色受光部ＧＲＥＥＮを構成している。

図２において受光部Ｇ１とＧ２との構造上の違いは読み取れないが、受光部Ｇ１は緑色を透過させる緑色カラーフィルタを有し、受光部Ｇ２は緑色カラーフィルタに重ねて別のカラーフィルタが構成されている。別のカラーフィルタは受光部Ｇ１を透過させる波長域の光を阻止するが、それ以外の一部の波長域の光は透過させる、特に赤外光（Ｉｒ）の波長域は全面的に透過させるものとしている。こうした構造上の違いを有する受光部Ｇ１とＧ２は互いに異なる分光感度特性を有することになり、異なる分光感度特性を論理回路５で演算処理することで受光部Ｇ１に含まれる緑色以外の波長域の光の感度を抑圧し緑色を忠実に抽出することができる。

受光部Ｒ１は、受光部Ｇ１と同様に受光領域２０の中心２０ｃの近傍に配置され、受光部Ｒ１の隣に受光部Ｒ２が中心２０ｃから少し離れて配置されている。受光部Ｒ１，Ｒ２は共に図１に示した赤色受光部ＲＥＤを構成している。

受光部Ｒ１は赤色を透過させる赤色カラーフィルタを有し、受光部Ｒ２は赤色カラーフィルタに重ねて別のカラーフィルタが構成されている。別のカラーフィルタは受光部Ｒ１を透過させる波長域の光を阻止するが、それ以外の一部の波長域の光は透過させる、特に赤外光（Ｉｒ）の波長域は全面的に透過させるものとしている。こうした構造上の違いを有する受光部Ｒ１とＲ２は互いに異なる分光感度特性を有することになり、異なる分光感度特性を論理回路５で演算処理することで受光部Ｒ１に含まれる赤色以外の波長域の光の感度を抑圧し赤色を忠実に抽出することができる。

受光部Ｂ１，Ｂ２は、受光部Ｇ１，Ｒ１とは少し異なり、受光領域２０の中心２０ｃから少し離れた位置に配置される。受光部Ｂ１，Ｂ２は共に図１に示した青色受光部ＢＬＵＥを構成している。

受光部Ｂ１は青色を透過させる青色カラーフィルタを有し、受光部Ｂ２は青色カラーフィルタに重ねて別のカラーフィルタが構成されている。別のカラーフィルタは受光部Ｂ１を透過させる波長域の光を阻止するが、それ以外の一部の波長域の光は透過させる、特に赤外光（Ｉｒ）の波長域は全面的に透過させるものとしている。こうした構造上の違いを有する受光部Ｂ１とＢ２は互いに異なる分光感度特性を有することになり、異なる分光感度特性を論理回路５で演算処理することで受光部Ｂ１に含まれる青色以外の波長域の光の感度を抑圧し青色を忠実に抽出することができる。

受光部Ｇ１，Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２，Ｂ１及びＢ２は本発明でのＲＧＢ受光部を構成する。

受光部Ｃ１は図１に示した環境光受光部ＣＬＥＡＲを構成している。受光部Ｃ１は受光領域２０の中心２０ｃから最も離れた受光領域２０の２つの隅に配置されている。受光部Ｃ１は受光領域２０に到来するすべての波長域の光を受光する。このため、受光部Ｇ１，Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２，Ｂ１及びＢ２に用いられた赤外光カットフィルタ２で覆われていない。

受光部Ｉｒ１は図１に示した赤外光受光部Ｉｒを構成している。受光部Ｉｒ１は受光領域２０の中心２０ｃから最も離れた受光部Ｃ１が配置されていない２つの隅に配置されている。受光部Ｉｒ１は受光領域２０に到来する赤外光を検出する。当然のことではあるが受光部Ｉｒ１は赤外光カットフィルタ２で覆われていない。

環境光の受光部Ｃ１とＲＧＢ受光部との境界、及び受光部Ｉｒ１とＲＧＢ受光部（Ｇ１、Ｇ２、Ｒ１、Ｒ２、Ｂ１、Ｂ２）との境界に例えばＬ字状のダミー領域ＤＵが配置されている。ダミー領域ＤＵは感光領域であり、この感光領域には例えばバイポーラトランジスタ等が配置されている。ダミー領域ＤＵを設けることで赤外光カットフィルタ２の配置に所定のマージンをもたせるとともに、ＲＧＢ受光部に入射される光と、その他受光部に入射される光とをほぼ完全に分離するようにしている。

図２において、受光部Ｇ１，Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１及びＩｒ１は、受光領域２０の中心２０ｃを対称の中心として点対称となる位置にそれぞれ配置されている。すなわち、中心２０ｃを軸として１８０度回転させた場合であっても回転前と同じ位置に各受光部が位置される。これにより受光領域２０全体に光が均一に当たらない等の理由によって一方の受光部に十分な光が入射しなくとも他の受光部で光を検出できるので光センサの光検出精度を高めることができる。

図２には、ＲＧＢ受光部及びその他受光部のすべての受光部が点対称となるように配置したが少なくともＲＧＢ受光部である、Ｇ１，Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２，Ｂ１及びＢ２が点対称となるように配置すればよい。

なお、図２に示した受光領域２０の形状は四辺形としたが、例えば六角形、八角形、円
であっても点対称に配置することができる。

図３は図２に示した各受光部に用いられるフォトダイオードＤｉの断面図を模式的に示す。フォトダイオードＤｉはｐ型半導体基板１６の表面１６ｓから裏面１６ｂに向かって順に形成された第１ｎ型領域１３、第１ｐ型領域１４、第２ｎ型領域１５、ｐ型半導体基板１６によって形成されたｎｐｎｐ構造を有している。第２ｎ型領域１５がｐ型半導体基板１６の内部に形成され、第２ｎ型領域１５の内方領域に第１ｐ型領域１４が形成されている。さらに第１ｐ型領域１４の内方領域に第１ｎ型領域１３が形成されている。これによりフォトダイオードＤｉは半導体基板の表面１６ｓから裏面１６ｂに向かって構成された、フォトダイオードＤｉ１，Ｄｉ２及びＤｉ３の３つのフォトダイオードで構成される。

フォトダイオードＤｉ１は、第１ｐ型領域１４と第１ｎ型領域１３とのｐｎ接合部を含み、その深さは半導体基板１６の表面１６ｓから、例えば０．０９μｍ〜０．１７μｍである。フォトダイオードＤｉ２は、第１ｐ型領域１４と第２ｎ型領域１５とのｐｎ接合部を含み、その深さはフォトダイオードＤｉ１のｐｎ接合部よりも深く、例えばｐ型半導体基板１６の表面１６ｓから１．０μｍ〜１．８μｍである。フォトダイオードＤｉ３は、ｐ型の半導体基板１６と第２ｎ型領域１６とのｐｎ接合部を含み、その深さはフォトダイオードＤｉ２のｐｎ接合部よりも深く、例えば半導体基板１６の表面１６ｓから３．２μｍ〜５．９μｍである。

フォトダイオードＤｉが、互いに深さの異なるフォトダイオードＤｉ１〜Ｄｉ３を有する利点は次の通りである。すなわち、ｐ型半導体基板１６に対しては、光の波長が長いほど透過深さが深くなる傾向にあり、光センサ１０のように検出すべき光成分の波長域が複数ある場合には、フォトダイオードＤｉ１〜Ｄｉ３のいずれかにおいて効率よく光を検出することができる。

例えばフォトダイオードＤｉ１は、青色の波長域（例えば４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ）および緑色の波長域（例えば５００ｎｍ〜５６０ｎｍ）の成分の検出に適しており、フォトＤｉ２は緑色の波長域および赤色の波長域（例えば５９０ｎｍ〜６８０ｎｍ）の成分の検出に適している。また、フォトダイオードＤｉ３は、赤外線の波長域（例えば７００ｎｍ〜１３００ｎｍ）の成分検出に適している。

第１ｎ型領域１３、第１ｐ型領域１４、第２ｎ型領域１５及びｐ型半導体基板１６にはフォトダイオードＤｉ１〜Ｄｉ３を電気的に取り出すためにそれぞれ端子Ｔ１〜Ｔ４を設ける。

図４は図３に示した構造を持つフォトダイオードＤｉの等価回路であり、各端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４は、図３の端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４にそれぞれ対応する。各端子同士及び図示しない電圧印加手段等との結合接続によって各受光部に生じた光電流が外部に取り出される。

図５は、図２に示した受光領域２０を光センサ１０に採用した場合の分光感度特性を模式的に示す。Ｂ（青色）、Ｇ（緑色）、及びＲ（赤色）の３色は可視光であり、本書でのＲＧＢ受光部での分光感度特性に相当する。横軸は光の波長を示し、縦軸は透過率の比を示す。ここで透過率は相対的に表示したものであって、Ｇ（緑色）の例えば放射照度がピークになるときの波長を基準にし、そのときの値を１００％として各波長での放射照度の大きさをプロットしたものである。いずれにしても赤外光領域であるとされる波長７００ｎｍ以上ではＲ（赤色）が少し感度を示しているがＧ（緑色）、Ｂ（青色）では赤外光がほぼゼロまで抑圧されていることが分かる。

図６は、本発明に係る光センサのスイッチ切り替え時のタイミングチャートである。本発明の光センサの補正を実行するに当たって、図１に示したスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２の切替えステップを示す図である。切替信号１によってスイッチＳＷ１，ＳＷ２の中点ｃが共に接点ａに接続される。切替信号１は、時刻ｔ０ではローレベルであるが時刻ｔ１でローレベルからハイレベルに切替えられる。ハイレベルＨは時刻ｔ２まで維持される。時刻ｔ２以降はローレベルＬである。時刻ｔ１〜ｔ２の区間ｔ１２でＲＧＢ受光部の光電流が測定される。区間ｔ１２は例えば８０ｍｓである。区間ｔ１２は本書で第１ステップと称される。

切替信号２によってスイッチＳＷ１，ＳＷ２の中点ｃが共に接点ｂに接続される。切替信号２は時刻ｔ０及びｔ１ではローレベルＬであるが時刻ｔ２でローレベルＬからハイレベルＨに切替えられる。ハイレベルＨは時刻ｔ３まで維持される。ハイレベルＨに維持される区間ｔ２３の時間幅は例えば８０ｍｓである。区間ｔ２３で緑色Ｇ、赤外光Ｉｒ、及び環境光Ｃの光電流が同時にすなわちリアルタイムで測定される。区間ｔ２３は本書で第２ステップと称される。

緑色Ｇの光電流は区間ｔ１２及び区間ｔ２３の２回測定される。しかし、その測定には例えば８０ｍｓの時間差が生じている。その他の色の光電流の測定は１回である。赤色Ｒ及び青色Ｂは緑色Ｇと同時に区間ｔ１２でリアルタイムに測定され、赤外光Ｉｒ及び環境光Ｃは区間ｔ２３で測定される。換言すれば、区間ｔ１２では赤外光Ｉｒ及び環境光Ｃは測定の対象ではなく、また区間ｔ２３では赤色Ｒ及び青色Ｂの光電流は測定の対象から外されている。区間ｔ１２，ｔ２３の時間幅はリアルタイム測定の観点では短時間であることが好ましい。しかし、測定時間と、例えば商用電源（周波数５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）の光の揺れをキャンセルするために必要な測定時間との間にはトレードオフの関係が存在するためにこの測定時間を極端に短くすることはできない。本発明者の知見によるとこの測定時間には４０ｍｓ程度の時間が少なくとも必要であることが分かった。なお、時刻ｔ３の後に赤外光Ｉｒ及び環境光Ｃの区間ｔ１２における例えば放射照度等の推定、補正が実行される。

図７は図６に示したスイッチＳＷ１，ＳＷ２の切替動作と第１ステップ、第２ステップにおける各受光部での光電流の測定値と補正値を表したものである。図７は赤外光受光部Ｉｒ及び環境光受光部ＣＬＥＡＲで測定される光電流の補正算出式を示す。

図７において、光電流の測定対象に選ばれたのは赤外光受光部Ｉｒ、青色受光部ＢＬＵＥ、緑色受光部ＧＲＥＥＮ、赤色受光部ＲＥＤ、及び環境光受光部ＣＬＥＡＲの５つである。

図７において、１回目の測定では、赤外光受光部Ｉｒは測定の対象から外される。赤外光受光部Ｉｒの欄に表示した値は２回目の測定を終えた後に算出された推定値、補正値を表している。青色受光部ＢＬＵＥは１回目では測定対象となり、そのときの例えば放射照度がＥｂ１で表示されている。緑色受光部ＧＲＥＥＮは１回目の測定対象となり、そのときの例えば放射照度がＥｇ１で表示されている。赤色受光部ＲＥＤは１回目の測定対象となり、そのときの例えば放射照度はＥｒ１で表示されている。１回目の測定で青色受光部ＢＬＵＥ、緑色受光部ＧＲＥＥＮ及び赤色受光部ＲＥＤすなわちＲＧＢ受光部は測定の対象であり、これらの受光部での光電流がリアルタイムで測定されることになる。環境光受光部ＣＬＥＡＲは、赤外光受光部Ｉｒと同様に１回目の測定対象から外されている。環境光受光部ＣＬＥＡＲの欄に表示した値は２回目の測定を終えた後に算出された補正値を表している。

２回目の測定では、赤外光受光部Ｉｒは測定の対象となる。そのときの例えば放射照度の測定値はＥｉｒ２で表示されている。青色受光部ＢＬＵＥは２回目の測定で測定の対象外である。緑色受光部ＧＲＥＥＮは演算基準受光部に設定されているので１回目と同様に２回目でも測定対象となる。２回目での緑色受光部ＧＲＥＥＮの例えば放射照度はＥｇ２で表示されている。赤色受光部ＲＥＤは２回目では測定対象外である。環境光受光部ＣＬＥＡＲは、赤外光受光部Ｉｒと同様に２回目では測定対象となり、そのときの放射照度はＥｃ２で表示されている。なお、放射照度は物体へ時間あたりに照射される面積あたりの放射エネルギーを表す物理量であり、照度は人間の目の視感度で補正された値であり、両者の概念は異なるが、両者間で互いに変換できることは当業者には知られている。したがって、本発明では放射照度を照度に置き換えてもよい。

本来、上記５つの受光部は１回目の測定または２回目の測定において同時に、すなわちリアルタイムで測定されるのが好ましい。しかし、上述から明らかなように本発明の一実施の形態の１回目の測定では赤外光受光部Ｉｒ及び環境光受光部ＣＬＥＡＲの例えば放射照度がＥｉｒ及びＥｃ１が測定外となる。このために本発明では演算基準受光部である緑色受光部ＧＲＥＥＮを２回測定し、その比から１回目の放射照度Ｅｉｒ及びＥｃ１を推定するものである。１回目の赤外光受光部Ｉｒの例えば放射照度は、Ｅｉｒ１は、Ｅｉｒ１＝Ｅｉｒ２・（Ｅｇ１／Ｅｇ２）として補正する。同様に、１回目の環境光受光部ＣＬＥＡＲの例えば放射照度は、Ｅｃ１は、Ｅｃ１＝Ｅｃ２・（Ｅｇ１／Ｅｇ２）として補正される。

放射照度Ｅｉｒ１，Ｅｃ１の放射照度が補正されるとすべての受光部での放射照度が確定される。すべての受光部の放射照度が補正、確定された後にそれぞれの受光部の照度、色温度等が論理回路５で算出され、それらの値に基づき、本発明の光センサが搭載される、スマートフォン、デジタルスチルカメラ、ナビゲーションシステム、タブレット端末等の例えばバックライト等の光の強度が調整されることになる。

本発明の光センサの補正方法は上述のとおり、ＲＧＢ受光部はリアルタイムで測定する。そのため、ＲＧＢを除くその他受光部は人の目が強く感じる比視感度の波長領域とほぼ重なる緑色受光部を基準して補正するようにしたのでＡＤＣの数を減少させることができるとともに光電流の検知精度を高めることができる。

本発明の光センサは半導体集積回路（ＬＳＩ）の小型化と低コスト化及び低消費電力化が実現できるので産業上の利用可能性は高い。

１，１０ 光センサ
２ 赤外光カットフィルタ
３Ｂ，３Ｃ，３Ｇ，３Ｉ，３Ｒ フォトダイオード
４Ｇ，４ＩＢ，４ＲＣ ＡＤＣ（アナログ・デジタル変換器）
５ 論理回路
６ ＣＰＵ
１３ 第１ｎ型領域
１４ 第１ｐ型領域
１５ 第２ｎ型領域
１６ ｐ型半導体基板
１６ｓ ｐ型半導体基板の表面
１６ｂ ｐ型半導体基板の裏面
２０ 受光領域
ＡＤＣ アナログ・デジタル変換器
ＡＤＤＲ 外部端子
ａ，ｂ 接点
Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｇ１，Ｇ２，Ｉｒ１，Ｒ１，Ｒ２ 受光部
ＢＬＵＥ 青色受光部
ＣＬＥＡＲ 環境光受光部
ｃ 中点
Ｄｉ，Ｄｉ１，Ｄｉ２，Ｄｉ３ フォトダイオード
ＤＵ ダミー領域
Ｉｒ 赤外光受光部
ＯＳＣ 発振器
ＰＯＲ パワーオンリセット
ＲＥＤ 赤色受光部
ＳＣＬ，ＳＤＡ 外部端子
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４ 端子
ＶＣＣ 電源端子

Claims (17)

1. 緑色受光部、赤色受光部、青色受光部から成るＲＧＢ受光部と、前記ＲＧＢ受光部の分光感度特性とは異なる分光感度特性を有するその他受光部とを備える複数の光受光部と、
   前記複数の光受光部に生じる光電流をデジタル値に変換する複数のアナログ・デジタル変換器と、
   前記複数の光受光部と前記複数のアナログ・デジタル変換器との信号経路に結合されたスイッチとを有し、
   前記スイッチは前記ＲＧＢ受光部に生じる光電流を各別に前記アナログ・デジタル変換器に印加する第１ステップと、前記ＲＧＢ受光部から選ばれた少なくとも１つの演算基準受光部に生じる光電流と前記その他受光部に生じる光電流を各別に前記アナログ・デジタル変換器に印加する第２ステップに切り換え、前記第１ステップにおいての前記その他受光部に生じていた光電流を前記演算基準受光部の前記第１ステップ及び前記第２ステップの両ステップで選択された光電流の比から算出する光センサ。
2. 前記その他受光部は環境光受光部及び赤外光受光部の少なくとも１つである請求項１に記載の光センサ。
3. 前記演算基準受光部は、比視感度の範囲に波長が存在する受光部である請求項１に記載の光センサ。
4. 前記演算基準受光部は、前記緑色受光部である請求項１または請求項３に記載の光センサ。
5. 前記演算基準受光部は、前記赤色受光部である請求項１または請求項３に記載の光センサ。
6. 前記演算基準受光部は、前記青色受光部及び前記その他受光部の少なくとも１つの受光部である請求項１または請求項３に記載の光センサ。
7. 前記演算基準受光部は、前記スイッチの第１ステップ及び第２ステップの切り替えに関わらず、前記アナログ・デジタル変換器の１つに常時結合されている請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の光センサ。
8. 前記ＲＧＢ受光部は赤外光カットフィルタで覆われ、前記その他受光部は前記赤外光カットフィルタで覆われていない請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の光センサ。
9. 前記スイッチは第１スイッチ及び第２スイッチを有し、前記第１スイッチは前記第２ステップにおいて前記青色受光部及び前記赤外光受光部のいずれか１つを選択し、前記第２スイッチは前記第２ステップにおいて前記ＲＧＢ受光部であって前記青色受光部を除いた受光部の１つと前記環境光受光部のいずれか１つを選択する請求項８に記載の光センサ。
10. 前記ＲＧＢ受光部及び前記その他受光部は半導体基板の表面から裏面方向に向かって順に形成される第１ｐｎ接合、第２ｐｎ接合、及び第３ｐｎ接合を利用して構成され、前記青色受光部は前記第１ｐｎ接合、前記緑色受光部は前記第１ｐｎ接合または第２ｐｎ接合、前記赤色受光部及び前記環境光受光部は前記第２ｐｎ接合、及び前記赤外光受光部は前記第３ｐｎ接合をそれぞれ利用して構成されている請求項１または請求項２に記載の光センサ。
11. 前記ＲＧＢ受光部及び前記その他受光部の集合体によって前記半導体基板上に受光領域が構成され、前記受光領域の中心を対称として前記ＲＧＢ受光部を構成する前記緑色受光部、赤色受光部、青色受光部、及び前記その他受光部を構成する前記環境光受光部及び前記赤外光受光部が平面視で点対称に配置されている請求項１０に記載の光センサ。
12. 前記受光領域の中心を点対称としかつ前記中心に最も近接して、前記緑色受光部及び赤色受光部が配置されている請求項１１に記載の光センサ。
13. 前記受光領域は平面視で四辺形状を成し、前記四辺形状の４隅に前記環境光受光部及び前記赤外光受光部が前記中心を軸として点対称に配置されている請求項１１に記載の光センサ。
14. 前記環境光受光部と前記ＲＧＢ受光部との間、及び前記赤外光受光部と前記ＲＧＢ受光部との間にダミー領域が設けられる請求項１３に記載の光センサ。
15. 前記第１ステップで前記演算基準受光部の光電流は測定するも前記その他受光部の光電流は測定せずに、前記第２ステップでは前記第１ステップで測定した前記演算基準受光部の光電流と前記その他受光部の光電流を測定し、前記第１ステップ及び前記第２ステップで測定された前記演算基準受光部の光電流に基づき、前記その他受光部の第１ステップにおける光電流を推定、補正する請求項１〜請求項１４に記載の光センサの補正方法。
16. 前記演算基準受光部は緑色受光部であり、前記その他受光部は前記環境光受光部及び前記赤外光受光部の少なくとも１つである請求項１５に記載の光センサの補正方法。
17. 前記光電流は、少なくとも放射照度、照度、色温度、及び色度の少なくとも１つである請求項１５〜請求項１６に記載の光センサの補正方法。

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