JP5947526B2

JP5947526B2 - 光検出装置

Info

Publication number: JP5947526B2
Application number: JP2011250142A
Authority: JP
Inventors: 崇博北原; 祥嗣上平
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: JP2013105963A

Description

本発明は、近接センサ及び照度センサを備えた光検出装置に関する。

例えば、携帯電話機やＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、ノートＰＣ（Personal Computer）、タブレットＰＣなどのモバイル機器や、カーナビ、一眼デジカメ等では、液晶パネルの大画面化、高解像化に伴い、タッチパネル方式の液晶を採用することが増加している。これらの機器では、照度センサや近接センサの搭載が進んでいる。

照度センサは周囲の明るさを検出するためのセンサであり、これにより、周囲の明るさに応じた液晶バックライトの輝度コントロールが可能となる。一方、近接センサは、対象物が機器に接近したことを検知するセンサであり、例えば人体の一部がタッチパネルに接触することによる誤動作を防ぐために用いられる。

例えば、タッチパネル式スマートフォン等では、電話による通話を行う際には、耳や顔等がタッチパネルに接触して誤動作を起こすのを防止するために、タッチパネルの表示をオフにするが、このようなとき、耳や顔等が近づいたことを検出するために、光学式の近接センサが搭載されている。

光学式の近接センサは、赤外線ＬＥＤをパルス発光させて、対象物からの反射光をフォトダイオードを用いて測定することで近接物の検出を行う。この反射光測定中に、周囲光の強度が変化するとノイズとなる。例えば、周囲光として蛍光灯が用いられている場合、蛍光灯は可視光帯域に４０ｋＨｚの高周波ノイズを持ち、影響が大きい。このため、赤外光のみを透過する赤外線透過フィルタをフォトダイオードの受光側に形成し、可視光をカットしている。

一方、周囲の明るさに応じて、液晶画面の輝度を自動調整するために、照度センサが搭載されている。

照度センサは、可視光領域に感度ピークを持つフォトダイオードと、赤外線領域に感度ピークを持つフォトダイオードのそれぞれで入射光の測定を行い、２つのフォトダイオードにおける各測定値の比較演算を行う（例えば、特許文献２参照）。これにより、周囲光の光源の種類の判定や照度算出を行う。照度センサは、周囲光の測定を行うものであるため、赤外線透過フィルタは使用されない。

上記各フォトダイオードは、例えば、特許文献１に示すように分光感度が異なるように、ｐｎ接合深さを異なるように形成した受光素子を用いている。

このように、光学式近接センサ及び照度センサは、ともにフォトダイオードを使用するため、これらを１チップ化することが考えられている。

特開２００７−３０５８６８号公報特開２００８−４２８８６号公報

しかし、上記従来の光検出装置では、近接センサ及び照度センサを１チップ化する場合、フォトダイオードを少なくとも３つ形成しなければならず、１チップの面積が増加するという問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、近接センサ及び照度センサを１チップ化する場合、チップ面積を削減することができる光検出装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の光検出装置は、可視光領域に感度ピークを有する第１の受光素子と、可視光を減衰させ赤外線を透過させる光学フィルタを受光面に有し、かつ赤外線領域に感度ピークを有する第２の受光素子とを備え、前記第１の受光素子と第２の受光素子とは、それぞれ受光面から深さの異なる３つの光電変換領域により構成されると共に、同じ半導体積層構造を有する半導体により一体的に形成され、前記第１の受光素子は、周囲光の照度の測定において、受光面から最も浅い位置の光電変換領域及び受光面から２番目に深い位置の光電変換領域からの光電流を光検出信号として出力すると共に、その光検出信号の分光感度特性として、波長４００ｎｍにおける受光感度がピーク感度の半分に近似する強度を有し、前記第２の受光素子の出力信号から近接物の測定を行い、前記第１の受光素子の出力信号と前記第２の受光素子の出力信号を用いることにより周囲光の照度の測定を行うことを主要な特徴とする。

本発明の光検出装置は、可視光領域に感度ピークを有する第１の受光素子と、可視光を減衰させ赤外線を透過させる光学フィルタを受光面に有し、かつ赤外線領域に感度ピークを有する第２の受光素子とを備え、第１の受光素子と第２の受光素子とは半導体により一体的に形成されている。また、第２の受光素子の出力信号から近接物の測定を行い、第１の受光素子の出力信号と第２の受光素子の出力信号を用いることにより周囲光の照度の測定が行われる。

以上のように、近接測定は第２の受光素子で行われ、周囲光の照度測定は第２の受光素子及び第１の受光素子を用いて行われるので、第１の受光素子と第２の受光素子の２つの受光素子を形成するだけで良く、チップ面積を削減することができる。

本発明の光検出装置において１チップ化された照度センサ及び近接センサを示す断面図である。光検出装置の全体のブロック構成を示す図である。照度測定と近接測定とのタイムチャートを示す図である。第１の受光素子の分光感度特性と近接センサの分光感度特性を示す図である。従来の照度センサに用いられる２つの受光素子の分光感度特性を示す図である。第１の受光素子で検出される信号の大きさと近接センサで検出される信号の大きさとの関係を示す図である。周囲光の光源の種類に対し、光検出装置で検出された信号を用いて照度を算出した結果を示す図である。図７の各光源の算出照度を棒グラフで表した図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。構造に関する図面は模式的なものであり、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場合がある。

本発明の光検出装置の受光部を図１に示す。図１は、受光部の断面を示す。受光部は、第１の受光素子５０と第２の受光素子５１が半導体を用いて一体的形成されている。また、第１の受光素子５０と第２の受光素子５１は、図１の上方からの光を受けて光検出が行われる。

この受光部は、第１の受光素子５０と第２の受光素子５１に共通なｐ型基板１を備えている。
第１の受光素子５０では、ｐ型基板１の表層部には、平面視において、ｐ型基板１の周縁から所定幅を隔てた内方の領域に、その表面からｎ型不純物をドーピングすることによって、ｎ型層２が埋設されている。これにより、第１の受光素子５０には、ｐ型基板１とｎ型層２とのｐｎ接合からなる第１のフォトダイオードＰＤ１（第１の光電変換領域）が形成されている。

ｎ型層２の受光面からの深さは、その第１のフォトダイオードＰＤ１で赤外線領域の光、例えば波長８５０ｎｍの光が最も効率よく光電変換される深さに形成される。第１の受光素子５０及び第２の受光素子５１は、シリコン等の材料で構成されており、ｐ型基板１には、ｐ型シリコン基板等が用いられている。

ｎ型層２の表層部には、平面視において、ｎ型層２の周縁から間隔を隔てた内方の領域に、その表面からｐ型不純物をドーピングすることによって、ｐ型層３が埋設されている。これにより、第１の受光素子５０には、第１のフォトダイオードＰＤ１よりも受光面に近い位置に、ｎ型層２とｐ型層３とのｐｎ接合からなる第２のフォトダイオードＰＤ２（第２の光電変換領域）が形成されている。一般に、フォトダイオード構造を有する受光素子では、受光面から入射する光波長が短いものほど浅い位置で吸収されるので、第２のフォトダイオードＰＤ２では、第１のフォトダイオードＰＤ１よりも短い波長の光が最も効率よく光電変換されることになる。第２のフォトダイオードＰＤ２は、波長が約５５５ｎｍの光が最も効率よく光電変換される深さに形成される。

ｐ型層３の表層部には、平面視において、ｐ型層３の周縁から間隔を隔てた内方の領域に、その表面からｎ型不純物をドーピングすることによって、ｎ型層４が埋設されている。これにより、第１の受光素子５０には、第２のフォトダイオードＰＤ２よりも受光面に近い位置に、ｐ型層３とｎ型層４とのｐｎ接合からなる第３のフォトダイオードＰＤ３（第３の光電変換領域）が形成されている。第３のフォトダイオードＰＤ３では、第２のフォトダイオードＰＤ２よりも短い波長の光が最も効率よく光電変換されることになる。ｎ型層４の受光面からの深さは、紫外線領域に近い可視光が最も効率よく光電変換される深さに形成される。

ｐ型基板１の表面は、ＳｉＯ_２またはＳｉＮからなる透明な保護膜５で覆われている。この保護膜５上には、第１カソード電極６、第１アノード電極７、第２カソード電極８、共通アノード電極１０が形成されている。第１カソード電極６は、保護膜５に形成された開口部を介して、ｎ型層２に接続されている。また、第１カソード電極６は、正のＤＣ電圧VREFでバイアスされている。第１アノード電極７は、保護膜５に形成された開口部を介して、ｐ型層３に接続されている。第２カソード電極８は、保護膜５に形成された開口部を介して、ｎ型層４に接続されている。共通アノード電極１０は、保護膜５に形成された開口部を介して、ｐ型基板１に接続されている。また、共通アノード電極１０は、グランドラインに接続されている。そして、第１カソード電極６と第２カソード電極８は、配線を介して接続されている。

これにより、第１のフォトダイオードＰＤ１は、バイアスVREFによって、カソード電極６から共通アノード電極１０を介してＧＮＤに向かって流れる。このため、第１のフォトダイオードＰＤ１での光電変換によって生じる順方向の光電流は、グランドラインに逃がされ、光検出信号として出力されない。

次に、第２のフォトダイオードＰＤ２での光電変換によって生じる順方向の光電流は、第１カソード電極６から光検出信号として出力される。また、第３のフォトダイオードＰＤ３での光電変換によって生じる順方向の光電流は、第２カソード電極８から光検出信号として出力される。

以上のように、この第１の受光素子５０では、受光面を基準にして、第１のフォトダイオードＰＤ１のｐｎ接合面の深さと、第２のフォトダイオードＰＤ２のｐｎ接合面の深さと、第３のフォトダイオードＰＤ３のｐｎ接合面の深さを異なるように形成している。

第１の受光素子５０では、第３のフォトダイオードＰＤ３が形成されているので、受光面から入射する光のうち、第３のフォトダイオードＰＤ３で光電変換されない光のみが第２のフォトダイオードＰＤ２に到達する。したがって、第３のフォトダイオードＰＤ３が、約４００ｎｍの波長を有する光に対する感度がピークとなり、それよりも長い波長の光ほど感度が低下するような分光感度特性を有していれば、第２のフォトダイオードＰＤ２は、図５（ａ）に示すように、波長が約７２０ｎｍ以下の光に対して感度を有し、波長が約５５５ｎｍの光に対する感度がピークとなり、波長が４００ｎｍ以下の光に対する感度が零である分光感度特性を有する。

また、ｎ型層２に接続された第１カソード電極６とｎ型層４に接続された第２カソード電極９とが接続され、第２のフォトダイオードＰＤ２のアノードと第３のフォトダイオードＰＤ３のアノードは、共通の第１アノード電極７で構成されている。これにより、第２のフォトダイオードＰＤ２と第３のフォトダイオードＰＤ３とは並列接続されることになる。また、前述したように、第１のフォトダイオードＰＤ１は、バイアスVREFによって、カソード電極６から共通アノード電極１０を介してＧＮＤに向かって流れる。

このため、第１のフォトダイオードＰＤ１での光電変換によって生じる順方向の光電流は、グランドラインに逃がされ、光検出信号として出力されない。したがって、第１の受光素子５０は、第２のフォトダイオードＰＤ２からの光電流と第３のフォトダイオードＰＤ３からの光電流とが加算された電流が光検出信号として端子９から出力される。端子９は、後述するＡＤコンバータ３１の入力に接続されている。このＰＤ２からの出力とＰＤ３の出力が加算された分光感度特性を示すのが、図４（ａ）である。

一方、第２の受光素子５１では、ｐ型基板１の表層部には、ｐ型基板１の周縁から所定幅を隔てた内方の領域に、その表面からｎ型不純物をドーピングすることによって、ｎ型層１２が埋設されている。これにより、第２の受光素子５１には、ｐ型基板１とｎ型層１２とのｐｎ接合からなる第４のフォトダイオードＰＤ１１（第４の光電変換領域）が形成されている。

ｎ型層１２の表層部には、ｎ型層１２の周縁から間隔を隔てた内方の領域に、その表面からｐ型不純物をドーピングすることによって、ｐ型層１３が埋設されている。これにより、第２の受光素子５１には、第４のフォトダイオードＰＤ１１よりも受光面に近い位置に、ｎ型層１２とｐ型層１３とのｐｎ接合からなる第５のフォトダイオードＰＤ１２（第５の光電変換領域）が形成されている。第５のフォトダイオードＰＤ１２では、第４のフォトダイオードＰＤ１１よりも短い波長の光が最も効率よく光電変換される。

ｐ型層１３の表層部には、ｐ型層１３の周縁から間隔を隔てた内方の領域に、その表面からｎ型不純物をドーピングすることによって、ｎ型層１４が埋設されている。これにより、第２の受光素子５１には、第５のフォトダイオードＰＤ１２よりも受光面に近い位置に、ｐ型層１３とｎ型層１４とのｐｎ接合からなる第６のフォトダイオードＰＤ１３（第６の光電変換領域）が形成されている。第６のフォトダイオードＰＤ１３では、第５のフォトダイオードＰＤ１３よりも短い波長の光が最も効率よく光電変換される。

ｎ型層１４、ｐ型層１３、ｎ型層１２、ｐ型基板１の表面は、ＳｉＯ_２またはＳｉＮからなる透明な保護膜５で覆われている。この保護膜５上には、第３カソード電極１６、第２アノード電極１７、第４カソード電極１８が形成されている。第３カソード電極１６は、保護膜５に形成された開口部を介して、ｎ型層１２に接続されている。第２アノード電極１７は、保護膜５に形成された開口部を介して、ｐ型層１３に接続されている。第４カソード電極１８は、保護膜５に形成された開口部を介して、ｎ型層１４に接続されている。また、第１の受光素子５０で説明した共通アノード電極１０が第２の受光素子５１でも共通の接地電極として用いられる。ここで、第３カソード電極１６と第２アノード電極１７と第４カソード電極１８とは、保護膜５上に形成された配線により接続されている。

第３カソード電極１６、第２アノード電極１７、第４カソード電極１８の領域を覆うようにして、保護膜７５上に赤外線透過フィルタ２０が形成されている。赤外線透過フィルタ２０は、可視光を遮断又は減衰させ、赤外光を通過させる光学フィルタであり、例えば、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層した干渉フィルタや樹脂等により構成される。また、赤外線透過フィルタ２０は、ＰＤ１１（第４の光電変換領域）のｐｎ接合領域全体を覆う広さに形成されており、赤外線透過フィルタ２０の面積は、ＰＤ１１のｐｎ接合領域の面積と同じか、あるいはＰＤ１１のｐｎ接合領域の面積よりも大きく形成される。

第２の受光素子５１では、第４のフォトダイオードＰＤ１１のｐｎ接合面の深さと、第５のフォトダイオードＰＤ１２のｐｎ接合面の深さと、第６のフォトダイオードＰＤ１３のｐｎ接合面の深さを異なるように形成している。また、第１の受光素子５０の半導体積層構造と第２の受光素子５１を構成する受光素子の半導体積層構造とは同じ構成が用いられる。すなわち、第１の受光素子５０におけるＰＤ１のｐｎ接合面、ＰＤ２のｐｎ接合面、ＰＤ３のｐｎ接合面と第２の受光素子５１におけるＰＤ１１のｐｎ接合面、ＰＤ１２のｐｎ接合面、ＰＤ１３のｐｎ接合面とはそれぞれ同じ深さに形成される。

すなわち、ＰＤ１とＰＤ１１、ＰＤ２とＰＤ１２、ＰＤ３とＰＤ１３は、それぞれ同じ分光感度特性を有する。したがって、ＰＤ１２のｐｎ接合面の深さは、波長が約５５５ｎｍの光が最も効率よく光電変換される深さに形成され、ＰＤ１１のｐｎ接合面の深さは、赤外線領域の光、例えば波長約８５０ｎｍの光が最も効率よく光電変換される深さに形成される。

以上のように、第１の受光素子５０と第２の受光素子５０とは同じ半導体積層構造で、さらに電極の配置位置も同じで良いので、これらを１チップ化する際の製造工程は簡単になり、生産効率が向上する。なお、第１の受光素子と第２の受光素子の面積は異なっても良い。

これにより、受光面から入射する光のうち、第４のフォトダイオードＰＤ１１での光電変換によって生じる光電流は、端子１９から光検出信号として出力される。端子１９は後述するＡＤコンバータ３２の入力に接続されている。また、第３カソード電極１６と第２アノード電極１７が接続されることにより、ＰＤ１２のアノードとカソードが短絡される。さらに、第２アノード電極１７と第４カソード電極１８が接続されることにより、ＰＤ１３のアノードとカソードが短絡される。アノードとカソードが短絡されたＰＤ１２とＰＤ１３は並列接続される。したがって、ＰＤ１２及びＰＤ１３での光電変換による光電流は、出力されない。

第２の受光素子５１から出力される光検出信号の分光感度特性は、仮に赤外線透過フィルタ２０が設けられていない状態で検出した場合は、上記のように第４のフォトダイオードＰＤ４からの検出信号で構成されるので、図５（ｂ）に示す特性となる。しかし、実際には、可視光をカットし赤外光を透過させる赤外線透過フィルタ２０を設けているため、図４（ｂ）に示すように、図５（ｂ）の分光感度特性から８００ｎｍ以下の波長成分が急峻にカットされた特性となる。

図２は、第１の受光素子５０と第２の受光素子５１とを備えた光検出装置２００の全体構成のブロック図を示す。光検出装置２００は、第１の受光素子５０、第２の受光素子５１、ＡＤコンバータ３１、３２、ロジック回路２１０、Ｉ^２ＣＩＯ４０等で構成されている。ロジック回路２１０は、ＡＤＣコントロールロジック３３、３４、スイッチ３８、第１レジスタ３５、第２レジスタ３６、第３レジスタ３７、Ｉ^２Ｃインタフェース３９で構成される。光検出装置２００のＩ^２ＣＩＯ４０は外部ＣＰＵ２２０と接続される。外部ＣＰＵ２２０は、Ｉ^２ＣＩＯ４０からデータを読み出し、Ｉ^２ＣＩＯ４０に対して照度測定や近接測定の測定命令、測定モード設定、ゲイン設定等の制御信号を伝達する。また、第１レジスタ３５、第２レジスタ３６、第３レジスタ３７は、それぞれ、例えば、１６ビットのデータが記憶できるレジスタで構成される。

図２に基づき動作を説明する。図２の第１の受光素子５０におけるＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、第２の受光素子５１におけるＰＤ１１、ＰＤ１２、ＰＤ１３は、それぞれ図１のＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ１１、ＰＤ１２、ＰＤ１３に対応している。周囲光が光検出装置２００に入射すると、第１の受光素子５０は周囲光を受光し、可視光領域に感度ピークを有するＰＤ２により生成された光電流とＰＤ３により生成された光電流とが加算されてＡＤコンバータ３１に入力される。具体的には、ＡＤコンバータ３１の入力は、バイアス電圧VREFにバーチャルショートされており、ＰＤ２の両端の電位は等しく、ＰＤ３の両端の電位も等しくしているので、光を光電変換した電流のみが流れることなる。ＡＤコンバータ３１は積分型ＡＤ変換器であり、ＡＤコンバータ３１に入力された光電流はデジタル値に変換される。

一方、第２の受光素子５１も周囲光を受光し、赤外線領域に感度ピークを有するＰＤ１１により生成された光電流がＡＤコンバータ３２に入力される。具体的には、ＡＤコンバータ３２の入力は、ＧＮＤにバーチャルショートされており、ＰＤ１１の両端の電位は等しくしているので、光を光電変換した電流のみが流れることなる。ＡＤコンバータ３２は積分型ＡＤ変換器であり、ＡＤコンバータ３２に入力された光電流はデジタル値に変換される。

Ｉ^２Ｃインタフェース３９からＡＤＣモード切替信号や制御信号等がＡＤＣコントロールロジック３３、３４に供給される。

ＡＤコンバータ３１から出力されるデジタル信号は、ＡＤＣコントロールロジック３３を介して第１レジスタ３５に保持される。また、周囲光の照度を測定する際には、外部ＣＰＵ２２０の制御に基づき、Ｉ^２Ｃインタフェース３９から送信される照度／近接測定モード切替信号Ｓ２により、スイッチ３８が作動し、ＡＤＣコントロールロジック３４と第２レジスタ３６が接続するように切り替わる。これにより、ＡＤコンバータ３２から出力されるデジタル信号は、ＡＤＣコントロールロジック３４を介して第２レジスタ３６に保持される。第１レジスタ３５と第２レジスタ３６に保持されたデータは、Ｉ^２Ｃインタフェース３９、Ｉ^２ＣＩＯ４０を介して外部ＣＰＵ２２０に送信される。

一方、近接測定を行う場合は、図示はしていないが、赤外ＬＥＤが光検出装置２００の外部に設けられており、外部ＣＰＵからの測定命令により、光検出装置２００自身が備えるＬＥＤドライバ等を介して赤外ＬＥＤを駆動し、赤外光をパルス発光させる。また、外部ＣＰＵ２２０のモード選択信号に基づき、Ｉ^２Ｃインタフェース３９から送信される照度／近接測定モード切替信号Ｓ２により、スイッチ３８が作動し、ＡＤＣコントロールロジック３４と第３レジスタ３７が接続するように切り替わる。これにより、ＡＤコンバータ３２から出力されるデジタル信号は、ＡＤＣコントロールロジック３４を介して第３レジスタ３７に保持される。第３レジスタ３７に保持されたデータは、Ｉ^２Ｃインタフェース３９、Ｉ^２ＣＩＯ４０を介して外部ＣＰＵ２２０に送信される。外部ＣＰＵ２２０では、第３レジスタ３７のデータと所定の閾値を比較することにより、近接したかどうかを判断する。

外部の赤外ＬＥＤの発光した光が、対象物から反射した赤外光を第１の受光素子５０と第２の受光素子５１は受光する。しかし、近接測定時には、第２の受光素子５１のみを使用して検出を行うため、他方の第１の受光素子５０の光検出信号はＡＤ変換する必要がないので、ＡＤＣコントロールロジック３３からの制御信号によりＡＤコンバータ３１はＡＤ変換の動作を中止する。

他方、第２の受光素子５１では、可視光領域に感度ピークを有するＰＤ１２とＰＤ１３は、それぞれアノードとカソードが短絡されているので、検出信号は０である。しかし、第２の受光素子５１は赤外線透過フィルタ２０を備え、ＰＤ１１は赤外線領域に感度ピークを有しているので、ＰＤ１１で検出される信号は、前述したように、図４（ｂ）のような特性になる。この光検出信号がＡＤコンバータ３２に入力される。ＡＤコンバータ３２から出力されるデジタル信号は、ＡＤＣコントロールロジック３４を介して第３レジスタ３７に保持される。第１レジスタ３５と第３レジスタ３７に保持されたデータは、Ｉ^２Ｃインタフェース３９、Ｉ^２ＣＩＯ４０を介して外部ＣＰＵ２２０に送信される。

ここで、照度測定と近接測定と赤外ＬＥＤ発光の時間的な関係は、図３のタイムチャートのようになる。近接測定と照度測定は別個の時間帯で行われ、照度センサと近接センサは時分割で動作する。近接測定は、例えば１．４ｍＳの時間で実行されるが、この１．４ｍＳの測定期間中に赤外ＬＥＤが発光し、例えば２００μＳの期間発光する。近接測定終了後に、照度測定が例えば１００ｍＳの期間行われる。照度センサと近接センサを時分割で動作させ、照度測定時に赤外ＬＥＤを発光させないのは、赤外ＬＥＤの受光が照度センサに対して誤差信号となるからである。

図５は、従来、３個のフォトダイオードを用いたときの照度測定に用いられる２つのフォトダイオードの分光感度特性を示す。図５（ａ）、（ｂ）ともに、縦軸は受光感度を、横軸は波長（ｎｍ）を示す。図５（ａ）の受光感度は、４００ｎｍ〜１１００ｎｍまでの波長域で最大の感度を１として、正規化している。また、図５（ｂ）の受光感度は、図５（ａ）において４００ｎｍ〜１１００ｎｍまでの波長域で最大の感度を１として、正規化している。

図５（ａ）は、可視光領域に感度ピークを有するフォトダイオードの分光感度特性である。図５（ａ）の分光感度特性は、図１のＰＤ２の光検出信号のみを取り出した場合に相当する。図５（ｂ）は、赤外線領域に感度ピークを有するフォトダイオードの分光感度特性である。図５（ｂ）の分光感度特性は、図１のＰＤ１の光検出信号のみを取り出した場合に相当する。従来は、図５（ａ）の分光感度特性を有する受光素子と図５（ｂ）の分光感度特性を有する受光素子の２つの受光素子を用いて、周囲光の光源の判定及び照度計算を行っていた。

本発明では、図４の分光感度特性を有する受光素子用いて周囲光の光源の判定及び照度計算を行う。図４（ａ）、（ｂ）ともに、縦軸は受光感度を、横軸は波長（ｎｍ）を示す。図４（ａ）の受光感度は、４００ｎｍ〜１１００ｎｍまでの波長域で最大の感度を１として、正規化している。また、図４（ｂ）の受光感度は、図４（ａ）において４００ｎｍ〜１１００ｎｍまでの波長域で最大の感度を１として、正規化している。

図４（ａ）は、図１のＰＤ２とＰＤ３の光検出信号が加算されているので、図５（ａ）と異なり、波長４００ｎｍにおける受光感度が０にならずに、ピーク感度の半分位の強度を有している。また、感度のピークが図５（ａ）と比べて少し波長５００ｎｍ側にシフトしている。また、図４（ｂ）は、図１の赤外線透過フィルタ２０を透過し、かつＰＤ１１で検出された光検出信号のみが出力されるので、図５（ｂ）の分光感度特性から赤外線領域の成分のみが取り出された分光感度特性となる。図４（ｂ）からわかるように、図５（ｂ）の曲線から波長８００ｎｍ未満の成分が急峻に除去された曲線となっている。

すなわち、図４（ａ）の分光感度特性を持つ第１の受光素子５０と図４（ｂ）の分光感度特性を持つ第２の受光素子５１により照度測定が行われた結果、上述したように第１レジスタ３５に保持されたデータと第２レジスタ３６に保持されたデータとを用いて、外部ＣＰＵ２２０で演算、判定処理を行うことにより周囲光の光源の判定、照度が計算される。

光源の判定は、図６、図７に示すように、可視光領域の約５５５ｎｍの波長に感度ピークを持つ第１の受光素子５０から出力された光電流のデータが記憶された第１のレジスタ３５と赤外線領域の約８５０ｎｍの波長に感度ピークを有する第２の受光素子５１から出力された光電流のデータが記憶された第２のレジスタ３６を用い、これらのデータの比により判定する。

図７では、光源の照度を１０００ｌｘ（ルクス）にして測定した場合の第１レジスタ（計数値Ｃ０）と第２レジスタ（計数値Ｃ１）のそれぞれに記憶された数値と、Ｃ１／Ｃ０の比（Ｒ）が示されている。また、縦軸に第２レジスタの計数値、横軸に第１レジスタの計数値を取り、各数値をプロットしたグラフを図６に示す。Ｒ＝（Ｃ１／Ｃ０）の値や図６のグラフにより、光源の種類が判定できる。

赤外光成分の強度がほぼ０で、可視光成分の強度が最も低いものが蛍光灯となり、Ｒは０．００６である。次に可視光成分の強度が少し高くなっており、Ｒが０．００２が白色ＬＥＤである。さらに、Ｒの値が上がるとともに、可視光成分の強度も赤外光成分の強度も次第に増加して行く順に、ハロゲンランプ、白熱灯、出力を２５Ｗに下げた白熱灯（２５Ｗ）、出力を１０Ｗに下げた白熱灯（１０Ｗ）となっている。以上のように、第１レジスタの計数値と第２レジスタの計数値と、これらの割合（比）を用いて、光源の種類の判定を行うことができる。

次に、照度ＬＸは、第１の受光素子５０で測定した光検出信号から第２の受光素子５１で測定した赤外光成分を取り除き、感度を調整する必要がある。したがって、一般的に、ＬＸ＝α×Ｃ０−β×Ｃ１で算出される。ここで、α、βは係数である。ところで、図６からわかるように、第１レジスタの計数値Ｃ０と第２レジスタの計数値Ｃ１の比は、緩やかなカーブを有する曲線となっており、ほぼ直線に近い。したがって、光源の種類を一定の範囲に分ければ、直線で近似することができる。例えば、蛍光灯及び白色ＬＥＤの範囲、ハロゲンと白熱灯と白熱灯（２５Ｗ）の範囲、白熱灯（１０Ｗ）の範囲である。

そこで、照度の計算は、光源の種類を判定した後に、次の式を用いて行われる。Ｒ＜０．３２の場合、すなわち、蛍光灯、白色ＬＥＤ等の場合、照度ＬＸ１＝０．７２６×Ｃ０−０．８７５×Ｃ１で算出する。

０．３２≦Ｒ＜０．９０の場合、すなわち、ハロゲン、白熱灯、白熱灯（２５Ｗ）等の場合、照度ＬＸ２＝０．５６７×Ｃ０−０．３８６×Ｃ１で算出する。

また、０．９０≦Ｒ＜２．１３の場合、すなわち、白熱灯（１０Ｗ）等の場合、照度ＬＸ３＝０．３７９×Ｃ０−０．１７８×Ｃ１で算出する。

上記の算出式により算出された照度が図７の算出照度（ｌｘ）の欄に示されている。また、これらのデータを棒グラフに表した図が図８である。光源の照度が１０００ｌｘであったが、図７の算出照度及び図８の棒グラフからわかるように、どの種類の光源に対しても約１０００ｌｘとなるようになっている。このように、上記算出式を用いれば、ほぼ光源の照度を正確に計算することができる。

本発明の光検出装置は、特に、スマートフォン、携帯電話、カーナビゲーションシステム、ノートパソコン、タブレットＰＣ等に適用することができる。

１ｐ型基板
２ｎ型層
３ｐ型層
４ｎ型層
５絶縁膜
６第１カソード電極
７第１アノード電極
８第２カソード電極
９端子
１０共通アノード電極
１２ｎ型層
１３ｐ型層
１４ｎ型層
１６第３カソード電極
１７第２アノード電極
１８第４カソード電極
２０赤外線透過フィルタ
５０第１の受光素子
５１第２の受光素子

Claims

可視光領域に感度ピークを有する第１の受光素子と、
可視光を減衰させ赤外線を透過させる光学フィルタを受光面に有し、かつ赤外線領域に感度ピークを有する第２の受光素子とを備え、
前記第１の受光素子と第２の受光素子とは、それぞれ受光面から深さの異なる３つの光電変換領域により構成されると共に、同じ半導体積層構造を有する半導体により一体的に形成され、
前記第１の受光素子は、周囲光の照度の測定において、受光面から最も浅い位置の光電変換領域及び受光面から２番目に深い位置の光電変換領域からの光電流を光検出信号として出力すると共に、その光検出信号の分光感度特性として、波長４００ｎｍにおける受光感度がピーク感度の半分に近似する強度を有し、
前記第２の受光素子の出力信号から近接物の測定を行い、前記第１の受光素子の出力信号と前記第２の受光素子の出力信号を用いることにより周囲光の照度の測定を行うことを特徴とする光検出装置。
前記第２の受光素子は、受光面から最も深い位置の光電変換領域からの光電流を出力としていることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
前記第１の受光素子で出力された光電流をＡＤ変換して得られたデジタル値を格納する第１の記憶手段と、
前記第２の受光素子で出力された光電流をＡＤ変換して得られたデジタル値を格納する第２の記憶手段及び第３の記憶手段とを備え、
前記周囲光の照度の算出を行う場合は前記第１の記憶手段のデータ及び第２の記憶手段のデータを用い、前記近接の検出を行う場合は前記第３の記憶手段のデータを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光検出装置。
周囲光の照度測定と近接測定は別々に独立して行われ、周囲光の照度測定の際は前記第２の受光素子からの光電流をＡＤ変換して得られたデジタル値が第２の記憶手段に格納され、近接測定の際は前記第２の受光素子からの光電流をＡＤ変換して得られたデジタル値が第３の記憶手段に格納されるように、切り替えを行うことを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
前記周囲光の照度測定は、前記第１の記憶手段のデータに第１の係数を掛けた値から前記第２の記憶手段のデータに第２の係数を掛けた値を引き算することにより求められることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の光検出装置。
前記周囲光の照度測定は、前記第１の記憶手段のデータと前記第２の記憶手段のデータの割合から周囲光の光源の種類を判定することを含むことを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の光検出装置。