JP7336404B2

JP7336404B2 - 赤外線測定装置

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Publication number: JP7336404B2
Application number: JP2020032908A
Authority: JP
Inventors: 崇博北原; 弘治齊藤
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2040-02-28
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Description

本発明は、近接物に照射した赤外線を測定することができる赤外線測定装置に関する。

タッチパネル方式を採用した表示装置を設けた機器（例えば、携帯電話機、スマートフォンなど）の中には、タッチパネルに耳や顔等が近づいたことを検出するための測定装置として、赤外線測定装置を採用しているものが存在する。赤外線測定装置は、近接物に照射した赤外線を測定することで対象物（たとえば、耳や顔等）が機器に接近したことを検出する光学式の近接センサを含んで構成される。

近接センサは、赤外線ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を発光させて赤外線を外部に照射し、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っている。しかし、近接センサで近接物を測定する場合、周囲光の影響を受けて測定に誤差が生じる場合がある。このような問題に鑑み、特開２０１０－１８５８５１号公報（特許文献１）には、近接物を測定する際に周囲光の影響を抑えることが可能な近接センサが開示されている。

特開２０１０－１８５８５１号公報

白熱灯、ハロゲン光、蛍光灯やＬＥＤ光源などを周囲光とする場合、商用電源の周波数（５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）で周囲光の明るさが変動（フリッカ）することになる。周囲光が変動した場合、近接センサでは、周囲光を測定するタイミングと対象物からの反射光を測定するタイミングとで周囲光の明るさが変わるので、周囲光の明るさが変化した分がノイズとして測定されてしまう。この影響を抑えるためには、近接センサに、可視光カット機能を持たせることが望ましい。可視光カット機能とは、波長が略８００ｎｍ（ナノメートル）以上の赤外光領域の光を通過させ、波長が略８００ｎｍ未満の可視光領域の光をカット（遮断）する機能である。

近接センサに可視光カット機能を持たせる方法としては、受光素子の上層にレジストあるいはフィルムなどの光学式の可視光カットフィルタを設ける方法が知られている。しかしながら、光学式のフィルタは一般的に高額であるため、装置のコストアップに繋がる。また、近接センサに可視光カット機能を持たせる他の方法として、受光素子の上層に配置される透明な樹脂に可視光カット機能を有する特殊材料を加える方法がある。しかしながら、この方法を行なうための設備を導入すると、光学式のフィルタを設ける場合と同様に、装置のコストアップに繋がる。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、可視光カット機能を有する光学式のフィルタあるいは特殊材料を用いることなく、可視光によるノイズを除去可能な赤外線測定装置を提供することである。

本開示による赤外線測定装置は、赤外光を発する発光部と、光を受けることによって光電流を出力する受光部と、受光部の出力に基づいて受光部が受けた光を測定する測定部とを備える。受光部は、測定部に接続される接続線と、接続線に接続され、所定値よりも波長の長い赤外線領域に感度ピークを有するとともに所定値よりも波長の短い可視光線領域にも感度を有する赤外フォトダイオードを有する赤外受光部と、各々が可視光線領域に感度ピークを有するとともに赤外線領域にも感度を有する複数の可視光フォトダイオードをそれぞれ有する複数の可視光受光部と、複数の可視光フォトダイオードと接続線との間にそれぞれ設けられ、測定部に接続される可視光フォトダイオードの組合せを変更可能な複数のスイッチとを含む。

本開示によれば、可視光カット機能を有する光学式のフィルタあるいは特殊材料を用いることなく、可視光によるノイズを除去可能な赤外線測定装置を提供することができる。

赤外線測定装置の全体構成を模式的に示す図である。受光部の受光面の法線方向から受光部を視た図である。赤外フォトダイオードおよび可視光フォトダイオードの感度特性の一例を概念的に示す図である。赤外受光部および可視光受光部の断面を模式的に示す図である。図２のＶ－Ｖ断面を模式的に示す図である。受光部の等価回路を示す図である。信号線に接続される可視光フォトダイオードの組合せを変更した場合における、受光部の感度特性の変化の一例を概念的に示す図である。ＬＥＤ照明の光が周囲光として受光部に照射された場合の感度およびパワーの一例を示す図である。赤外線測定装置が周囲光キャンセル処理および反射光測定処理を実行するタイミングを模式的に示す図である。赤外線測定装置が近接物からの反射光を測定する際に実行する処理手順を示すフローチャートである。本変形例１による受光部をＺ軸方向から視た図である。本変形例２による受光部をＺ軸方向から視た図である。本変形例３による受光部をＺ軸方向から視た図である。本変形例４による受光部の断面を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態による赤外線測定装置１の全体構成を模式的に示す図である。赤外線測定装置１は、たとえば、タッチパネル方式を採用した表示装置を設けた機器（例えば、携帯電話機、スマートフォンなど）に搭載され、タッチパネルに耳や顔等が機器に近づいたことを検出するための測定装置として用いられる。本実施の形態による赤外線測定装置１は、外部に赤外線を照射し、近接物で反射した赤外線を測定することで、対象物が機器に接近したことを検出する近接センサである。なお、赤外線測定装置１は、必ずしも近接センサに限定されず、近接センサと同じような構成で赤外線を測定する赤外線測定装置であれば、いずれの赤外線測定装置であってもよい。

赤外線測定装置１は、発光部１０と、受光部２０と、測定部４０とを備える。発光部１０は、測定部４０からの指令に従って、赤外線領域に含まれる波長を有する光（以下「赤外光」ともいう）を発する素子（たとえば赤外発光ダイオード）を備えている。

受光部２０は、光を受けることによって光電流を出力するように構成される。受光部２０は、後述するように、複数の受光素子（フォトダイオード）を有する。受光部２０の構成については後に詳述する。

測定部４０は、受光部２０に接続され、受光部２０の出力信号Ｉｄに基づいて、外部から受光部２０が受けた光（光源４１からの周囲光、近接物４００からの反射光など）を測定する。測定部４０は、測定結果を示す測定信号Ｓｏｕｔを外部に出力するように構成される。

図２は、受光部２０の受光面２０ａの法線方向から受光部２０を視た図である。受光部２０は、赤外受光部２１と、複数（図２の例では５個）の可視光受光部２２とを有する。赤外受光部２１および複数の可視光受光部２２は、受光面２０ａに沿って所定間隔を隔てて直線状に並べて配列される。以下では、赤外受光部２１および複数の可視光受光部２２の配列方向を「Ｘ軸方向」、受光面２０ａの法線方向を「Ｚ軸方向」、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に垂直な方向を「Ｙ軸方向」とも称する。

赤外受光部２１には、波長が８００ｎｍ以上の赤外光領域に感度ピークを有するとともに波長が８００ｎｍ未満の可視光線領域にも感度を有するフォトダイオード（以下「赤外フォトダイオードＰＤｉ」ともいう）が含まれる。複数の可視光受光部２２の各々には、可視光線領域に感度ピークを有するとともに赤外光領域にも感度を有するフォトダイオード（以下「可視光フォトダイオードＰＤｖ」ともいう）が含まれる。なお、フォトダイオードは、光を受けることによって光電変換作用により光電流を発生する半導体素子である。各可視光受光部２２の受光面積Ｓ２は、赤外受光部２１の受光面積Ｓ１よりも小さい値（たとえば５分の１程度）に設定されている。

図３は、赤外フォトダイオードＰＤｉおよび可視光フォトダイオードＰＤｖの感度特性の一例を概念的に示す図である。図３において、横軸は光の波長（単位：ｎｍ）を示し、縦軸はフォトダイオードの感度を示す。感度が大きいほど、より大きい光電流が発生する。

図３から理解できるように、赤外フォトダイオードＰＤｉは、波長が８００ｎｍ以上の赤外光領域に感度ピークを有するとともに、波長が８００ｎｍ未満の可視光領域にも感度を有する。一方、可視光フォトダイオードＰＤｖは、可視光線領域に感度ピークを有するとともに、赤外光領域にも感度を有する。このような特性の違いは、フォトダイオード内におけるｐ型半導体が形成されるＰ層とｎ型半導体が形成されるＮ層との接合面の深さ（受光面２０ａからのＺ軸方向の距離）の違いによって生じさせることができる。具体的には、フォトダイオードのＰ層またはＮ層に光が入射すると、一般的に、波長の短い光ほど浅いところで吸収されて電子を励起し、波長の長い光ほど深いところで吸収されて電子を励起する。したがって、浅い接合面は短い波長に感度ピークを有し、深い接合面は長い波長に感度ピークを有する。このような特性を踏まえ、本実施の形態では、フォトダイオードのＰ層とＮ層との接合面を深さ方向（Ｚ軸方向）において二重にすることによって、赤外フォトダイオードＰＤｉおよび可視光フォトダイオードＰＤｖを形成している。

図４は、赤外受光部２１および可視光受光部２２の断面を模式的に示す図である。赤外受光部２１および可視光受光部２２においては、図４に示すように、窒化シリコンＳｉＮで形成される保護膜層３１と、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２（石英ガラス）で形成される配線層３２と、ｐ型半導体が形成されるＰ層３３（第１層）と、ｎ型半導体が形成されるＮ層３４（第２層）と、ｐ型半導体が形成されるＰ基板３５（第３層）とが、受光面２０ａに近い側から遠い側（Ｚ軸の負方向）に向けてこの順に積層されている。すなわち、本実施の形態による赤外受光部２１および可視光受光部２２においては、Ｐ層３３とＮ層３４との接合面Ｐ１と、Ｎ層３４とＰ基板３５との接合面Ｐ２とが、深さ方向（Ｚ軸方向）において重なる二重構造を有している。このような二重構造において、より浅い接合面Ｐ１周辺の部分が可視光フォトダイオードＰＤｖとして用いられ、より深い接合面Ｐ２周辺の部分が赤外フォトダイオードＰＤｉとして用いられる。

図５は、図２のＶ－Ｖ断面を模式的に示す図である。保護膜層３１、配線層３２、およびＰ基板３５（第３層）は、受光部２０の全体に渡って延在している。赤外受光部２１においては、配線層３２からＰ基板３５までの間に、Ｐ層３３ａおよびＮ層３４ａがこの順に積層される。また、可視光受光部２２においては、配線層３２からＰ基板３５までの間に、Ｐ層３３ｂおよびＮ層３４ｂがこの順に積層される。

なお、本実施の形態においては、各可視光受光部２２におけるＰ層３３ｂのサイズ（受光面２０ａに沿う方向の面積）を赤外受光部２１におけるＰ層３３ａのサイズよりも小さい値に設定することによって、各可視光受光部２２の受光面積Ｓ２を赤外受光部２１の受光面積Ｓ１よりも小さい値にしている。

配線層３２には、一方の端部が測定部４０に接続される信号線Ｌ１が延在する。また、赤外受光部２１における配線層３２には、配線Ｌ２，Ｌ３が設けられる。可視光受光部２２における配線層３２には、バイアスＢＡおよびスイッチＳＷが設けられる。

赤外受光部２１においては、Ｐ層３３ａとＮ層３４ａとの接合面Ｐ１ａよりも深い位置に形成される、Ｎ層３４とＰ基板３５との接合面Ｐ２ａ周辺の部分が、赤外フォトダイオードＰＤｉとして用いられる。具体的には、赤外フォトダイオードＰＤｉのカソードに相当するＮ層３４ａが、配線層３２において配線Ｌ２を介して信号線Ｌ１に接続される。そのため、接合面Ｐ２ａで生じる光電流は配線Ｌ２および信号線Ｌ１を介して測定部４０に出力される。なお、赤外フォトダイオードＰＤｉのアノードに相当するＰ基板３５は接地されている。また、赤外受光部２１におけるＰ層３３ａとＮ層３４ａとは、配線層３２において配線Ｌ３で短絡されるため、接合面Ｐ１ａで生じる光電流は測定部４０には出力されない。

一方、可視光受光部２２においては、Ｎ層３４ｂとＰ基板３５との接合面Ｐ２ｂよりも浅い位置に形成される、Ｐ層３３ｂとＮ層３４ｂとの接合面Ｐ１ｂ周辺の部分が、可視光フォトダイオードＰＤｖとして用いられる。具体的には、可視光フォトダイオードＰＤｖのアノードに相当するＰ層３３ｂが、配線層３２においてスイッチＳＷを介して信号線Ｌ１に接続される。可視光フォトダイオードＰＤｖのカソードに相当するＮ層３４ｂは、配線層３２においてバイアスＢＡに接続される。なお、図５には、１つの可視光受光部２２が示されているが、実際には、上述の図２に示したように複数の可視光受光部２２が存在する。

図６は、受光部２０内の電気回路を単純化した等価回路を示す図である。図６に示すように、赤外受光部２１の赤外フォトダイオードＰＤｉのカソードは、配線Ｌ２および信号線Ｌ１を介して測定部４０に接続される。複数の可視光フォトダイオードＰＤｖと信号線Ｌ１との間には、複数のスイッチＳＷがそれぞれ設けられる。すなわち、各可視光フォトダイオードＰＤｖのアノードは、対応するスイッチＳＷを介して、信号線Ｌ１に接続される。各スイッチＳＷの状態は、測定部４０からの指令に応じて個別に制御される。すなわち、測定部４０は、各スイッチＳＷの状態を制御することによって、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せを変更することができる。

このような回路構成によって、測定部４０には、赤外フォトダイオードＰＤｉで生じる光電流から、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖで生じる光電流の合計を差し引いた電流（光電流の差分）が入力されることになる。そして、測定部４０が各スイッチＳＷの状態を制御して信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せを変更することによって、受光部２０全体としての可視光フォトダイオードＰＤｖのサイズを可変とし、受光部２０の出力を調整することができる。

図７は、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せを変更した場合における、受光部２０の感度特性の変化の一例を概念的に示す図である。図７において、横軸は光の波長（単位：ｎｍ）を示し、縦軸は感度を示す。また、図７において、「ＰＤｉ」が付した曲線は赤外フォトダイオードＰＤｉの感度特性を示し、「５・ＰＤｖ」が付された曲線は５個の可視光フォトダイオードＰＤｖの合計の感度特性を示し、「ＰＤｉ－Ｋ・ＰＤｖ」が付された曲線は信号線Ｌ１にＫ個（Ｋ＝１，２，３，４，５）の可視光フォトダイオードＰＤｖが接続される場合の受光部２０全体の感度特性を示す。

図７から、受光部２０全体の感度特性は、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せ（数）に応じて変化することが理解できる。より具体的には、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの数を多くする（すなわち可視光フォトダイオードＰＤｖの合計サイズを大きくする）ほど、受光部２０全体の感度特性がマイナス方向に変化することが理解できる。図７に示す例は、たとえば、信号線Ｌ１に１個の可視光フォトダイオードＰＤｖが接続される場合の受光部２０全体の感度特性「ＰＤｉ－ＰＤｖ」においてはいずれの波長においてもプラスの感度を有するが、信号線Ｌ１に５個の可視光フォトダイオードＰＤｖが接続される場合の受光部２０全体の感度特性「ＰＤｉ－５・ＰＤｖ」においては、４００～７００ｎｍの波長領域においてマイナスの感度を有することになる。

図８は、ＬＥＤ照明の光が周囲光として受光部２０に照射された場合の感度およびパワーの一例を示す図である。図８において、横軸は光の波長（単位：ｎｍ）を示し、縦軸は感度あるいはパワーを示す。また、図８において、「ＰＤｉ」が付された曲線は赤外フォトダイオードＰＤｉの感度特性を示し、「５・ＰＤｖ」が付された曲線は５個の可視光フォトダイオードＰＤｖの合計の感度特性を示し、「ＰＤｉ－２・ＰＤｖ」が付された曲線は信号線Ｌ１に２個の可視光フォトダイオードＰＤｖが接続される場合の受光部２０全体の感度特性を示す。また、図８において、「ＬＥＤスペクトラム」が付された曲線はＬＥＤ照明のスペクトラム（波長毎のパワー）を示し、「出力パワー」が付された曲線は信号線Ｌ１に２個の可視光フォトダイオードＰＤｖが接続される場合の受光部２０の出力パワーを示す。なお、「出力パワー」が付された曲線において出力パワーを全波長で積分した値（斜線部分の合計面積）が、受光部２０から測定部４０に出力される光電流の絶対値（以下、単に「受光部２０の出力の大きさ」ともいう）に相当する。

ＬＥＤ照明のスペクトラムは、４００～８００ｎｍの波長領域にパワーを持っている。そのため、ＬＥＤ照明の光が周囲光として入射された状態において、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖが発生する光電流の合計と、赤外フォトダイオードＰＤｉが発生する光電流とが略同じになるように、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せ（数）を調整することによって、受光部２０の出力の大きさを最小（ゼロ）に近づけることができる。図８には、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの数が「２個」にした場合に、受光部２０の出力の大きさが最小になる例が示されている。すなわち、図８に示す例では、信号線Ｌ１に２個の可視光フォトダイオードＰＤｖを接続した場合に、出力パワーにおける斜線部分のプラス側の合計面積とマイナス側の合計面積とが互いに相殺し合って、受光部２０の出力の大きさがほぼゼロとなっている。

可視光フォトダイオードＰＤｖは、赤外光の波長（９４０ｎｍ程度）に対する感度は小さい。そのため、信号線Ｌ１に可視光フォトダイオードＰＤｖを接続しても、受光部２０全体における赤外光の波長（９４０ｎｍ程度）の感度はほとんど変化しない。

以上のような特性を踏まえ、本実施の形態による測定部４０は、発光部１０が発光していない状態において、スイッチＳＷの状態を制御することによって、受光部２０の出力の大きさが最小となるように信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せ（数）を調整する処理（以下「周囲光キャンセル処理」ともいう）を実行する。この周囲光キャンセル処理によって、受光部２０の出力の大きさが最小となるように可視光フォトダイオードＰＤｖの合計サイズが最適化されるため、赤外光の波長の感度を劣化させることなく周囲光（可視光）によるノイズを除去することができる。その結果、可視光カット機能を有する光学式のフィルタあるいは特殊材料を用いることなく、可視光によるノイズを除去することが可能になる。

なお、図８には周囲光がＬＥＤ照明の光である例を示したが、周囲光が蛍光灯の光などＬＥＤ照明とは異なる別の光源に変化しても、近接測定を実行する直前に周囲光キャンセル処理を毎回実行して可視光フォトダイオードＰＤｖの合計サイズを調整し直せば、同様の効果を得ることができる。

測定部４０は、周囲光キャンセル処理を実行した後に、発光部１０が発光している状態における受光部２０の出力を、近接物４００で反射した赤外反射光として測定する処理（以下「反射光測定処理」ともいう）を実行する。これにより、可視光によるノイズを除去した上で赤外反射光を測定することができる。その結果、近接物４００が機器に接近したことを適切に検出することができる。

＜周囲光キャンセル処理および反射光測定処理の詳細＞
図９は、本実施の形態による赤外線測定装置１が周囲光キャンセル処理および反射光測定処理を実行するタイミングを模式的に示す図である。図９において、横軸は時間を示す。

測定部４０は、反射光測定処理を実行する前に、まず周囲光キャンセル処理を行なう。測定部４０は、周囲光キャンセル処理において、測定部４０に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せ（数）を切り替えて受光部２０の出力の大きさを測定する処理を繰り返し、受光部２０の出力の大きさが最小となる最適な組合せを探索する「探索処理」を実行する。そして、測定部４０は、測定部４０に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せ（数）の組合せを、探索処理によって得られた最適な組合せに変更する。このような周囲光キャンセル処理を反射光測定処理を実行する直前に行なうことによって、反射光測定処理の実行直前に照射されている周囲光（可視光）によるノイズを除去した状態で、反射光測定処理を開始することができる。

測定部４０は、周囲光キャンセル処理の実行後に、上述の反射光測定処理を実行する。なお、周囲光には、商用電源周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）に基づく所定の周期で発光強度が変動する白熱灯、ハロゲン光、蛍光灯、およびＬＥＤ照明などの光源からの光が含まれ得るため、周囲光の放射照度も変動し得る。この点を踏まえ、測定部４０は、周囲光キャンセル処理の実行後であって、かつ反射光測定処理の実行前に、発光部１０が発光していない状態での周囲光を測定する「第１周囲光測定処理」を実行するとともに、反射光測定処理の実行後に発光部１０が発光していない状態での周囲光を測定する「第２周囲光測定処理」を実行する。

そして、測定部４０は、反射光測定処理による測定結果を、第１周囲光測定処理および第２周囲光測定処理による測定結果で補正する補正処理を実行する。反射光測定処理による測定値を「Ｂ」、第１周囲光測定処理による測定値を「Ａ１」、第２周囲光測定処理による測定値を「Ａ２」とすると、測定値Ｂには、赤外反射光の成分だけでなく、この時の周囲光の成分も重畳している。そのため、測定値Ｂにおける赤外反射光の成分を求めるには、測定値Ｂから周囲光の成分を減算する必要がある。そこで、測定部４０は、反射光測定処理の前後での周囲光の測定値Ａ１，Ａ２の平均値（＝（Ａ１＋Ａ２）／２）を測定値Ｂに含まれる周囲光の成分として算出し、算出された平均値を測定値「Ｂ」から差し引いた値（＝Ｂ－（Ａ１＋Ａ２）／２）を、反射光測定処理による測定結果の補正値として算出する。これにより、反射光測定処理による測定値Ｂに含まれる赤外反射光の成分を、より精度よく算出することができる。

図１０は、本実施の形態による赤外線測定装置１が近接物４００からの反射光を測定する際に実行する処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、予め定められた条件が成立する毎（たとえば所定周期毎）に繰り返し実行される。

測定部４０は、まず、上述の探索処理を行なって、測定部４０に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの最適な組合せ（受光部２０の出力の大きさが最小となる組合せ）を探索する（ステップＳ１０）。次いで、測定部４０は、測定部４０に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せを、探索処理によって得られた最適な組合せに変更する（ステップＳ１２）。ステップＳ１０，Ｓ１２の処理が、上述の周囲光キャンセル処理である。

次いで、測定部４０は、上述の第１周囲光測定処理を行なって反射光測定処理前の周囲光を測定し、その測定値Ａ１をメモリに記憶する（ステップＳ１４）。次いで、測定部４０は、上述の反射光測定処理を行なって赤外反射光を測定し、その測定値Ｂをメモリに記憶する（ステップＳ１６）。次いで、測定部４０は、上述の第２周囲光測定処理を行なって反射光測定処理後の周囲光を測定し、その測定値Ａ２をメモリに記憶する（ステップＳ１８）。

次いで、測定部４０は、上述の補正処理を行なって測定値Ａ１，Ａ２の平均値を測定値Ｂから差し引いた値（＝Ｂ－（Ａ１＋Ａ２）／２）を、反射光測定処理による測定結果の補正値として算出し、算出された補正値を示す信号を測定信号Ｓｏｕｔとして外部に出力する。

以上のように、本実施の形態による赤外線測定装置１は、発光部１０と、受光部２０と、測定部４０とを備える。受光部２０は、測定部４０に接続される信号線Ｌ１と、赤外フォトダイオードＰＤｉを有する赤外受光部２１と、各々が可視光フォトダイオードＰＤｖを有する複数の可視光受光部２２と、複数の可視光フォトダイオードＰＤｖと信号線Ｌ１との間にそれぞれ設けられる複数のスイッチＳＷとを含む。

上記の構成においては、赤外フォトダイオードＰＤｉで生じる光電流から、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖで生じる光電流の合計を差し引いた電流（光電流の差分）が、測定部４０には入力される。そして、複数の可視光フォトダイオードＰＤｖと信号線Ｌ１との間には複数のスイッチＳＷがそれぞれ設けられる。そのため、各スイッチＳＷの状態を制御して信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せを変更することによって、受光部２０全体としての可視光フォトダイオードＰＤｖの合計サイズを可変とし、受光部２０の出力を調整することができる。たとえば、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの合計が発生する光電流と、赤外フォトダイオードＰＤｉが発生する光電流とが略同じになるように、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せ（数）を調整することによって、受光部２０の出力の大きさを最小（ゼロ）に近づけることができる。すなわち、可視光カット機能を有する光学式のフィルタあるいは特殊材料を用いることなく、周囲光（可視光）によるノイズを除去することが可能になる。

この点を踏まえ、本実施の形態による測定部４０は、発光部１０が発光していない状態において、スイッチＳＷの状態を制御することによって、受光部２０の出力の大きさが最小となるように信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せ（数）を調整する「周囲光キャンセル処理」を実行する。より具体的には、測定部４０は、周囲光キャンセル処理において、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せを順次切り替えて受光部２０の出力の大きさが最小となる最適な組合せを探索する「探索処理」を実行し、信号線Ｌ１に接続される可視光フォトダイオードＰＤｖの組合せを探索処理によって得られた最適な組合せに変更する。

この周囲光キャンセル処理によって、受光部２０の出力の大きさが最小となるように可視光フォトダイオードＰＤｖの合計サイズが最適化されるため、赤外光の波長の感度を劣化させることなく周囲光（可視光）によるノイズを除去することができる。

さらに、測定部４０は、周囲光キャンセル処理を実行した後に、発光部１０が発光している状態における受光部２０の出力を、近接物４００で反射した赤外反射光として測定する「反射光測定処理」を実行する。これにより、可視光によるノイズを除去した上で赤外反射光を測定することができる。その結果、近接物４００が機器に接近したことを適切に検出することができる。

さらに、測定部４０は、周囲光キャンセル処理の実行後であって、かつ反射光測定処理の実行前に、発光部１０が発光していない状態での周囲光を測定する「第１周囲光測定処理」を実行するとともに、反射光測定処理の実行後に発光部１０が発光していない状態での周囲光を測定する「第２周囲光測定処理」を実行する。そして、測定部４０は、反射光測定処理による測定結果を、第１周囲光測定処理および第２周囲光測定処理による測定結果で補正する補正処理を実行する。これにより、反射光測定処理による測定結果に含まれる赤外反射光の成分を、より精度よく検出できる。

さらに、本実施の形態による赤外線測定装置１においては、赤外受光部２１および複数の可視光受光部２２の各々が、ｐ型半導体が形成されるＰ層３３（第１層）と、ｎ型半導体が形成されるＮ層３４（第２層）と、ｐ型半導体が形成されるＰ基板３５（第３層）とが、受光面２０ａに近い側から遠い側に向けてこの順に積層される二重構造を有する。このような二重構造において、各可視光フォトダイオードＰＤｖは、各可視光受光部２２におけるＰ層３３とＮ層３４とのとの接合面Ｐ１（浅い方の接合面）周辺の部分によって形成される。赤外フォトダイオードＰＤｉは、赤外受光部２１におけるＮ層３４とＰ基板３５との接合面Ｐ２（深い方の接合面）周辺の部分によって形成される。本実施の形態による赤外線測定装置１においては、このような半導体回路によって形成される赤外受光部２１および複数の可視光受光部２２を用いて、周囲光によるノイズを除去することが可能になる。すなわち、可視光カット機能を有する光学式のフィルタあるいは特殊材料を用いることなく、可視光によるノイズを除去することができる。

＜変形例１＞
上述の実施の形態においては、各可視光受光部２２に配置されるＰ層３３ｂおよびＮ層３４ｂのサイズを赤外受光部２１に配置されるＰ層３３ａおよびＮ層３４ａのサイズよりも小さくすることによって、各可視光受光部２２の受光面積Ｓ２を赤外受光部２１の受光面積Ｓ１よりも小さくする例について説明した（上述の図２および図５参照）。

しかしながら、各可視光受光部２２の受光面積Ｓ２を赤外受光部２１の受光面積Ｓ１よりも小さくする手法は、上記の手法に限定されない。

図１１は、本変形例１による受光部２０ＡをＺ軸方向から視た図である。この受光部２０Ａにおいては、赤外受光部２１に配置されるＰ層３３ａおよびＮ層３４ａのサイズと各可視光受光部２２Ａに配置されるＰ層３３ｂおよびＮ層３４ｂのサイズとを略等しくしつつ、各可視光受光部２２Ａの受光面２０ａ上に矩形状の穴が形成された金属泊２３を設けて遮光することによって、各可視光受光部２２Ａの受光面積Ｓ２を赤外受光部２１の受光面積Ｓ１よりも小さくしている。このような構成によっても、各可視光受光部２２Ａの受光面積Ｓ２を赤外受光部２１の受光面積Ｓ１よりも小さくすることができる。なお、金属泊２３は、たとえば、ＬＳＩ（Large Scale Integration）で一般的に用いられるアルミ配線を用いて実現することができるため、特殊な工程を追加することなく（すなわちコストを上げることなく）遮光を実現することができる。

＜変形例２＞
上述の実施の形態においては複数の可視光受光部２２の受光面積を互いに略等しくする例を示した（上述の図２参照）が、複数の可視光受光部２２の受光面積を互いに異ならせるようにしてもよい。

図１２は、本変形例２による受光部２０ＢをＺ軸方向から視た図である。この受光部２０Ｂにおいては、複数の可視光受光部２２Ｂ１～２２Ｂ５の受光面積が、いずれも赤外受光部２１の受光面積Ｓ１よりも小さく、かつ互いに異なっている。このように、複数の可視光受光部２２Ｂ１～２２Ｂ５の受光面積を互いに異ならせるようにしてもよい。

＜変形例３＞
上述の実施の形態においては赤外受光部２１および複数の可視光受光部２２を直線状に配列する例を示した（上述の図２参照）が、赤外受光部２１および複数の可視光受光部２２の配列は直線状であることに限定されない。

図１３は、本変形例３による受光部２０ＣをＺ軸方向から視た図である。この受光部２０Ｃにおいては、赤外受光部２１を中心として、複数（８個）の可視光受光部２２が環状に配置される。このように変形することで、複数の可視光受光部２２を赤外受光部２１に近い位置に配置することができる。

＜変形例４＞
上述の実施の形態においては赤外受光部２１および可視光受光部２２の双方を二重構造とする例を示した（上述の図５参照）が、赤外受光部２１を一重構造にしてもよい。

図１４は、本変形例４による受光部２０Ｄの断面を模式的に示す図である。この受光部２０Ｄは、上述の受光部２０の赤外受光部２１を、赤外受光部２１Ｄに変更したものである。赤外受光部２１Ｄは、上述の図５に示す赤外受光部２１のＰ層３３ａおよび配線Ｌ３を排除してＰ層３３とＮ層３４との接合面Ｐ１を無くし、Ｎ層３４ａとＰ基板３５との接合面Ｐ２のみとする一重構造を有している。このように赤外受光部２１を一重構造にしてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１赤外線測定装置、１０発光部、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ受光部、２０ａ受光面、２１，２１Ｄ赤外受光部、２２，２２Ａ，２２Ｂ１～２２Ｂ５可視光受光部、２３金属箔、３１保護膜層、３２配線層、３３，３３ａ，３３ｂＰ層（第１層）、３４，３４ａ，３４ｂＮ層（第２層）、３５Ｐ基板（第３層）、４０測定部、４１光源、４００近接物、ＢＡバイアス、Ｌ１信号線、Ｌ２，Ｌ３配線、Ｐ１，Ｐ２接合面、ＰＤｉ赤外フォトダイオード、ＰＤｖ可視光フォトダイオード、ＳＷスイッチ。

Claims

赤外光を発する発光部と、
光を受けることによって光電流を出力する受光部と、
前記受光部の出力に基づいて前記受光部が受けた光を測定する測定部とを備え、
前記受光部は、
前記測定部に接続される信号線と、
前記信号線に接続され、所定値よりも波長の長い赤外線領域に感度ピークを有するとともに前記所定値よりも波長の短い可視光線領域にも感度を有する赤外フォトダイオードを有する赤外受光部と、
各々が前記可視光線領域に感度ピークを有するとともに前記赤外線領域にも感度を有する複数の可視光フォトダイオードをそれぞれ有する複数の可視光受光部と、
前記複数の可視光フォトダイオードと前記信号線との間にそれぞれ設けられ、前記測定部に接続される前記可視光フォトダイオードの組合せを変更可能な複数のスイッチとを含み、
前記測定部は、前記発光部が発光していない状態において、前記複数のスイッチを制御することによって、前記受光部の出力の大きさが最小となるように前記測定部に接続される前記可視光フォトダイオードの組合せを調整するキャンセル処理を実行する、赤外線測定装置。
前記測定部は、前記キャンセル処理において、前記測定部に接続される前記可視光フォトダイオードの組合せを順次切り替えて前記受光部の出力の大きさが最小となる組合せを探索する探索処理を実行し、前記測定部に接続される前記可視光フォトダイオードの組合せを前記探索処理によって得られた組合せに変更する、請求項１に記載の赤外線測定装置。
前記測定部は、前記キャンセル処理の実行後に、前記発光部が発光している状態における前記受光部の出力を、近接物で反射した赤外反射光として測定する反射光測定処理を実行する、請求項１に記載の赤外線測定装置。
前記測定部は、
前記キャンセル処理の実行後であって、かつ前記反射光測定処理の実行前に、前記発光部が発光していない状態での周囲の光を測定する第１周囲光測定処理と、
前記反射光測定処理の実行後に、前記発光部が発光していない状態での周囲の光を測定する第２周囲光測定処理と、
前記反射光測定処理による結果を、前記第１周囲光測定処理および前記第２周囲光測定処理による結果で補正する補正処理とを実行する、請求項３に記載の赤外線測定装置。
前記赤外受光部および前記複数の可視光受光部の各々には、ｐ型半導体が形成される第１層、ｎ型半導体が形成される第２層、ｐ型半導体が形成される第３層が、受光面に近い側から遠い側に向けてこの順に積層され、
前記可視光フォトダイオードは、前記可視光受光部における前記第１層と前記第２層との接合部によって形成され、
前記赤外フォトダイオードは、前記赤外受光部における前記第２層と前記第３層との接合部によって形成される、請求項１～４のいずれかに記載の赤外線測定装置。