KR20060053937A - 반도체 광센서 디바이스 및 거리 측정 방법 - Google Patents

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KR20060053937A
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lens
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semiconductor
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KR1020050065729A
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하지메 후카무라
아키오 이즈미
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후지 덴키 디바이스 테크놀로지 가부시키가이샤
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Abstract

과제
반도체 광센서 칩에 온도 센서를 내장하여 렌즈의 온도를 거의 정확하게 측정 가능하게 한 반도체 광센서 디바이스 및 이 디바이스를 이용한 거리 측정 방법을 실현한다.
해결 수단
피사체로부터의 광을 집광하는 렌즈와, 이 렌즈를 통하여 피사체가 결상되는 반도체 광센서 칩과, 상기 렌즈와 상기 광센서 칩 사이에 충전되며, 또한 열전도율이 높은 투명 충전제를 구비한 반도체 광센서 디바이스와, 이 디바이스를 이용한 거리 측정 방법에 관한 것이다. 광센서 칩(7)이 반도체 온도 센서를 구비하고, 이 온도 센서에 의해 투명 충전제(실리콘 겔(9))를 통하여 렌즈(3a)의 온도를 측정 가능하게 한다. 또한, 측정 온도와 기준 온도의 차를 이용하여 광센서 칩상의 수광 위치를 보정하고, 보정 후의 수광 위치를 삼각측량 원리에 의한 렌즈로부터 피사체까지의 거리 측정에 이용한다.
광센서, 거리 측정

Description

반도체 광센서 디바이스 및 거리 측정 방법{SEMICONDUCTOR OPTICAL SENSOR DEVICE AND RANGE FINDING METHOD USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 반도체 광센서 디바이스의 평면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 반도체 광센서 디바이스의 사시도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 형태에 관한 반도체 광센서 디바이스의 평면도.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 단면도.
도 6은 반도체 광센서 디바이스에 의한 거리 측정 원리의 설명도.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 반도체 온도 센서의 회로도.
도 8은 반도체 온도 센서의 온도 특성의 일 예를 도시한 도면.
도 9는 제 2 실시 형태의 반도체 광센서 디바이스를 이용하여 거리 측정을 행하는 경우의 거리 측정 오차의 설명도.
도 10은 본 발명의 제 3 실시 형태를 나타내는 액티브 자동 초점맞춤 시스템의 구성도.
도 11은 도 10에 있어서의 반도체 광센서 디바이스를 확대하여 도시한 설명도.
도 12는 제 3 실시 형태에 있어서의 온도 보정의 순서를 도시한 순서도.
도 13은 제 3 실시 형태에 있어서의 온도 보정의 순서를 도시한 순서도.
도 14는 제 2 실시 형태의 반도체 광센서 디바이스를 이용한 거리 측정 시스템의 구성도.
도 15는 도 14의 거리 측정 장치에 있어서의 초기 조정 순서를 도시한 순서도.
도 16은 도 14의 거리 측정 장치에 의한 거리 측정 순서를 도시한 순서도.
도 17은 종래 기술을 도시한 사시도.
도 18은 다른 종래 기술을 도시한 사시도.
♠도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♠
1 : 플라스틱 케이스 1a, 1b, 1c : 개방부
2 : 조리개판 2a, 2b : 조리개 구멍
3 : 렌즈부 3a, 3A, 3B : 렌즈
3P : 페어 렌즈 5 : 리드 프레임
7 : 반도체 광센서 칩 7a, 7b, 7A, 7B : 광센서 어레이
8 : 본딩 와이어 9 : 실리콘 겔(투명 충전재)
10a, 10b : 양자화 회로 11 : 연산부
13, 23 : CPU 14, 22 : A/D 컨버터
15 : 드라이버 16 : 적외선 LED
17 : 투광 렌즈 18 : 거리 측정용 IC
20, 21 : 반도체 광센서 디바이스 24 : EPROM
25 : ROM 26 : RAM
M : 피사체
기술 분야
본 발명은, 반도체 광센서 칩을 결상용의 렌즈와 조합시켜 실장한 반도체 광센서 디바이스와, 이 광센서 디바이스를 이용한 거리 측정 방법에 관한 것이다.
배경 기술
도 17은, 반도체 광센서 칩(이하, 단지 광센서 칩이라고도 한다)으로서 CCD(Charge Coupled Device) 화상 센서 칩이나 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 화상 센서 칩 등을 내장한, 일안 렌즈식(single lens type)의 반도체 광센서 디바이스(이하, 단지 광센서 디바이스라고도 한다)의 종래 기술을 도시한다. 이 광센서 디바이스는, 반도체 광센서 칩(도시 생략)을 내장한 플라스틱 케이스(31)와, 이 케이스(31)에 고착된 조리개판(32)과, 그 상면에 배치된 렌즈부(33)를 구비하고, 렌즈부(33)에는 광센서 칩상에 피사체를 결상하기 위한 렌즈(33a)가 마련되어 있다.
또한, 34는 광센서 디바이스가 장착되는 프린트 기판, 플렉시블 기판 등의 기판, 35는 배선 부재로서의 리드 프레임이다.
상기 구성의 광센서 디바이스에서는, 광센서 칩의 온도나 주위 온도의 변화 에 의해 렌즈(33a)가 약간 변형하고, 그 초점 거리가 변화하기 때문에, 광센서 칩의 수광 광량이나 결상 위치가 변화한다. 이 때문에, 상기 렌즈부(33)에 서미스터나 실리콘 온도 센서 등의 온도 센서(36)를 부착하여 렌즈부(33)의 온도를 검출하고, 그 검출 온도에 따라 렌즈(33a)의 초점 거리 등을 보정한다.
또한, 도 18은, 한 쌍의 렌즈(43a, 43b)로 이루어지는 페어 렌즈(pair lens; 3P)를 구비한 거리 측정 장치로서의 반도체 광센서 디바이스의 종래 기술을 도시한다. 이 광센서 디바이스는 반도체 광센서 칩(도시 생략)을 내장한 플라스틱 케이스(41)와, 이 케이스(41)에 고착된 조리개판(42)과, 그 단면(端面)에 배치된 상기 페어 렌즈(43P)를 구비한다. 또한, 44는 기판, 45는 리드 프레임(45)이다.
이 종래 기술에서는, 광센서 칩의 온도나 주위 온도의 변화에 의해, 페어 렌즈(43P)를 구성하는 각 렌즈(43a, 43b)의 초점 거리나 각 렌즈 사이의 기준선 길이, 페어 렌즈(43P)와 광센서 칩 사이의 거리 등이 약간 변화하여 광센서 칩의 수광 광량이나 결상 위치가 변화하고, 거리 측정 결과에 영향을 준다.
이 때문에, 페어 렌즈(43P)의 측면에 온도 센서(46)를 부착하여 페어 렌즈(43P) 자체의 온도를 검출하고, 그 검출 온도에 따라 초점 거리나 기준선 길이 등을 보정한다.
상술한 바와 같은 온도 보정 수단은, 예를 들면 특허 문헌 1에 기재된 거리 측정 장치에 채용되며, 이 거리 측정 장치에서는 렌즈 및 이미지 센서 어레이로 이루어지는 거리 측정 유닛에 밀착시켜 서미스터 등의 온도 검출부가 부착되어 있다.
또한, 다른 종래 기술로서, 특허 문헌 2에 기재된 오토포커스 시스템에서는 MOS 트랜지스터를 이용한 온도 검출 장치를 동일 칩상에 탑재하여 이루어지는 CCD 리니어 센서에 의해 오토포커스 센서를 구성하고 있다.
[특허 문헌 1]
특개평11-166825호 공보(단락 [0027] 내지 [0031], 도 3, 도 4 등)
[특허 문헌 2]
특개평9-311082호 공보(단락 [0028] 내지 [0037], 도 8 내지 도 11 등)
도 17, 도 18이나 특허 문헌 1에 기재된 종래 기술에서는, 렌즈 부근이나 렌즈 자체의 온도를 검출하고, 그 검출 온도에 의거하여 렌즈의 광학 특성을 보정하고 있다.
그러나, 온도 센서를 구성하는 부품값이나 온도 센서의 부착 공정이, 제조 비용의 상승이나 조립 작업의 번잡화를 초래하고 있다. 또한, 렌즈 주변에 온도 센서를 부착하기 위한 공간을 확보하여야 하고, 카메라 등의 광학 기기의 소형화를 저해하는 원인으로 되어 있다.
또한, 온도 센서의 부착 위치에 따라서는 열원이 되는 부품이 인접하여 있는 경우도 있기 때문에, 온도 센서에 의한 검출치가 반드시 렌즈 자체의 온도와 동등하다고는 할 수 없으며, 오차를 포함한 것으로 될 가능성이 있다.
또한, 특허 문헌 2에 기재된 종래 기술에서는, CCD 리니어 센서 자체의 온도를 검출하는 것은 가능하지만 렌즈의 온도를 측정할 수는 없다.
즉, CCD 리니어 센서 등의 광센서 칩에 비하여, 렌즈 등으로 이루어지는 광 학계 부품 쪽이 팽창 계수가 크기 때문에, 온도 보정을 행하기 위해 본래 알고 싶은 것은 렌즈의 온도임에도 불구하고, 특허 문헌 2의 종래 기술에서는 이것이 불가능하다. 또한, 전술한 바와 같이 광센서 칩의 주위에 열원이 있는 경우에는, 온도 센서에 의한 검출 온도가 이들의 열원의 영향을 받게 된다는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 주된 목적은 반도체 광센서 칩에 온도 센서를 내장하여 렌즈의 온도를 거의 정확하게 측정 가능하게 한 반도체 광센서 디바이스를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 온도 센서를 부착하기 위한 공간을 확보할 필요가 없는 반도체 광센서 디바이스를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 온도 센서에 의해 측정한 렌즈의 온도에 의거하여 광센서 칩상의 수광 위치나 렌즈의 기준선 길이 등을 보정하고, 피사체까지의 거리를 정확하게 측정 가능하게 한 거리 측정 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 제 1항에 기재한 반도체 광센서 디바이스는 피사체로부터의 광을 집광하는 렌즈와, 이 렌즈를 통하여 피사체가 결상되는 반도체 광센서 칩과, 상기 렌즈와 상기 광센서 칩 사이에 충전되며, 또한 열전도율이 높은 투명 충전제를 구비한 반도체 광센서 디바이스에 있어서,
상기 광센서 칩은 온도 센서를 구비하고, 이 온도 센서에 의해 상기 투명 충전제를 통하여 상기 렌즈의 온도를 측정 가능하게 한 것이다.
제 2항에 기재한 반도체 광센서 디바이스는, 제 1항에 있어서,
단일의 렌즈를 통하여 광센서 칩상에 피사체를 결상시켜 피사체를 촬상하는 것이다.
제 3항에 기재한 반도체 광센서 디바이스는, 제 1항에 있어서,
외부의 발광 수단으로부터 피사체에 조사한 광의 반사광을 단일의 렌즈에 의해 집광하고,
상기 온도 센서에 의해 측정한 온도와, 상기 발광 수단과 상기 렌즈 사이의 거리와, 상기 렌즈를 통한 상기 반사광에 의한 광센서 칩상의 수광 위치와, 상기 렌즈와 광센서 칩 사이의 거리에 의거하여 삼각측량 원리에 의해 상기 렌즈로부터 피사체까지의 거리를 측정 가능하게 한 것이다.
제 4항에 기재한 반도체 광센서 디바이스는, 제 1항에 있어서,
한 쌍의 렌즈로 이루어지는 페어 렌즈를 구비하고, 상기 온도 센서에 의해 측정한 온도와, 상기 페어 렌즈를 구성하는 각 렌즈 사이의 기준선 길이와, 각 렌즈를 통한 광센서 칩상의 수광 위치와, 각 렌즈와 광센서 칩 사이의 거리에 의거하여, 삼각측량 원리에 의해 상기 렌즈로부터 피사체까지의 거리를 측정 가능하게 한 것이다.
제 5항에 기재한 반도체 광센서 디바이스는 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 온도 센서는, 상기 광센서 칩에 형성된 반도체 소자의 PN 접합의 온도에 비례한 출력 전압을 얻는 반도체 온도 센서인 것을 특징으로 한다.
제 6항에 기재한 거리 측정 방법은, 제 3항에 기재한 반도체 광센서 디바이 스에 있어서,
상기 온도 센서에 의한 측정 온도와 기준 온도의 차를 이용하여 광센서 칩상의 수광 위치를 보정하고, 이 보정 후의 수광 위치를, 삼각측량 원리에 의한 상기 렌즈로부터 피사체까지의 거리 측정에 이용하는 것이다.
제 7항에 기재한 거리 측정 방법은, 제 3항에 기재한 반도체 광센서 디바이스에 있어서,
상기 온도 센서에 의한 측정 온도를 고려하지 않고 삼각측량 원리에 의해 측정한 상기 렌즈로부터 피사체까지의 거리를, 상기 온도 센서에 의한 측정 온도와 기준 온도의 차를 이용하여 보정하는 것이다.
제 8항에 기재한 거리 측정 방법은, 제 4항에 기재한 반도체 광센서 디바이스에 있어서,
상기 온도 센서에 의한 측정 온도와 기준 온도의 차를 이용하여 각 렌즈 사이의 기준선 길이를 보정하고, 이 보정 후의 기준선 길이를 삼각측량 원리에 의한 상기 페어 렌즈로부터 피사체까지의 거리 측정에 이용하는 것이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 도면에 따라 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
도 1은 반도체 광센서 디바이스의 제 1 실시 형태를 도시한 평면도, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도, 도 3은 외관을 도시한 사시도이다.
이 실시 형태는 청구항 1항 내지 3항, 5항에 기재한 발명의 실시 형태에 상당하고 있고, 피사체를 촬상하거나 피사체의 존재를 검출하는 기능을 갖는 일안 렌 즈식의 반도체 광센서 디바이스에 관한 것이다.
이들의 도면에 있어서, 플라스틱 케이스(1)의 저부에는, 반도체 광센서 칩(7)이 본딩 되어 있다. 이 광센서 칩(7)은 CCD 화상 센서, MOS 화상 센서, 포토 다이오드, 적외선 센서 등이고, 플라스틱 케이스(1)는 광센서 칩(7)의 본딩 부분과 이 본딩 부분을 지지하는 부분을 제외한 부분에 개방부(1a, 1b)를 갖고 있다.
또한, 반도체 광센서 칩(7)의 표면에는 반도체 제조 프로세스에 의해 반도체 온도 센서(이하, 단지 온도 센서라고도 한다)가 만들어져 있지만 그 구성, 동작에 관해서는 후술한다.
플라스틱 케이스(1)에는 배선 부재로서의 거의 L자형의 리드 프레임(5)이 내부로부터 외부로 관통하고 있고, 광센서 칩(7) 표면의 내부 단자와 리드 프레임(5)은 본딩 와이어(8)를 통하여 접속되어 있다.
플라스틱 케이스(1)의 윗면 외연부에는 렌즈부(3)가 고정되어 있고, 이 렌즈부(3)에는 렌즈(3a)가 일체 성형되어 있다.
여기서, 플라스틱 케이스(1) 및 렌즈부(3)에는, 동일한 재료나 또는 거의 동일한 열팽창률을 갖는 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 이렇게 함에 의해 주위 온도의 변화에 의해 플라스틱 케이스(1) 및 렌즈부(3)가 일체적으로 변형하고, 양자의 위치 관계를 불변으로 하여 렌즈(3a)의 초점 위치를 광센서 칩(7)상에 위치시킬 수 있다.
그러나, 후술하는 바와 같이 광센서 칩(7) 내의 온도 센서와 투명 충전제를 병용함에 의해 더욱더 안정된 광학 특성을 갖는 광센서 디바이스를 실현할 수 있 다.
플라스틱 케이스(1)와 렌즈부(3) 및 렌즈(3a)에 의해 포위되는 공간에는 투명 충전제로서의 실리콘 겔(9)이 충전되고, 이 실리콘 겔(9)은 상기 개방부(1a, 1b)에서 외부로 노출하고 있다.
상기 실리콘 겔(9)에는 예를 들면 열전도율이 0.17[W/m·K]의 것이 사용되고 있고, 공기(열전도율은 2.41×10-2[W/m·K](at 0℃) 또는 3.17×10-2[W/m·K](at 100℃))에 비하여 열전도율이 1자리 정도 높아, 렌즈(3a)의 온도가 광센서 칩(7)측으로 정확하게 전하여지도록 되어 있다.
전술한 바와 같이 광센서 칩(7) 및 본딩 와이어(8)는 실리콘 겔(9)에 의해 완전하게 밀봉되고, 보호되어 있다. 또한, 투명 실리콘 겔(9)이 개방부(1a, 1b)로부터 노출하고 있어, 온도 변화에 의해 팽창 또는 수축하는 실리콘 겔(9)의 체적 변동을 상기 개방부(1a, 1b)에 의해 흡수하는 것이 가능하다.
광센서 칩(7)에 내장되는 온도 센서로서는, 예를 들면 반도체의 PN 접합과 커런트 미러 회로를 조합시킨 반도체 온도 센서를 이용할 수 있다.
이 온도 센서와 렌즈(3a) 사이에는, 열전도율이 높은 실리콘 겔(9)이 충전되어 있기 때문에, 렌즈(3a)의 온도는 실리콘 겔(9)을 통하여 손실 없이 온도 센서에 전달되고, 이 온도 센서에 의해 렌즈(3a)의 온도를 거의 정확하게 측정하는 것이 가능하다.
또한, 이 실시 형태에 의해 검출한 렌즈(3a)의 온도는 후술하는 제 3 실시 형태와 같이 이른바 액티브 자동 초점맞춤 시스템(AF 시스템)에 있어서의 광학 특성의 보정에 이용할 수 있다.
다음에, 도 4는 반도체 광센서 디바이스의 제 2 실시 형태를 도시한 평면도, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 단면도이다. 이 실시 형태는 청구항 제 4항, 5항에 기재한 발명의 실시 형태에 상당하고, 한 쌍의 렌즈로 이루어지는 페어 렌즈와 광센서 칩을 구비하여 피사체까지의 거리를 측정한 거리 측정 장치로서의 반도체 광센서 디바이스에 관한 것이다.
이런 종류의 광센서 디바이스에 의한 거리 측정 원리를 약술하면 도 6에 도시한 바와 같다.
도 6에 있어서, 7a, 7b는 한 쌍의 렌즈(3A, 3B)를 통하여 피사체(M)가 결상되는 CCD 화상 센서, MOS 화상 센서 등의 광센서 어레이, 10a, 10b는 광센서 어레이(7a, 7b)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 양자화 회로, 11은 양자화 회로(10a, 10b)의 출력 신호에 의거하여 렌즈(3A, 3B)로부터 피사체(M)까지의 거리(L)를 연산하는 연산부이다.
여기서, 상기 거리(L)는 삼각측량의 원리에 의거하여 수식 1에 의해 주어진다.
[수식 1]
L=B·f/(xa+xb)=B·f/x
또한, B는 렌즈(3A, 3B) 사이의 기준선 길이(중심축(광축) 상호간의 거리), f는 렌즈(3A, 3B)로부터 광센서 어레이(7a, 7b)까지의 거리, xa, xb는 광센서 어레이(7a, 7b)상의 실제의 수광 위치와 피사체(M)가 무한원점에 있는 때의 수광 위치 사이의 거리, x(=xa+xb)는 광센서 어레이(7a, 7b)상의 피사체(M)의 상대적인 어긋난량(위상량)이다.
즉, 연산부(11)는 상기 수식 1의 연산에 의해 거리(L)를 산출 가능하고, 도 6의 구성에 의해 자동 초점 카메라 등에 있어서의 거리 측정 장치를 실현할 수 있다. 또한, 상기한 거리 측정 원리는 예를 들면 특개2002-202121호 공보 등에 기재되어 있다.
도 4, 도 5에 도시한 제 2 실시 형태는 상술한 바와 같은 거리 측정 장치를 구성하는 것이다.
도 4, 도 5에 있어서, 1c는 플라스틱 케이스(1)에 마련된 개방부, 3P는 렌즈(3A, 3B)로 이루어지는 페어 렌즈, 2는 조리개판, 2a, 2b는 조리개 구멍이다.
또한, 7은 상기 광센서 어레이(7a, 7b)가 형성된 반도체 광센서 칩이고, 이 광센서 칩(7)의 표면에는 제 1 실시 형태와 마찬가지로 반도체 온도 센서가 만들어져 있다.
또한, 이 실시 형태에서도 렌즈(3A, 3B), 조리개판(2) 및 플라스틱 케이스(1)에 의해 포위된 공간에 투명 충전제로서의 열전도율이 높은 실리콘 겔(9)이 충전되어 있다. 따라서, 렌즈(3A, 3B)의 온도는 실리콘 겔(9)을 통하여 손실 없이 온도 센서에 전달되게 되고, 이 온도 센서에 의해 렌즈(3A, 3B)의 온도를 거의 정확 하게 검출하는 것이 가능하다.
그리고, 검출한 온도에 의거하여 후술하는 바와 같이 렌즈(3A, 3B) 사이의 기준선 길이(B)나 렌즈(3A, 3B)와 광센서 칩(7) 사이의 거리 등을 보정하고, 정확하게 거리 측정을 행할 수 있다.
다음에, 제 1 실시 형태, 제 2 실시 형태에 있어서 광센서 칩(7)에 만들어지는 반도체 온도 센서의 회로 구성을 도 7을 참조하면서 설명한다.
도 7에 있어서, Q1, Q2는 동일 특성의 NPN 트랜지스터, Q3 내지 Q11은 동일 특성의 MOSFET, IS는 전류원, R, R1, R2는 저항, C는 콘덴서, A는 앰프이고, MOSFET(Q8, Q5, Q6, Q10)의 게이트는 전류원(IS)에 공통 접속되어 있다. 또한, MOSFET(Q3, Q4)의 게이트는 모두 MOSFET(Q4)의 드레인에 접속되고, MOSFET(Q9, Q11)의 게이트는 모두 MOSFET(Q9)의 드레인에 접속되어 있다.
또한, NPN 트랜지스터(Q2)는 1개만 도시되어 있지만, 실제로는 m개의 NPN 트랜지스터가 병렬로 접속되어 있고, 도면에서는 이들 m개의 NPN 트랜지스터를 일괄하여 부호 Q2로 나타내고 있다. 마찬가지로, MOSFET(Q11)도 1개만 도시되어 있지만, 실제로는 n개의 MOSFET가 병렬로 접속되어 있고, 도면에서는 이들 n개의 MOSFET를 일괄하여 부호 Q11로 나타내고 있다.
NPN 트랜지스터(Q1), MOSFET(Q3, Q5)의 직렬 회로와 NPN 트랜지스터(Q2), MOSFET(Q4, Q6)의 직렬 회로와는 제 1의 커런트 미러 회로를 구성하고 있고, 이들 2개의 직렬 회로에는 MOSFET(Q5)에 의해 결정되는 전류(IPTAT)가 흐른다. 또한, MOSFET(Q9, Q10)의 직렬 회로와 MOSFET(Q11) 및 저항(R2)의 직렬 회로와는 제 2의 커런트 미러 회로를 구성하고 있고, 저항(R2)에는 MOSFET(Q9, Q10)의 직렬 회로를 흐르는 전류(IPTAT)의 n배의 전류(n·IPTAT)가 흐른다.
지금, 트랜지스터(Q1)의 베이스-이미터간 전압을 VBE1, 트랜지스터(Q2)의 베이스-이미터 사이 전압을 VBE2로 하면, MOSFET(Q3, Q4)의 소스 전위는 동일하기 때문에 수식 2가 성립된다.
[수식 2]
VBE1=VBE2+IPTAT·R1
여기서, 트랜지스터의 컬렉터 전류(IC)는 수식 3에 의해 주어지는 것이 알려져 있다.
[수식 3]
IC=IS·exp(VBE/VT)
또한, IS는 포화 전류(정수)이다. 또한, VT=ｋT/ｑ(ｋ : 볼쯔만 정수, T : 절대 온도, ｑ : 전자의 전하량(절대치))이다.
트랜지스터(Q1)의 컬렉터 전류는 IPTAT에 동등하기 때문에, 수식 3에 의해 수식 4가 성립된다.
[수식 4]
IPTAT=IS·exp(VBE/VT)
이것을 변형하여 수식 5, 수식 6을 얻는다.
[수식 5]
IPTAT/IS=exp(VBE/VT)
[수식 6]
ln(IPTAT/IS)=VBE/VT
따라서, 수식 7을 얻을 수 있다.
[수식 7]
VBE=VT·ln(IPTAT/IS)
수식 7로부터, 수식 2는 수식 8로 치환할 수 있고, 이 수식 8로부터 수식 9를 얻는다.
[수식 8]
VT·ln(IPTAT/IS)=VT·ln(IPTAT/mIS)+IPTAT·R1
[수식 9]
IPTAT=VT·ln(m)/R1
전술한 바와 같이, VT는 절대 온도(T)에 비례하기 때문에, 전류(IPTAT)는 절대 온도(T)에 비례한 값이 된다. 이 전류(IPTAT)를 저항(R2) 및 앰프(A)에 의해 전압으로 변환하여 수식 10으로 나타내는 전압으로서 취출함에 의해 NPN 트랜지스터 나아가서는 이 반도체 온도 센서가 내장되어 있는 광센서 칩의 온도에 비례한 전압(Vout)을 얻을 수 있다.
[수식 10]
Vout=(2nR2/R1)·VT·ln(m)
또한, 도 8은 온도 센서의 온도 특성의 일예를 도시한 도면이다.
이상과 같이 동작하는 반도체 온도 센서를 이용하면, 제 1 실시 형태, 제 2 실시 형태에 있어서의 광센서 칩(7)의 온도를 검출 가능하고, 열전도율이 높은 실리콘 겔(9)을 통하여 광센서 칩(7)의 반대측에 배치되어 있는 렌즈(3a 또는 3A, 3B)의 온도를 거의 정확하게 검출할 수 있다.
여기서, 도 9는, 예를 들면 제 2 실시 형태의 반도체 광센서 디바이스를 이용하여 거리 측정을 행하는 경우의 거리 측정 오차의 설명도이다.
제 2 실시 형태의 광센서 디바이스를 거리 측정 장치로서 카메라에 부착하고, 초기 조정을 행하는 경우의 온도를 기준 온도(T0)(예를 들면 25℃)로 하고, 그 때의 거리 측정 오차를 0으로 한다. 광센서 칩상에 만들어진 반도체 온도 센서는 개체차에 의해 칩마다 동일 온도에 대한 출력이 다르지만, 온도 센서의 온도 계수는 일정하기 때문에, 도 9에 있어서의 특성선의 경사는 동등하게 된다.
따라서, 실제의 거리 측정시에 있어서의 측정 온도(TX)와 기준 온도(T0)의 차인 △T에 온도 센서의 온도 계수(렌즈의 온도 계수)를 곱한 값은, 모든 광센서 칩에 대해 같은 값이 된다. 이 때문에, 초기 조정시에 있어서의 기준 위치(거리 측정 오차가 0인 위치)를 공통으로 하여 두면, 모든 광센서 칩에 대해 동일한 거리 측정 오차를 검출할 수 있고, 보정하여야 할 오차를 일의적으로 구할 수 있다.
환언하면, 초기 조정시에 온도 센서의 출력 온도가 어느 범위에 수습되도록 조정할 필요가 없고, 실제의 거리 측정시에 측정 온도의 절대치를 측정할 필요도 없는 것이다.
다음에, 도 10은 본 발명의 제 3 실시 형태를 도시한 구성도이고, 도 11은 도 10에 있어서의 반도체 광센서 디바이스(20)를 확대하여 도시한 설명도이다.
이 실시 형태는, 제 1 실시 형태의 반도체 광센서 디바이스를 사용하여 액티브 자동 초점맞춤 시스템(AF 시스템)을 구성한 경우의 실시 형태이다.
도 10에 있어서, 13은 CPU이고, 이 CPU(13)에는 드라이버(15)를 통하여 적외선 LED(16)가 접속되어 있다. 17은 적외선 LED(16)로부터의 적외선을 피사체에 조사하기 위한 투광 렌즈이다.
또한, 제 1 실시 형태에 의해 설명한 반도체 광센서 디바이스(20)에는 전술한 바와 같이 렌즈(3a) 및 광센서 칩(7)이 내장되어 있다. 이 광센서 칩(7)상에는 상기 반도체 온도 센서가 형성되어 있음과 함께, 렌즈(3a)와 광센서 칩(7) 사이에는 투명 충전제로서의 실리콘 겔(9)이 충전되어 있다.
광센서 칩(7)으로부터 출력되는 전류 신호(i1, i2)는 거리 측정용 IC(18)에 입력되고, 이 IC(18)의 출력 신호(AF 신호)가 상기 CPU(13)에 입력되고 있다. 또한, 광센서 칩(7) 내의 반도체 온도 센서의 출력 신호가 A/D 컨버터(14)에 입력되고, 온도 센서에 의한 측정 온도를 디지털 신호로 변환하여 CPU(13)에 있어서의 거리 측정 연산에 이용하도록 구성되어 있다.
또한, B'는 투광 렌즈(17)의 중심선(광축)과 렌즈(3a)의 중심선(광축) 사이의 거리를 나타낸다.
광센서 디바이스(20)를 확대하여 도시한 도 11(실리콘 겔의 도시는 생략하고 있다)에 있어서, 광센서 칩(7)은 중심의 좌우 양측에 광센서 어레이(7A, 7B)를 구비하고 있고, 이들의 광센서 어레이(7A, 7B)상의 수광 위치에 따른 전류 신호(i1, i2)가 출력된다. 이 때문에, 전류 신호(i1, i2)의 크기에 의거하여 광센서 칩(7)상의 수광 위치의 중심선(렌즈(3a)의 중심선)으로부터의 거리(x1)를 산출할 수 있다. 이하에서는 이 거리(x1)를 수광 위치와 동등한 것으로 하여 설명한다.
상기한 구성에 있어서, 광센서 디바이스(20)의 렌즈(3a)의 기준 온도로부터의 온도 변화(온도차를 △T라고 한다)에 의해 렌즈(3a)와 광센서 칩(7) 사이의 거리(f1)가 상대적으로 f2로 변화하고, 이에 수반하여 광센서 칩(7)상의 거리도 x1에서 x2로 변화하였다.
렌즈(3a)로부터 피사체(도시 생략)까지의 거리(L)는 삼각측량의 원리에 의거 하여 L=(B'·f1)/x1에 의해 구해진다.
지금, 도 11에 있어서, f1 : x1 = f2 : x2의 관계가 성립되고, f1은 설계치로서 이미 알고 있고, 온도차(△T)에 대응한 변화 후의 거리(f2)는 미리 산출 가능하다. 또한, x2는 전류 신호(i1, i2)로부터 구하여지기 때문에, x1=(f1·x2)/f2를 구할 수 있다.
따라서, 상술한 L=(B'·f1)/x1의 관계식으로부터, 렌즈(3a)로부터 피사체까지의 거리(L)를 산출할 수 있다.
도 12, 도 13은, 상기 온도 보정의 처리를 도시한 순서도이다. 이 중, 도 12는 청구항 6의 실시 형태에 상당하고, 거리(x2)를 x1로 보정한 후에 피사체까지의 거리(L)를 연산한 것이다. 또한, 도 13은 청구항 7의 실시 형태에 상당하고, 거리(x2)에 의거하여 피사체까지의 거리(L')를 연산하고, 그 후, 거리(L')를 보정하여 거리(L)를 구한 것이다.
도 12에서는, 거리(x2) 및 온도 센서의 온도 데이터를 판독하고(S1, S2), 그 후 거리(x2)를 x1로 보정하고 나서(S3), 거리(L)를 계산한다(S4). 또한, 도 13에서는, 거리(x2) 및 온도 센서의 온도 데이터를 판독하고(S11, S12), 그 후, 거리(L')를 계산하고 나서(S13), 이 거리(L')를 보정하여 거리(L)를 얻는다(S14).
어느 방법을 이용하여도, 온도차(△T)에 관계없이 정확하게 피사체까지의 거 리(L)를 구하는 것이 가능하다.
이어서, 도 14는 본 발명의 제 4 실시 형태를 도시한 구성도이고, 이 실시 형태는 제 2 실시 형태의 반도체 광센서 디바이스를 사용한 거리 측정 장치에 관한 것이다.
도 14에 있어서, 21은 제 2 실시 형태로서 설명한 반도체 광센서 디바이스이고, 이 디바이스(21)로부터 출력되는 AF 신호 및 온도 센서 데이터가 A/D 컨버터(22)에 입력된다. 여기서, AF 신호란 도 5의 광센서 칩(7)(광센서 어레이(7a, 7b))으로부터 출력되는, 전술한 위상차(x)=xa+xb에 대응하는 디지털 신호이다.
A/D 컨버터(22)로부터 출력되는 디지털 신호는 거리 측정 연산을 행하는 CPU(23)에 입력되고, 이 CPU(23)로부터는 광센서 디바이스(21)에 대한 제어 신호가 출력되고 있다. 또한, 24는 여러가지의 정수(렌즈(3A, 3B)와 광센서 칩(7) 사이의 거리(f), 무한원점을 촬상한 때의 AF 값, 기준 온도(예를 들면 25℃)에 있어서의 온도 센서 출력 전압 등)가 기억된 EPROM, 25는 프로그램이 기억된 ROM(EPROM(24)에 기억하여도 좋다), 26은 AF 신호나 온도 센서 출력 전압 등을 기억하는 RAM이다.
도 15는, 도 14의 거리 측정 장치에 있어서의 초기 조정 순서를 도시한 순서도이고, 실제의 거리 측정시에 필요한 여러가지의 데이터를 상기 EPROM(24)에 기억시키는 처리를 나타내고 있다. 또한, 여기서는, 거리 측정 장치를 카메라에 부착하여 사용하는 것으로 한다.
우선, 거리 측정 장치를 카메라에 세팅하고(S21), 이어서 현재 온도가 기준 온도(25℃)인지의 여부를 판단한다(S22).
기준 온도인 것을 확인하면, 광센서 칩(7) 내의 온도 센서의 출력 전압(렌즈(3A, 3B)의 온도에 상당하는 전압)(V25)을 A/D 컨버터(22)를 통하여 CPU(23)가 판독한다(S23).
그 후, 콜리메이터 등을 사용하여 무한원점의 차트를 촬상하고(S24), 그 때에 광센서 칩(7)으로부터 출력되는 AF 신호를 CPU(23)가 판독한다(S25).
그리고 나서, 상기 스텝 S23에서 판독한 온도 센서 출력 전압(V25), 온도 센서의 온도 계수, 25℃에 있어서의 렌즈(3A, 3B) 사이의 기준선 길이, 이 기준선 길이의 온도 계수, 광센서 칩(7)의 센서 피치(P), 25℃에 있어서의 렌즈(3A, 3B)와 광센서 칩(7) 사이의 거리(f) 및 스텝 S25에서 판독한 무한원점에 대한 AF 신호(위상차)를 EPROM(24)에 기록한다(S26). 여기서, 스텝 S23에서 판독한 온도 센서 출력 전압 및 스텝 S25에서 판독한 무한원점에 대한 AF 신호(위상차) 이외의 값은 이미 알고 있다.
이상과 같이 하여, 거리 측정시에 필요한 여러가지의 데이터가 EPROM(24)에 기억되게 된다.
다음에, 도 16은, 상기 초기 조정을 행한 거리 측정 장치를 이용하여 실행되는 거리 측정 순서의 순서도이고, 청구항 8의 실시 형태에 상당한다.
우선, 광센서 칩(7) 내의 온도 센서의 출력 전압을 A/D 컨버터(22)를 통하여 CPU(23)가 판독하고, RAM(26)에 기억한다(S31).
이어서, 피사체를 촬상한 때에 광센서 칩(7)으로부터 출력된 AF 신호(위상차)를 CPU(23)가 판독하고, RAM(26)에 기억한다(S32).
다음에, CPU(23)는, 스텝 S32에서 기억한 AF 신호와 초기 조정시에 기억한 무한원점 촬상시의 AF 신호의 차를 구하고, 거리(x)로 한다(S33). 이 거리(x)는 도 6에 있어서의 xa+xb에 상당한다.
또한, 현재의 렌즈(3A, 3B)의 온도와 25℃와의 차(△T)를, 이하의 수식 11에 의해 구한다(S34).
[수식 11]
△T=(온도 센서 출력 전압-V25)/온도 센서의 온도 계수
또한, V25는 전술한 바와 같이 25℃에 있어서의 온도 센서의 출력 전압이고, 온도 센서의 온도 계수와 함께 EPROM(24)에 기억되어 있다. 즉, 이 경우에도 실제의 거리 측정시에 측정 온도의 절대치를 측정할 필요가 없다.
그 후, CPU(23)는 상기 △T를 이용하여 수식 12에 의해 렌즈(3A, 3B)간의 기준선 길이(B)를 보정한다(S35).
[수식 12]
B=25℃에 있어서의 기준선 길이(B25)+기준선 길이의 온도 계수×△T
여기서, 기준선 길이(B25)와 기준선 길이의 온도 계수는 EPROM(24)에 기억되 어 있다.
이상에 의해 렌즈(3A, 3B)간의 기준선 길이(B)는 온도차(△T)에 의한 오차를 보정한 것이 된다.
최후로, CPU(23)는 삼각측량 원리에 의거하여 렌즈(3A, 3B)로부터 피사체까지의 거리(L)를 수식 13에 의해 계산한다(S36).
[수식 13]
거리(L)=(B×f)/(x×센서 피치(P))
여기서, f는 렌즈(3A, 3B)와 광센서 칩(7) 사이의 거리이다.
이로써, 거리 측정시의 렌즈(3A, 3B)의 온도에 관계없이 피사체까지의 거리(L)를 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 거리(x, f)도 거리 측정시의 온도의 영향을 받고 있지만, 양자의 비(比)는 변하지 않기 때문에 특히 고려할 필요는 없는 것이다.
또한, 본 발명의 제 4 실시 형태(도 14)에서는, 제 2 실시 형태(도 4, 도 5)의 광센서 디바이스를 이용하여 도 6의 거리 측정 원리(거리 측정 장치)에 의해 거리 측정을 행하는 경우를 상정하고, 도 6에 있어서의 양자화 회로(10a, 10b) 등의 기능을 도 14의 광센서 디바이스(21)에 갖게 한 경우를 설명하였지만, 이들의 기능을 도 14의 CPU(23)에 갖게 하는 것도 가능하다.
본 발명에 의하면, 반도체 광센서 칩에 내장한 온도 센서에 의해 투명 충전제를 통하여 렌즈의 온도를 거의 정확하게 측정할 수 있고, 이 온도 센서에 의한 측정 온도에 의거하여 반도체 광센서 디바이스의 광학 특성을 보정함에 의해 거리 측정 정밀도를 높일 수 있다. 특히, 상기 온도 센서로서 반도체 온도 센서를 이용한 경우의 오차 요인을 저감하여 고정밀도로 온도를 측정하는 것이 가능하다.
또한, 온도 센서를 외부 부착할 필요가 없기 때문에, 부품값의 저감, 제조·조립 작업의 간략화, 작업시간의 단축도 가능해진다.
대체로, 본 발명에 의하면, 비교적 염가의 구성에 의해 렌즈의 온도 변화에 대한 안정성을 향상시킴과 함께, 온도 변화에 수반하는 광학 특성의 변동을 보정하여 거리 측정 정밀도를 높인 반도체 광센서 디바이스를 제공할 수 있다.
또한, 반도체 광센서 칩을 유연한 투명 충전재에 의해 보호하고, 종래의 수지 몰드 패키지와 비교하여 칩에 걸리는 스트레스를 대폭적으로 개선할 수 있다.

Claims (8)

  1. 피사체로부터의 광을 집광하는 집광 수단과, 이 집광 수단을 통하여 피사체가 결상되는 반도체 광센서 칩과, 상기 집광 수단과 상기 광센서 칩 사이에 충전되며, 또한 열전도율이 높은 투명 충전제를 구비한 반도체 광센서 디바이스에 있어서,
    상기 광센서 칩은 온도 센서를 구비하고, 이 온도 센서에 의해 상기 투명 충전제를 통하여 상기 집광 수단의 온도를 측정 가능하게 한 것을 특징으로 하는 반도체 광센서 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 집광 수단은 1개의 렌즈이고,
    이 렌즈를 통하여 광센서 칩상에 피사체를 결상시켜 피사체를 촬상하는 것을 특징으로 하는 반도체 광센서 디바이스.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 집광 수단은 1개의 렌즈이고, 외부의 발광 수단으로부터 피사체에 조사한 광의 반사광을 집광하는 것이며,
    상기 반도체 광센서 디바이스는, 상기 온도 센서에 의해 측정한 온도와, 상기 발광 수단과 상기 렌즈 사이의 거리와, 상기 렌즈를 통한 상기 반사광에 의한 광센서 칩상의 수광 위치와, 상기 렌즈와 광센서 칩 사이의 거리에 의거하여, 삼각측량 원리에 의해 상기 렌즈로부터 피사체까지의 거리를 연산하는 연산 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 광센서 디바이스.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 집광 수단은 1쌍의 렌즈로 이루어지는 렌즈 페어이고,
    상기 반도체 광센서 디바이스는, 상기 온도 센서에 의해 측정한 온도와, 상기 렌즈 사이의 기준선 길이와, 상기 렌즈를 통한 광센서 칩상의 수광 위치와, 상기 렌즈와 광센서 칩 사이의 거리에 의거하여, 삼각측량 원리에 의해 상기 렌즈로부터 피사체까지의 거리를 연산하는 연산 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 광센서 디바이스.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는, 상기 광센서 칩에 형성된 반도체 소자의 PN 접합의 온도에 비례한 출력 전압을 얻는 반도체 온도 센서인 것을 특징으로 하는 반도체 광센서 디바이스.
  6. 제 3항에 기재한 반도체 광센서 디바이스를 사용하는 거리 측정 방법에 있어서,
    상기 온도 센서에 의한 측정 온도와 기준 온도의 차를 이용하여 광센서 칩상 의 수광 위치를 보정하고, 이 보정 후의 수광 위치를, 삼각측량 원리에 의한 상기 렌즈로부터 피사체까지의 거리 측정에 이용하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  7. 제 3항에 기재한 반도체 광센서 디바이스를 사용하는 거리 측정 방법에 있어서,
    상기 온도 센서에 의한 측정 온도를 고려하지 않고 삼각측량 원리에 의해 측정한 상기 렌즈로부터 피사체까지의 거리를, 상기 온도 센서에 의한 측정 온도와 기준 온도의 차를 이용하여 보정하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  8. 제 4항에 기재한 반도체 광센서 디바이스를 사용하는 거리 측정 방법에 있어서,
    상기 온도 센서에 의한 측정 온도와 기준 온도의 차를 이용하여 각 렌즈 사이의 기준선 길이를 보정하고, 이 보정 후의 기준선 길이를, 삼각측량 원리에 의한 상기 페어 렌즈로부터 피사체까지의 거리 측정에 이용하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
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