KR20100059676A - 광검출 반도체 장치 및 모바일 기기 - Google Patents

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Abstract

일실시형태로서의 광검출 반도체 장치는 센서 칩, 센서 칩을 투명 수지로 수지 밀봉한 수지 밀봉 패키지, 센서 칩의 표면에 배치된 컬러 필터를 구비하고, 센서 칩에는 센서 회로부, 수광 소자군이 형성되어 있다. 수광 소자군은 컬러에 감도 피크를 갖는 컬러용 수광 소자와 적외광에 감도 피크를 갖는 적외용 수광 소자로 구성되어 있다. 컬러용 수광 소자는 적색에 감도 피크를 갖는 적색용 수광 소자, 녹색에 감도 피크를 갖는 녹색용 수광 소자, 청색에 감도 피크를 갖는 청색용 수광 소자를 포함하는 구성으로 되어 있다.
광검출 반도체 장치, 전압 변환부, 셔터부, 증폭부, 아날로그/디지털 변환부, 연산부, 모바일 기기

Description

광검출 반도체 장치 및 모바일 기기{PHOTODETECTING SEMICONDUCTOR APPARATUS AND MOBILE DEVICE}
이 출원은 2008년 11월 25일자로 일본에서 출원된 일본 특허 출원 2008-299498에 의거하는 우선권을 청구한다. 이것에 언급함으로써 그 모든 내용은 본 출원에 포함되어 있는 것이다.
본 발명은 수광 소자로서 컬러용 수광 소자 및 적외용 수광 소자를 구비하는 광검출 반도체 장치, 및 광검출 반도체 장치를 탑재한 모바일 기기에 관한 것이다.
최근, 휴대 전화 등에 대표되는 화면 부착 모바일 기기가 널리 이용되고 있다. 휴대성을 향상시킬 필요가 있기 때문에 모바일 기기의 화면에는 얇고 가벼운 특징을 갖는 액정 패널이 표준적으로 사용되고 있다. 또한, 모바일 기기에서는 전지 수명을 연장해서 편리성을 높이는 것이 요구되고 있다. 예컨대, 조도가 낮은 밤 등에서는 액정 백라이트의 밝기를 억제하고, 액정 패널의 소비 전력을 감소시킴으로써 배터리를 장시간 갖게 하는 것이 가능해진다.
이러한 배경으로부터, 예컨대 일본 특허 공개평 9-146073호 공보에서는 화면의 휘도를 자동 조정하기 위한 조도 센서를 탑재하는 것이 제안되어 있다.
이 경우, 주위 조도에 따른 휘도로 표시하기 위해 모바일 기기에 탑재하는 것이 가능한 소형이고 저렴한 조도 센서가 요구되고 있다. 또한, 주위 조도의 범위(다이내믹 레인지)가 넓기 때문에 조도 검출 범위가 넓고, 넓은 다이내믹 레인지에서 고분해능을 갖는 고정밀도의 조도 센서가 요구되고 있다.
또한, 예컨대 휴대 전화에서는 터치 패널 기능 부착 화면이 채용되어 입력 휴먼 인터페이스가 향상되어 있다. 그러나, 터치 패널 기능 부착의 휴대 전화에서는 통화중에 터치 패널 기능이 사람의 피부를 검출할 것이 있어 터치 패널 기능이 오작동하는 문제가 생길 우려가 있다. 따라서, 피검출물로서의 사람의 피부( 주로 볼)를 검출하는 검출 센서가 요구되고 있다. 피검출물을 검출하는 기능에 대하여는 광학식 센서를 적용하는 것이 가능하고, 예컨대 일본 특허 공개평 3-39640호 공보에서는 광학식의 물체 검출 센서가 제안되어 있다.
종래의 광검출 반도체 장치(조도 센서)를 도 8(A)~도 8(C)에 의거해서 설명한다.
도 8(A)~도 8(C)는 종래 예에 의한 광검출 반도체 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이며, 도 8(A)는 단면도, 도 8(B)는 평면도, 도 8(C)는 센서 칩의 평면도이다.
종래의 광검출 반도체 장치는 실장 기판(110), 실장 기판(110)에 실장된 센서 칩(111), 센서 칩(111)을 피복해서 보호하는 글래스 커버(119), 발광 소자(116), 발광 소자(116)에 대응해서 배치된 렌즈(118)를 구비하고, 또한 글래스 커버(119) 및 렌즈(118)를 유지하고, 외광을 차단하는 차광 벽(115)을 구비한다.
센서 칩(111)의 표면에는 컬러 필터(111f)가 배치되어 있다. 또한, 글래스 커버(119)에는 적외광을 커팅하는 글래스 필터(119f)가 첩부되어 있다. 글래스 커버(119), 글래스 필터(119f)를 이용하기 때문에 소형화가 곤란하고, 또한 소형화했을 경우에는 강도가 저하하는 등의 문제가 있었다.
센서 칩(111)의 표면에는 도시되지 않은 수광 소자에 대응시켜서 컬러 필터(111f)가 배치되어 있다. 컬러 필터(111f)는 적색에 대응하는 영역(R), 녹색에 대응하는 영역(G), 청색(B)에 대응하는 영역(B)으로 구분되어 있다. 또한, 센서 칩(111)에는 센서 회로부(111c)가 형성되어 있다.
수광 소자가 검출한 수광 전류를 센서 회로부(111c)에서 연산 처리함으로써 광검출 반도체 장치로서의 기능(조도 검출)을 실현하고 있다. 종래의 센서 회로부(111c)에서는 조도 측정 시의 다이내믹 레인지는 일정하고, 센서 회로부(111c)가 내장하는 증폭기의 증폭율을 변화시킬 일은 없다.
따라서, 조도의 측정 분해능을 올릴 경우 센서 회로부(111c)가 내장하는 아날로그/디지털 변환부의 분해능을 올리는 다른 방법은 없었다. 그러나, 아날로그/디지털 변환부의 분해능을 올리면 회로 규모가 커지고, 센서 회로부(111c)가 대형화되기 때문에 패키지 사이즈의 대형화와 가격 증대를 초대한다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 수광 소자로서 컬러에 감도 피크를 갖는 컬러용 수광 소자와, 적외광에 감도 피크를 갖는 적외용 수광 소자를 구비하고, 수광 소자의 수광 신호 출력을 연산 처리하는 연산부를 구비함으로써 넓은 조도 범위(다이내믹 레인지)에 적용하는 것이 가능한 조도 검출 기능과, 가까운 피검출물을 검출할 수 있는 근접 검출 기능을 겸비하고, 소형이고 모바일 기기로의 적용이 가능한 소형의 광검출 반도체 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 의한 광검출 반도체 장치를 탑재함으로써 조도 검출 기능 및 근접 검출 기능을 구비한 편리성이 높은 모바일 기기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명에 의한 광검출 반도체 장치는 광을 전류로 변환하는 복수 종류의 수광 소자로 구성되는 수광 소자군과, 적외광을 발광하는 발광 소자를 구비하고, 피검출물의 검출 및 주위 조도의 검출을 실행하는 구성으로 된 광검출 반도체 장치로서, 상기 수광 소자가 검출한 수광 전류를 전하 축적해서 수광 전압으로 변환하는 전압 변환부와, 상기 수광 소자와 상기 전압 변환부 사이에 접속되어 상기 수광 소자가 검출한 수광 전류를 전하 축적하는 지의 여부를 선정하는 셔터부와, 상기 전압 변환부에 접속되어 상기 전압 변환부가 변환한 수광 전압을 증폭해서 수광 증폭 전압을 출력하는 증폭부와, 상기 증폭부가 출력한 수광 증폭 전압을 디지털 값으로 변환하는 아날로그/디지털 변환부와, 상기 아날로그/디지털 변환부에서 변환된 디 지털 값을 상기 수광 소자에 의한 수광 신호 출력으로 해서 연산 처리하는 연산부를 구비하고, 상기 수광 소자군은 상기 수광 소자로서 컬러에 감도 피크를 갖는 컬러용 수광 소자와, 적외광에 감도 피크를 갖는 적외용 수광 소자를 포함하고, 상기 컬러용 수광 소자 및 상기 적외용 수광 소자가 검출한 수광 전류에 의거한 수광 신호 출력을 연산해서 주위 조도를 검출하고, 상기 발광 소자를 발광시켰을 때 피검출물로 반사된 적외광에 의한 상기 적외용 수광 소자에서의 수광 전류와 주위 조도에 의한 상기 적외용 수광 소자에서의 수광 전류와의 수광 전류 차이에 의거해서 피검출물을 검출하는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해 소형화를 도모하는 것이 가능해지고, 고정밀도의 조도 검출에 필요한 다이내믹 레인지를 확보하는 것이 가능해지므로 조도 검출 정밀도 및 분해능을 떨어뜨리지 않고 주위 조도의 검출 및 피검출물의 검출이 가능해서 소형의 광검출 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 광검출 반도체 장치에서는 상기 컬러용 수광 소자는 적색에 감도 피크를 갖는 적색용 수광 소자와, 녹색에 감도 피크를 갖는 녹색용 수광 소자와, 청색에 감도 피크를 갖는 청색용 수광 소자를 포함하고, 상기 연산부는 주위 조도(Y)를 Y=αR+βG+γB+εIr(단, R, G, B, Ir은 각각 적색용 수광 소자, 녹색용 수광 소자, 청색용 수광 소자, 적외용 수광 소자에 대응하는 수광 신호 출력. 또한, α, β, γ, ε은 각각 R, G, B, Ir에 대한 보정 계수.)로 해서 산출하는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해 시감도에 적합시킨 분광 감도에 대응시켜서 주위 조도를 산 출하기 때문에 고정밀도로 주위 조도를 검출하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 의한 광검출 반도체 장치에서는 상기 컬러용 수광 소자는 녹색에 감도 피크를 갖는 녹색용 수광 소자를 포함하고, 상기 연산부는 주위 조도(Y)를 Y=βG+εIr(단, G, Ir은 각각 녹색용 수광 소자, 적외용 수광 소자에 대응하는 수광 신호 출력. 또한, β, ε은 각각 G, Ir에 대한 보정 계수. )로 해서 산출하는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해 수광 소자군을 간략화하기 때문에 수광 소자군 및 센서 회로부의 면적을 축소해서 소형화하는 것이 가능해지고, 소형이고 저렴한 광검출 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 광검출 반도체 장치에서는 상기 셔터부의 개방 시간은 검출된 주위 조도에 따라 변경되는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해 전하 축적 시간을 제어해서 조도 검출 정밀도 및 분해능을 유지한 상태로 조도 검출의 다이내믹 레인지를 확보하는 것이 가능해지고, 주위 조도의 상태에 의하지 않고 주위 조도를 고정밀도로 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 광검출 반도체 장치에서는 상기 셔터부는 MOS 소자로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해 용이 또한 고정밀도로 셔터부의 개방 시간을 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 의한 광검출 반도체 장치에서는 상기 수광 소자군은 수지 밀봉 패키지에 수지 밀봉되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해 글래스 필터를 제거해서 수지 밀봉 패키지로 하는 것이 가능해지기 때문에 소형화가 가능한 광검출 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 광검출 반도체 장치에서는 피검출물의 검출은 상기 발광 소자를 발광시켰을 때 피검출물로부터 반사된 적외광에 의한 상기 적외용 수광 소자에서의 수광 전류와 주위 조도에 의한 상기 적외용 수광 소자에서의 수광 전류의 수광 전류 차이를 상기 전압 변환부에서 수광 전압으로 변환해서 미리 설정된 근접 역치 전압과 비교함으로써 실행되는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해 주위 조도의 영향을 배제하고, 피검출물로부터의 반사광에 의한 수광 신호에만 의거해서 피검출물을 검출하는 것이 가능해지기 때문에 피검출물까지의 거리를 용이 또한 고정밀도로 검지하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 의한 모바일 기기는 표시 화면 및 광검출 반도체 장치를 구비하는 모바일 기기로서, 상기 광검출 반도체 장치는 본 발명에 의한 광검출 반도체 장치인 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 주위 조도에 따라 표시 화면의 휘도를 조정하는 것이 가능해지고, 표시 화면의 표시에 요하는 전력을 억제해서 전지 수명을 연장할 수 있는 편리성이 높은 모바일 기기로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 모바일 기기에 의하면, 표시 화면 및 광검출 반도체 장치를 구비하는 모바일 기기로서, 상기 광검출 반도체 장치는 본 발명에 의한 광검출 반도체 장치이기 때문에 주위 조도에 따라 표시 화면의 휘도를 조정하는 것이 가능해지고, 표시 화면의 표시에 요하는 전력을 억제해서 전지 수명을 연장할 수 있는 편리성이 높은 모바일 기기로 할 수 있다고 하는 효과를 거둔다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거해서 설명한다.
<실시형태1>
실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1(A)~도 1(C)는 본 발명의 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치의 개략 구조를 나타내는 모식도이며, 도 1(A)는 단면도, 도 1(B)는 평면도, 도 1(C)는 센서 칩의 평면도이다.
본 실시형태에 의한 광검출 반도체 장치(1)는 세라믹 등의 실장 기판(10), 실장 기판(10)에 실장된 센서 칩(11), 센서 칩(11)을 투명 수지로 수지 밀봉한 수지 밀봉 패키지(14), 수지 밀봉 패키지(14)의 주위를 피복해서 불필요한 외래 광의 입사를 방지하는 차광 수지부(15), 센서 칩(11)의 표면에 배치된 컬러 필터(11f)를 구비한다.
센서 칩(11)은 소위 CMOS 이미지 센서(Complementary MOS 이미지 센서)로 구성되어 있기 때문에 수광 소자(12)[수광 소자군(12m)] 및 센서 회로부(11c)를 구비하고 있다.
또한, 광검출 반도체 장치(1)는 실장 기판(10)에 실장되어 적외광을 발광하는 발광 소자(16), 발광 소자(16)를 피복하는 발광용 수지 밀봉부(17)를 구비한다. 발광 소자(16)는 소위 LED(Light Emitting Diode)로 구성되어 있다.
센서 칩(11)에는 센서 회로부(11c), 수광 소자군(12m)이 형성되어 있다. 수광 소자군(12m)은 컬러에 감도 피크를 갖는 컬러용 수광 소자(12c)와 적외광에 감도 피크를 갖는 적외용 수광 소자(12ir)로 구성되어 있다.
적외광을 발광하는 발광 소자(16)와 적외용 수광 소자(12ir)를 구비하기 때문에 적외광을 발광해서 피검출물로 조사하고, 피검출물로부터의 반사광을 검출하는 것이 가능해진다. 즉, 피검출물의 존부(피검출물까지의 거리)를 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 컬러용 수광 소자(12c)에 의해 주위 조도를 검출하는 것이 가능해진다.
또한, 컬러용 수광 소자(12c)는 적색에 감도 피크를 갖는 적색용 수광 소자(12r), 녹색에 감도 피크를 갖는 녹색용 수광 소자(12g), 청색에 감도 피크를 갖는 청색용 수광 소자(12b)를 포함하는 구성으로 되어 있다.
컬러용 수광 소자(12c)[적색용 수광 소자(12r), 녹색용 수광 소자(12g), 청색용 수광 소자(12b)]에 대하여 컬러 필터(11f)가 배치되어 있다. 컬러 필터(11f)는 적색에 대응하는 영역(R), 녹색에 대응하는 영역(G), 청색(B)에 대응하는 영역(B), 더욱이 적외광에 대응하는 영역(Ir)으로 구분되어 있다.
컬러용 수광 소자(12c), 적외용 수광 소자(12ir)는 컬러 필터(11f)를 통해서 광을 수광하기 때문에 각각의 감도 피크를 갖는 것이 가능해진다.
또한, 컬러용 수광 소자(12c)[적색용 수광 소자(12r), 녹색용 수광 소자(12g), 청색용 수광 소자(12b)], 적외용 수광 소자(12ir)를 특별히 구별해서 기재할 필요가 없을 경우는 단지 수광 소자(12)로서 설명할 것이 있다.
상술한 바와 같이, 수광 소자군(12m)은 수지 밀봉 패키지(14)에 수지 밀봉되어 있다. 따라서, 글래스 필터를 제거한 소형화가 가능한 광검출 반도체 장치(1)로 할 수 있다.
도 2(A) 및 도 2(B)는 본 발명의 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치의 센서 칩이 내장되는 센서 회로부의 등가 회로의 개요를 나타내는 블록도이며, 도 2(A)는 발광 소자 및 수광 소자로부터 출력까지의 회로 전체의 구성을 나타내고, 도 2(B)는 수광 소자의 수광 전류를 꺼내는 인접 회로의 구성을 나타낸다. 또한, 상세한 동작 상태는 도 3의 타이밍 차트로 설명한다.
본 실시형태에 의한 센서 회로부(11c)(광검출 반도체 장치(1))는 수광 소자(12)가 검출한 수광 전류를 전하 축적해서 수광 전압으로 변환하는 전압 변환부(21v)와, 수광 소자(12)와 전압 변환부(21v) 사이에 접속되어 수광 소자(12)가 검출한 수광 전류를 전하 축적하는 지의 여부를 선정하는 셔터부(21s)와, 전압 변환부(21v)에 접속되어 전압 변환부(21v)가 변환한 수광 전압을 증폭해서 수광 증폭 전압을 출력하는 증폭부(21a)와, 증폭부(21a)가 출력한 수광 증폭 전압을 디지털 값으로 변환하는 아날로그/디지털 변환부(22)(A/D 변환부)와, 아날로그/디지털 변환부(22)에서 변환된 디지털 값을 수광 소자(12)에 의한 수광 신호 출력으로서 연산 처리하는 연산부를 구비한다.
셔터부(21s)가 개방 상태(온 상태)로 되어 있는 기간, 수광 소자(12)로부터의 전하는 전압 변환부(21v)에 축적된다.
또한, 연산부는 구체적으로는 DSP(Digital Signal Processor)(26)로 구성되 어 있다. 따라서, 미리 갖추어진 프로그램에 따라 수광 소자(12)에서 검출된 수광 전류에 의거하는 수광 신호에 대한 연산 처리를 실시하는 것이 가능해진다. 또한, 센서 회로부(11c)는 DSP(26)와 연계해서 동작하는 레지스터(23), I2C 인터페이스부(27)를 구비하고 있다. DSP(26), 레지스터(23), I2C 인터페이스부(27) 자체의 동작은 일반적으로 알려진 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
레지스터(23)로부터의 출력은 출력 단자(Pout)로부터 「H」신호, 「L」신호로서 출력되어 피검출물의 존부 정보를 출력할 수 있다. 또한, I2C 인터페이스부(27)는 시리얼 클록 단자(27c), 시리얼 데이터 단자(27d)를 구비해서 외부와의 연계를 원활하게 처리하는 구성으로 되어 있다. 검출한 주위 조도를 시리얼 데이터 단자(27d)로 출력할 수 있다.
또한, 디지털 신호 처리에 필요한 클록 펄스를 형성하는 발진기(25), 발진기(25)로 형성된 클록 펄스에 의거해서 타이밍 신호를 발생하는 타이밍 발생기(24), 타이밍 발생기(24)로부터의 펄스에 의거해서 발광 소자(16)의 발광을 제어하는 LED 드라이버(28)를 구비한다.
또한, 센서 회로부(11c)는 더욱이 증폭부(21a)를 스위칭해서 증폭부(21a)의 출력(수광 증폭 전압)을 아날로그/디지털 변환부(22)에서 판독 가능하게 하는 출력 선택부(21c), 전압 변환부(21v)에 축적된 전하를 리셋하는 전하 리셋부(21r)를 구비한다. 전하 리셋부(21r)를 온 상태로 함으로써 전압 변환부(21v)의 초기화가 실행된다. 전압 변환부(21v)는 커패시터로 구성되어 있고, 축적되는 전하량을 정밀하게 수광 전압으로 변환하는 것이 가능하다.
또한, 센서 칩(11)은 CMOS 이미지 센서로 구성되어 있기 때문에 셔터부(21s), 전압 변환부(21v), 증폭부(21a), 출력 선택부(21c), 전하 리셋부(21r)는 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 소자로 구성되어 있다. M0S 소자로 구성되기 때문에 용이 또한 고정밀도로 셔터부(21s)의 개방 시간(Tson)(도 3 참조)을 제어하는 것이 가능해진다.
셔터부(21s), 전하 리셋부(21r), 출력 선택부(21c)의 제어는 DSP(26)에 갖추어진 프로그램에 대응시켜서 적당한 제어 펄스를 인가함으로써 실행하는 것이 가능하다.
도 3은 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치의 등가 회로의 동작 상태를 설명하는 타이밍 차트이다.
광검출 반도체 장치(1)는 검출 모드(센싱 기능)로서 피검출물을 검출하는 근접 검출 모드(근접 검출 기능), 주위 조도를 검출하는 조도 검출 모드(조도 검출 기능)를 구비한다. 근접 검출 모드와 조도 검출 모드의 스위칭은 미리 설정된 주기에서 서로 스위칭되는 시분할 구성으로 되어 있다.
근접 검출 모드에서는 발광 소자(16)를 발광시켜 피검출물로부터의 반사광을 수광 소자(12)[적외용 수광 소자(12ir)]로 검출하고, 미리 설정한 근접 역치(Vthn)를 초과하는 지의 여부로 피검출물의 유무를 검출할 수 있는 구성으로 되어 있다.
또한, 조도 검출 모드에서는 주위광에 의한 수광 전류를 수광 전압으로 변환하는 전압 변환부(21v)(커패시터)에 전하를 축적하고, 축적된 전하량(수광 전압)을 검출함으로써 주위 조도를 검출할 수 있는 구성으로 되어 있다.
도 3에서는 (A) 검출물 상태, (B) 타이밍 발생기, (C) LED 드라이버, (D) 수광 신호(수광 전류), (E) 셔터부, (F) 전하 축적량(수광 전압), (G) A/D 변환부, (H) 전하 리셋부, (J) 검출 모드로 구분하고, 각각의 상태를 파형으로 나타내고 있다. 이하, 동작 상태를 설명한다.
(B) 타이밍 발생기에서는 타이밍 차트를 진행시키는 기본 클록 펄스가 적당한 주기로 발생되고, 각 부의 동작은 기본 클록 펄스의 주기에 의해 제어되고, 기본 클록 펄스의 주기에 동기되는 것이 된다.
(J) 검출 모드에서는 「근접 검출 모드」와 「조도 검출 모드」가 미리 설정된 적당한 주기로 스위칭된다. 근접 대응 주기(Tn1)는 근접 검출 모드에 대응하고, 조도 대응 주기(Tb1)는 조도 검출 모드에 대응하고, 근접 대응 주기(Tn2)는 근접 검출 모드에 대응하고, 조도 대응 주기(Tb2)는 조도 검출 모드에 대응하고 있다. 또한, 타이밍 발생기(24)의 클록 펄스의 영향으로 1펄스 분의 경계 영역을 생기게 하고, 근접 검출 모드와 조도 검출 모드의 스위칭을 안정화시키고 있다.
(A) 검출물 상태에서는 피검출물의 「있음」, 「없음」의 상태를 나타내고 있다. 근접 대응 주기(Tn1), 조도 대응 주기(Tb1)에서는 피검출물은 존재하지 않는 상태를 나타내고 있다. 또한, 근접 대응 주기(Tn2), 조도 대응 주기(Tb2)에서는 피검출물이 존재하는 상태를 나타내고 있다.
근접 검출 모드로 피검출물을 검출할 경우, (C) LED 드라이버에서 나타낸 바와 같이, LED 드라이버(28)로부터 발광 소자(16)로 구동 펄스가 인가되어 발광 소자(16)로부터는 적외광이 발광된다. 또한, 근접 검출 모드에서는 (E) 셔터부에서 나타낸 바와 같이, 발광 소자(16)의 구동과 동기시켜서 셔터부(21s)가 개폐된다. 즉, 발광 소자(16)가 발광하는 기간만으로 셔터부(21s)를 개방 상태로 하고, 전압 변환부(21v)에서의 전하의 축적을 행하고, 불필요한 외란광이 입사하는 것을 억제하고 있다.
근접 대응 주기(Tn1)에서는 피검출물은 존재하지 않기 때문에 (D) 수광 신호(수광 전류)에서 나타낸 바와 같이, 수광 소자(12)에 의한 수광 전류는 발생하지 않으므로 검출 정보는 생성되지 않는다. 그러나, 근접 대응 주기(Tn2)에서는 피검출물이 존재하기 때문에 (D) 수광 신호(수광 전류)에서 나타낸 바와 같이, 수광 신호(수광 전류)가 발생한다.
근접 검출 모드에서의 피검출물의 검출은 (D) 수광 신호(수광 전류)에서 나타낸 수광 신호(수광 전류)에 의해 검출하는 것이 가능하다. 예컨대, 근접 대응 주기(Tn2)에서, 적외용 수광 소자(12ir)는 피검출물로부터의 반사광(적외광)을 수광 신호(SGr)로서 검출할 수 있다. 한편, 적외용 수광 소자(12ir)는 반사광과 함께 주위 조도(주위의 밝기)에 의한 입사 광도 검출하고 있다.
따라서, 수광 신호의 기준 위치는 주위 조도 신호(SGc)로 되어 있다. 수광 신호(SGr)와 주위 조도 신호(SGc)의 차이(즉, 수광 전류 차이)를 검출 대상[근접 수광 신호(SGn)]으로 함으로써 주위 조도에 의한 영향을 배제하고, 피검출물로부터의 반사광에 의한 수광 신호에만 의거해서 피검출물을 검출하는 것이 가능해지기 때문에 피검출물까지의 거리를 용이 또한 고정밀도로 검지하는 것이 가능해진다.
상술한 바와 같이, 근접 수광 신호(SGn)(수광 전류: 근접 수광 전류)에 대응 해서 전압 변환부(21v)에는 전하가 축적되어 (F) 전하 축적량(수광 전압)으로서 검출할 수 있다. 또한, (F) 전하 축적량(수광 전압)으로 나타낸 바와 같이, 근접 수광 신호(SGn)에 의한 전하의 축적은 복수회의 펄스를 적분한 형태로 하게 되고, 미리 설정한 근접 역치 전압(Vthn)에 대하여 비교해서 판별함으로써 피검출물의 유무를 검출할 수 있다.
즉, 본 실시형태에서는 발광 소자(16)를 발광시켰을 때 피검출물로부터 반사된 적외광에 의한 적외용 수광 소자(12ir)에서의 수광 전류와 주위 조도에 의한 적외용 수광 소자(12ir)에서의 수광 전류의 수광 전류 차이에 의거해서 피검출물을 검출하는 구성으로 되어 있다.
더 언급하면, 피검출물의 검출은 발광 소자(16)를 발광시켰을 때 피검출물로부터 반사된 적외광에 의한 적외용 수광 소자(12ir)에서의 수광 전류와 주위 조도에 의한 적외용 수광 소자(12ir)에서의 수광 전류의 수광 전류 차이를 전압 변환부(21v)에서 수광 전압으로 변환해서 미리 설정된 근접 역치 전압(Vthn)과 비교함으로써 실행된다.
따라서, 주위 조도의 영향을 배제해서 피검출물로부터의 반사광에 의한 수광 신호에만 의거해서 피검출물을 검출하는 것이 가능해지기 때문에 피검출물까지의 거리를 용이 또한 고정밀도로 검지하는 것이 가능해진다.
(G) A/D 변환부에서 나타낸 바와 같이, 근접 검출 모드의 종료에 동기시킨 신호(Sad)에 의해 출력 선택부(21c)를 온 상태로 하므로 (F) 전하 축적량(수광 전압)으로 나타낸 전하 축적량[전압 변환부(21v)의 충전 전압]은 증폭부(21a)를 통해 서 아날로그/디지털 변환부(22)로 입력되어 AD 변환된다.
신호(Sad)에 의한 처리가 종료된 직후에, 신호(Srt)에 의해 전하 리셋부(21r)를 온 상태로 하므로 전압 변환부(21v)는 초기화된다. 본 실시형태에서는, 예컨대 (F) 전하 축적량(수광 전압)을 전원 전압(Vcc)으로 설정해서 초기화하고 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 증폭부(21a)는 전압 변환부(21v)가 변환된 수광 전압을 증폭해서 수광 증폭 전압으로 하고 있다. 즉, 아날로그/디지털 변환부(22)로는 전하 축적량(수광 전류)에 대응하는 수광 증폭 전압이 입력된다.
또한, 설명의 형편상 근접 역치 전압(Vthn)을 (F) 전하 축적량(수광 전압)의 파형에 맞춰서 기재했지만, 근접 역치 전압(Vthn)은 미리 디지털 값으로 변환되어 레지스터(23)에 격납되어 있다.
아날로그/디지털 변환부(22)에서 AD 변환된 디지털 값은 레지스터(23)에 격납되어 있기 때문에 레지스터(23)에서 수광 전압(디지털 값)과 근접 역치 전압(Vthn)(디지털 값)을 비교하고, 비교 결과를 출력 단자(Pout)로부터 「H」신호, 「L」신호로서 출력하고, 피검출물의 존부 정보를 출력할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 수광 소자(12)로부터 GND(접지 전위)로 수광 전류가 흐르는 구성으로 되어 있기 때문에 (F) 전하 축적량(수광 전압)으로 나타낸 파형은 전위가 떨어지는 방향으로 전하가 축적되는 형태로 되어 있다. 그러나, 회로 구성을 변경함으로써 전위가 오르는 방향으로 전하가 축적되는 구성으로 하는 것도 가능하다.
조도 검출 모드에서 주위 조도를 검출할 경우, 발광 소자(16)는 비발광 상태로 된다[(C) LED 드라이버]. 한편, 셔터부(21s)는 개방 상태(온 상태)로 되어 개방 시간(Tson)의 사이, 수광 소자(12)[컬러용 수광 소자(12c), 적외용 수광 소자(12ir)]가 검출한 수광 전류가 (F) 전하 축적량(수광 전압)으로 나타낸 바와 같이, 전하로서 축적된다. 또한, 상술한 바와 같이, 회로 구성의 관계로부터 전하 축적량은 전위가 떨어지는 방향으로 축적되어 있다.
셔터부(21s)의 개방 시간(Tson)(전하 축적 시간)은 주위 조도에 따라 적당히 조정되는 것이 가능하다(도 5로 더 설명함.).
조도 검출 모드를 종료할 때 조도 검출 모드의 종료에 동기시킨 신호(Sad)에 의해 출력 선택부(21c)를 온 상태로 한다. 따라서, (F) 전하 축적량(수광 전압)으로 나타낸 전하 축적량[전압 변환부(21v)의 충전 전압:수광 전압]은 증폭부(21a)를 통해서 아날로그/디지털 변환부(22)에 입력되어 AD 변환된다.
근접 검출 모드의 경우와 같이, 조도 검출 모드의 경우도 신호(Sad)에 의한 처리가 종료된 직후에, 신호(Srt)에 의해 전하 리셋부(21r)를 온 상태로 하므로 전압 변환부(21v)를 초기화하는 것이 가능해진다. 본 실시형태에서는 상술한 바와 같이, (F) 전하 축적량(수광 전압)을 전원 전압(Vcc)으로 설정해서 초기화하고 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 증폭부(21a)는 전압 변환부(21v)가 변환한 수광 전압을 증폭해서 수광 증폭 전압으로 하고 있다. 즉, 아날로그/디지털 변환부(22)로는 전하 축적량(수광 전류)에 대응하는 수광 증폭 전압이 입력된다. 이 때의 전하 축적량(즉, 수광 증폭 전압)은 주위 조도에 대응한 값으로 되어 있다. 아날로그/디 지털 변환부(22)은 증폭부(21a)가 출력한 수광 증폭 전압을 디지털 값으로 변환하고, 수광 소자(12)에 의한 수광 신호 출력(디지털 값)으로서 레지스터(23)에 격납된다.
아날로그/디지털 변환부(22)에서 디지털 값으로 변환되어 레지스터(23)에 격납된 수광 신호 출력은 연산부로서의 DSP(26)에 공급되어 미리 갖추어져 있는 프로그램에 따라 적당한 연산 처리를 실시한다. 즉, DSP(26)는 수광 소자(12)[컬러용 수광 소자(12c), 적외용 수광 소자(12ir)]가 검출한 수광 전류에 의거하는 수광 신호 출력을 연산해서 주위 조도를 검출하는 구성으로 되어 있다. DSP(26)에 의한 연산에 대해서는 도 4로 더 설명한다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 의한 광검출 반도체 장치(1)는 광을 전류로 변환하는 복수 종류의 수광 소자(12)로 구성되는 수광 소자군(12m)과, 적외광을 발광하는 발광 소자(16)를 구비하고, 피검출물의 검출 및 주위 조도의 검출을 실행하는 구성으로 되고, 수광 소자(12)가 검출한 수광 전류를 전하 축적해서 수광 전압으로 변환하는 전압 변환부(21v)와, 수광 소자(12)와 전압 변환부(21v) 사이에 접속되어 수광 소자(12)가 검출한 수광 전류를 전하 축적하는 지의 여부를 선정하는 셔터부(21s)와, 전압 변환부(21v)에 접속되어 전압 변환부(21v)가 변환한 수광 전압을 증폭해서 수광 증폭 전압을 출력하는 증폭부(21a)와, 증폭부(21a)가 출력한 수광 증폭 전압을 디지털 값으로 변환하는 아날로그/디지털 변환부(22)와, 아날로그/디지털 변환부(22)에서 변환된 디지털 값을 수광 소자(12)에 의한 수광 신호 출력으로 해서 연산 처리하는 연산부(DSP(26))를 구비하고, 수광 소자군(12m)은 수광 소자(12)로서 컬러에 감도 피크를 갖는 컬러용 수광 소자(12c)와, 적외광에 감도 피크를 갖는 적외용 수광 소자(12ir)를 포함하고, 컬러용 수광 소자(12c) 및 적외용 수광 소자(12ir)가 검출한 수광 전류에 의거하는 수광 신호 출력을 연산해서 주위 조도를 검출하고, 발광 소자(16)를 발광시켰을 때 피검출물로부터 반사된 적외광에 의한 적외용 수광 소자(12ir)에서의 수광 전류와 주위 조도에 의한 적외용 수광 소자(12ir)에서의 수광 전류의 수광 전류 차이에 의거해서 피검출물을 검출하는 구성으로 되어 있다.
따라서, 적외선 커트의 글래스 필터가 불필요해서 수지 밀봉 패키지[수지 밀봉 패키지(14)]로 하는 것이 가능해지므로 소형화를 도모할 수 있고, 또한 셔터부(21s)에 의해 전하 축적 시간을 제어하는 것이 가능해지므로 조도 검출에서의 다이내믹 레인지를 확보할 수 있고, 조도 검출 정밀도 및 분해능을 떨어뜨리지 않고 주위 조도의 검출 및 피검출물의 검출이 가능한 광검출 반도체 장치(1)로 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치의 각 수광 소자의 분광 감도, 시감도 곡선, 및 연산 분광 곡선을 나타내는 분광 감도 그래프이다.
횡축에 파장(㎚), 종축에 감도(상대 감도)를 나타내고 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 각 수광 소자(12)의 분광 감도(파장에 대한 수광 신호 출력의 상대값)는 각각 다르게 되어 있다. 즉, 적색에 감도 피크를 갖는 적색용 수광 소자(12r)의 분광 감도는 적색 소자 분광 곡선SC-R로 나타내고, 녹색에 감도 피크를 갖는 녹색용 수광 소자(12g)의 분광 감도는 녹색 소자 분광 곡선SC-G로 나타내고, 청색에 감도 피크를 갖는 청색용 수광 소자(12b)의 분광 감도는 청색 소자 분광 곡선SC-B로 나타내고, 적외광에 감도 피크를 갖는 적외용 수광 소자(12ir)의 분광 감도는 적외 소자 분광 곡선SC-Ir로 나타내는 상태로 되어 있다.
또한, 수광 소자(12)의 분광 감도에 대하여 시감도는 시감도 곡선SC-S로 되어 있다. 조도(주위 조도)의 측정에서는 수광 소자(12)는 시감도(시감도 곡선SC-S)에 맞는 분광 감도인 것이 필요하다.
또한, 수광 소자(12)의 분광 감도는 컬러 필터(12)(적색에 대응하는 영역(R), 녹색에 대응하는 영역(G), 청색에 대응하는 영역(B), 적외광에 대응하는 영역(Ir).도 1(B)]를 적용한 상태로 측정되어 있다.
예컨대, 녹색 소자 분광 곡선SC-G는 시감도 곡선SC-S에 비교적 가까운 특성으로 되어 있다. 따라서, 녹색 소자 분광 곡선SC-G에 적용되는 녹색의 컬러 필터를 적용하는 것도 생각되지만, 녹색의 컬러 필터는 시감도 곡선SC-S에 대하여 벗어남을 갖고 있으므로 그대로 적용하는 것은 정밀도의 점에서 충분하지 않다.
즉, 수광 소자(12)[적색용 수광 소자(12r), 녹색용 수광 소자(12g), 청색용 수광 소자(12b), 적외용 수광 소자(12ir)]의 출력[연산부로서의 DSP(26)의 처리 대상이 되는 수광 신호 출력)을 이용해서 수광 소자군(12m) 전체로서의 출력(수광 신호 출력)을 시감도 곡선SC-S에 맞추는 연산 처리가 필요하게 된다.
본 실시형태에서는 주위 조도(Y)=+0.1R+1.0G-0.3B-0.6Ir[단, R, G, B, Ir은 각각 적색용 수광 소자(12r), 녹색용 수광 소자(12g), 청색용 수광 소자(12b), 적외용 수광 소자(12ir)에 대응하는 수광 신호 출력]로 하는 연산을 행함으로써 시감 도에 맞춘 출력(수광 신호 출력)을 얻을 수 있었다. 즉, 주위 조도(Y)는 연산 분광 곡선SC-Y에서 나타내는 분광 특성이 되고, 시감도 곡선SC-S에 고정밀도로 근사시킬 수 있었다.
또한, 도 4에 나타낸 각 수광 소자(12)의 분광 곡선은 일례일뿐이고, 주위 조도(Y)=+0.1R+1.0G-0.3B-0.6Ir로 하는 연산식은 일반화하는 것이 가능하고, 주위 조도(Y)=αR+βG+γB+εIr(α, β, γ, ε은 각각 R, G, B, Ir에 대한 보정 계수)로서 나타낼 수 있다. 이 때의 보정 계수(α, β, γ, ε)는 컴퓨터를 이용해서 시뮬레이션을 실시함으로써 구하는 것이 가능하다. 또한, 연산식은 DSP(26)에 미리 프로그램으로서 짜 넣어져 있고, 레지스터(23), I2C 인터페이스부(27)를 적당히 연계시켜서 실행하는 것이 가능하다.
즉, 본 실시형태에 의한 연산부(DSP(26))는 주위 조도(Y)를 Y=αR+βG+γB+εIr[단, R , G, B, Ir는 각각 적색용 수광 소자(12r), 녹색용 수광 소자(12g), 청색용 수광 소자(12b), 적외용 수광 소자(12ir)에 대응하는 수광 신호 출력. 또한, α, β, γ, ε은 각각 R, G, B, Ir에 대한 보정 계수.)로서 산출(검출)하는 구성으로 되어 있다.
이 구성에 의해 시감도에 적합시킨 분광 감도에 대응시켜서 주위 조도를 산출하기 때문에 고정밀도로 주위 조도를 검출하는 것이 가능해진다.
또한, 감도의 차이는 수광 소자(12)의 차이이다. 따라서, 예컨대 감도가 높은 수광 소자(12)는 수광 면적을 작게 해서 출력을 저감함으로써 다른 수광 소자(12)에 대하여 감도를 맞추는 것이 가능해진다. 즉, 상술한 연산식에 따르지 않 고, 수광 소자(12)의 수광 면적을 조정함으로써 시감도 곡선SC-S에 가까운 특성을 갖게 할 수 있기 때문에 연산부(DSP(26))에서의 연산을 간략화하는 것이 가능해진다.
도 5는 본 발명의 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치의 조도 검출 모드에서 다이내믹 레인지를 조정하는 과정을 나타내는 플로우 차트이다.
본 실시형태에 의한 광검출 반도체 장치(1)에서는 조도 검출 모드에서 셔터부(21s)는 개방 시간(Tson)의 기간에서 개방 상태(온 상태)로 되고, 수광 소자(12)[컬러용 수광 소자(12c), 적외용 수광 소자(12ir)]가 검출한 수광 전류를 전하로서 축적해서 수광 전압으로 변환한다. 즉, 개방 시간(Tson)은 전하 축적 시간이다.
따라서, 셔터부(21s)의 개폐를 제어해서 개방 시간(Tson)을 변경함으로써 전하 축적 시간을 변경하는 것이 가능해진다. 즉, 개방 시간(Tson)을 제어해서 조도 측정 시의 조도에 대한 다이내믹 레인지를 변경할 수 있고, 조도 검출 정밀도 및 분해능을 높게 유지한 상태로 최적인 다이내믹 레인지를 확보할 수 있다.
수광 소자(12)[센서 회로부(11c)]의 감도가, 예컨대 3V/(lxㆍs)일 경우 100,O00lx의 조도일 때는 전하 축적 시간=10㎲에서 전하 축적량을 3V로 할 수 있다. 또한, 조도가 10lx이면 전하 축적 시간=100ms가 필요해진다.
종래는, 충분한 다이내믹 레인지를 확보하기 위해 아날로그/디지털 변환부(22)로서, 예컨대 16bit(65,536단계의 분해능)로 한 고분해능의 AD 변환기를 채용하고 있었다. 그러나, 본 실시형태에서는 셔터부(21s)의 개방 시간(Tson)을 제어 함으로써 다이내믹 레인지를 변경하는 것이 가능해지고, 종래와 같이 고분해능의 AD 변환기를 이용할 필요가 없어진다.
이하의 스텝S1로부터 스텝S10로 다이내믹 레인지를 변경해서 고정밀도의 분해능을 유지하는 처리 플로우를 나타낸다.
스텝S1:
다이내믹 레인지가 높은 쪽으로부터 조도(Y)(주위 조도)의 측정을 실행한다. 예컨대, 다이내믹 레인지=100,000lx, 전하 축적 시간=10㎲에서 감도에 대응하는 3V를 축적할 수 있다. 따라서, 전하 축적 시간10㎲로 했을 때의 수광 전압(수광 증폭 전압)을 검출함으로써 조도(Y)를 측정하는 것이 가능해진다.
스텝S2:
스텝S1에서 측정한 조도(Y)를 변별한다. 높은 쪽에서의 다이내믹 레인지이기 때문에, 예컨대 Y<20,000lx, Y≥20,000lx의 2개의 구분으로 변별한다.
Y<20,000lx일 때는 조도(Y)는 작기 때문에 작은 다이내믹 레인지를 대상으로 하는 스텝S3으로 진행되고, 다이내믹 레인지를 작은 쪽으로 스위칭한다. 또한, Y≥20,000lx일 때는 조도(Y)는 크기 때문에 스텝S1로 리턴되고, 스텝S1로 조도를 측정한다.
스텝S3:
조도(Y)(주위 조도)의 측정을 실행한다. 예컨대, 다이내믹 레인지=25,600lx, 전하 축적 시간=39㎲에서 감도에 대응하는 3V를 축적할 수 있다.
스텝S4:
스텝S3에서 측정한 조도(Y)를 변별한다. 예컨대, Y>20,000lx, Y<5,000lx, 5,000lx≤Y≤20,000lx의 3개의 구분으로 변별한다.
Y>20,000lx일 때는 조도(Y)는 크기 때문에 스텝S1로 리턴되고, 다이내믹 레인지를 크게 한다. Y<5,000lx일 때는 조도(Y)는 작기 때문에 스텝S5로 진행되고, 다이내믹 레인지를 스위칭한다. 또한, 5,000lx≤Y≤20,000lx일 때는 스텝S3에 리턴되어 다이내믹 레인지를 유지한다.
스텝S5:
조도(Y)(주위 조도)의 측정을 실행한다. 예컨대, 다이내믹 레인지=6,400lx, 전하 축적 시간=160㎲에서 감도에 대응하는 3V를 축적할 수 있다.
스텝S6:
스텝S5에서 측정한 조도(Y)를 변별한다. 예컨대, Y>5,000lx, Y<1,200lx, 1,200lx≤Y≤5,000lx의 3개의 구분으로 변별한다.
Y>5,000lx일 때는 스텝S3으로 리턴된다. Y<1,200lx일 때는 스텝S7로 진행된다. 또한, 1,200lx≤Y≤5,000lx일 때는 스텝S5로 리턴된다.
스텝S7:
조도(Y)(주위 조도)의 측정을 실행한다. 예컨대, 다이내믹 레인지=1,600lx, 전하 축적 시간=625㎲에서 감도에 대응하는 3V를 축적할 수 있다.
스텝S8:
스텝S7에서 측정한 조도(Y)를 변별한다. 예컨대, Y>1,200lx, Y<320lx, 320lx≤Y≤1,200lx의 3개의 구분으로 변별한다.
Y>1,200lx일 때는 스텝S5로 리턴된다. Y<320lx일 때는 스텝S9로 진행된다. 또한, 320lx≤Y≤1,200lx일 때는 스텝S7로 리턴된다.
스텝S9:
조도(Y)(주위 조도)의 측정을 실행한다. 예컨대, 다이내믹 레인지=400lx, 전하 축적 시간=2.5ms에서 감도에 대응하는 3V를 축적할 수 있다.
스텝S10:
스텝S7에서 측정한 조도(Y)를 변별한다. 낮은 쪽에서의 다이내믹 레인지이기 때문에, 예컨대 Y≥320lx, Y<320lx의 2개의 구분으로 변별한다.
Y≥320lx일 때는 스텝S7로 리턴된다. 또한, Y<320lx일 때는 스텝S9로 리턴된다.
상술한 바와 같이, 스텝S1 내지 스텝S10의 처리 플로우에 의해 전하 축적 시간[셔터부(21s)의 개방 시간(Tson)]을 변경함으로써 고분해능을 유지한 상태로 다이내믹 레인지를 용이 또한 고정밀도로 스위칭할 수 있다.
종래의 조도 센서에서는 다이내믹 레인지를 가변으로 하기 위해서는 앰프의 게인을 스위칭할 필요가 있어 회로 구성이 복잡해진다는 문제가 있었다.
그러나, 본 실시형태에 의하면, 셔터부(21s)의 개방 시간(Tson)을 스위칭하는 것만으로 다이내믹 레인지를 스위칭할 수 있고, 아날로그/디지털 변환부(22)의 분해능을 올릴 필요가 없고, 간단한 회로 구성을 유지할 수 있기 때문에 조도의 측정을 고정밀도로 실행할 수 있는 소형이고 저렴한 광검출 반도체 장치(1)를 제공하는 것이 가능해진다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에서는 셔터부(21s)의 개방 시간(Tson)은 검출한 주위 조도에 따라 변경되는 구성으로 되어 있다. 따라서, 전하 축적 시간을 제어해서 조도 검출 정밀도 및 분해능을 유지한 상태로 조도 검출의 다이내믹 레인지를 확보하는 것이 가능해지고, 주위 조도의 상태에 따르지 않고 주위 조도를 고정밀도로 검출할 수 있다.
<실시형태2>
도 6 및 도 7에 의거해서 본 실시형태에 의한 광검출 반도체 장치에 대해서 설명한다.
본 실시형태에 의한 광검출 반도체 장치는 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치(1)와 기본적으로 같은 구성이기 때문에 부호를 원용하고, 주로 다른 사항에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시형태2에 의한 광검출 반도체 장치의 센서 칩의 평면도이다.
실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치(1)에서는 수광 소자(12)[수광 소자군(12m)]로서 컬러용 수광 소자(12c)와 적외용 수광 소자(12ir)를 구비하고, 또한 컬러용 수광 소자(12c)로서 적색용 수광 소자(12r), 녹색용 수광 소자(12g), 청색용 수광 소자(12b)를 구비하는 구성으로 되어 있다.
이것에 대하여, 본 실시형태에서는 수광 소자(12)[수광 소자군(12m)]로서 실시형태1과 같이 컬러용 수광 소자(12c)와 적외용 수광 소자(12ir)를 구비한다. 그러나, 컬러용 수광 소자(12c)로서는 녹색용 수광 소자(12g)만의 구성으로 되어 있 다. 즉, 수광 소자(12)[수광 소자군(12m)]의 구성을 간략화한 것이며, 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치(1)와 비교해서 더욱 소형화, 저가격화를 도모하는 것이 가능해진다.
도 7은 본 발명의 실시형태2에 의한 광검출 반도체 장치의 각 수광 소자의 분광 감도, 시감도 곡선, 및 연산 분광 곡선을 나타내는 분광 감도 그래프이다.
횡축에 파장(㎚), 종축에 감도(상대 감도)를 나타내고 있다. 기본적인 구성은 도 4와 같다.
또한, 상술한 바와 같이, 수광 소자(12)로서 녹색용 수광 소자(12g), 적외용 수광 소자(12ir)의 2개만의 구성으로 되어 있다. 즉, 컬러용 수광 소자(12c)는 녹색에 감도 피크를 갖는 녹색용 수광 소자(12g)를 포함한다.
따라서, 녹색에 감도 피크를 갖는 녹색용 수광 소자(12g)의 분광 감도는 녹색 소자 분광 곡선SC-G에 나타내고, 적외광에 감도 피크를 갖는 적외용 수광 소자(12ir)의 분광 감도는 적외 소자분광 곡선SC-Ir에 나타내는 상태로 되어 있다. 또한, 수광 소자(12)의 분광 감도에 대하여 시감도는 시감도 곡선SC-S로 되어 있다.
또한, 실시형태1과 같이 센서 회로부(11c)를 구비하고, 연산부(DSP(26))에 의해 연산 처리를 실시한다. 실시형태1에서는, 주위 조도(Y)=αR+βG+γB+εIr로서 연산식을 규정했지만, 본 실시형태에서는 수광 소자(12)를 녹색용 수광 소자(12g)와 적외용 수광 소자(12ir)에 한정했기 때문에 연산식을 간략화하는 것이 가능해진다.
즉, 연산부[DSP(26)]는 주위 조도(Y)를 Y=βG+εIr[단, G , Ir은 각각 녹색용 수광 소자(12g), 적외용 수광 소자(12ir)에 대응하는 수광 신호 출력. 또한, β, ε은 각각 G, Ir에 대한 보정 계수.]로서 산출하는 구성으로 되어 있다.
본 실시형태에 의한 주위 조도(Y)=αR+βG+γB+εIr로서 구해진 결과는 연산 분광 곡선SC-Y에서 나타내는 분광 특성이 되고, 시감도 곡선SC-S에 근사시킬 수 있었다.
따라서, 수광 소자군(12m)을 간략화하기 때문에 수광 소자군(12m) 및 센서 회로부(11c)의 면적을 축소해서 소형화하는 것이 가능해지고, 소형이고 저렴한 광검출 반도체 장치(1)로 할 수 있다.
<실시형태3>
본 실시형태에 의한 모바일 기기(미도시)는, 예컨대 휴대 전화 등이며, 표시 화면, 전지를 구비하고 있다. 모바일 기기는 실내, 실외 등 다양한 조도 환경 중에서 이용되기 때문에 표시 화면의 휘도를 주위의 조도 환경에 적응시켜서 표시함으로써 저소비 전력화를 도모하는 것이 구해졌다.
본 실시형태에 의한 모바일 기기는 실시형태1, 실시형태2에 의한 광검출 반도체 장치(1)를 적용(탑재)하기 때문에 주위 조도를 용이 또한 고정밀도로 검출하고, 또한 피검출물의 검출을 병행해서 실행하는 것이 가능하다.
따라서, 주위 조도에 따라 표시 화면의 휘도를 조정하는 것이 가능해지고, 표시 화면의 표시에 요하는 전력을 억제해서 전지 수명을 연장할 수 있는 편리성이 높은 모바일 기기로 할 수 있다.
또한, 모바일 기기가, 터치 패널을 구비할 경우는 근접 검출 모드를 적용해서 피검출물을 검출하는 것이 가능해지기 때문에 인체(예컨대 볼과 같은 피부)를 검출할 수 있다. 따라서, 예컨대 휴대 전화에 의한 통화중에 터치 패널이 인체에 접촉해서 오동작하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 일탈할 일 없고, 다른 여러가지 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 상술한 실시형태는 모든 점에서 간단한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해 나타내어진 것이며, 명세서 본문에는 조금도 구속되지 않는다. 더욱이, 특허청구범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
도 1(A)~도 1(C)는 본 발명의 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치의 개략 구조를 나타내는 모식도이며, 도 1(A)는 단면도, 도 1(B)는 평면도, 도 1(C)는 센서 칩의 평면도이다.
도 2(A) 및 도 2(B)는 본 발명의 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치의 센서 칩이 내장되는 센서 회로부의 등가 회로의 개요를 나타내는 블록도이며, 도 2(A)는 발광 소자 및 수광 소자로부터 출력까지의 회로 전체의 구성을 나타내고, 도 2(B)는 수광 소자의 수광 전류를 꺼내는 인접 회로의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치의 등가 회로의 동작 상태를 설명하는 타이밍 차트이다.
도 4는 본 발명의 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치의 각 수광 소자의 분광 감도, 시감도 곡선, 및 연산 분광 곡선을 나타내는 분광 감도 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시형태1에 의한 광검출 반도체 장치의 조도 검출 모드에서 다이내믹 레인지를 조정하는 과정을 나타내는 플로우 차트이다.
도 6은 본 발명의 실시형태2에 의한 광검출 반도체 장치 센서 칩의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태2에 의한 광검출 반도체 장치의 각 수광 소자의 분광 감도, 시감도 곡선, 및 연산 분광 곡선을 나타내는 분광 감도 그래프이다.
도 8(A)~도 8(C)는 종래 예에 의한 광검출 반도체 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이며, 도 8(A)는 단면도, 도 8(B)는 평면도, 도 8(C)는 센서 칩의 평면 도이다.

Claims (10)

  1. 광을 전류로 변환하는 복수 종류의 수광 소자로 구성되는 수광 소자군, 및 적외광을 발광하는 발광 소자를 구비하고; 피검출물의 검출 및 주위 조도의 검출을 실행하는 구성으로 된 광검출 반도체 장치로서:
    상기 수광 소자가 검출한 수광 전류를 전하 축적해서 수광 전압으로 변환하는 전압 변환부,
    상기 수광 소자와 상기 전압 변환부 사이에 접속되어 상기 수광 소자가 검출한 수광 전류를 전하 축적하는 지의 여부를 선정하는 셔터부,
    상기 전압 변환부에 접속되어 상기 전압 변환부가 변환한 수광 전압을 증폭해서 수광 증폭 전압을 출력하는 증폭부,
    상기 증폭부가 출력한 수광 증폭 전압을 디지털 값으로 변환하는 아날로그/디지털 변환부, 및
    상기 아날로그/디지털 변환부에서 변환된 디지털 값을 상기 수광 소자에 의한 수광 신호 출력으로 해서 연산 처리하는 연산부를 구비하고;
    상기 수광 소자군은 상기 수광 소자로서 컬러에 감도 피크를 갖는 컬러용 수광 소자, 및 적외광에 감도 피크를 갖는 적외용 수광 소자를 포함하고,
    상기 컬러용 수광 소자 및 상기 적외용 수광 소자가 검출한 수광 전류에 의거한 수광 신호 출력을 연산해서 주위 조도를 검출하고,
    상기 발광 소자를 발광시켰을 때 피검출물로부터 반사된 적외광에 의한 상기 적외용 수광 소자에서의 수광 전류와 주위 조도에 의한 상기 적외용 수광 소자에서의 수광 전류의 수광 전류 차이에 의거해서 피검출물을 검출하는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러용 수광 소자는 적색에 감도 피크를 갖는 적색용 수광 소자, 녹색에 감도 피크를 갖는 녹색용 수광 소자, 및 청색에 감도 피크를 갖는 청색용 수광 소자를 포함하고;
    상기 연산부는 주위 조도(Y)를 Y=αR+βG+γB+εIr(단, R, G, B, Ir은 각각 적색용 수광 소자, 녹색용 수광 소자, 청색용 수광 소자, 적외용 수광 소자에 대응하는 수광 신호 출력. 또한, α, β, γ, ε은 각각 R, G, B, Ir에 대한 보정 계수.)로 해서 산출하는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 반도체 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러용 수광 소자는 녹색에 감도 피크를 갖는 녹색용 수광 소자를 포함하고;
    상기 연산부는 주위 조도(Y)를 Y=βG+εIr(단, G , Ir은 각각 녹색용 수광 소자, 적외용 수광 소자에 대응하는 수광 신호 출력. 또한, β, ε은 각각 G, Ir에 대한 보정 계수.)로 해서 산출하는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 반도체 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 셔터부의 개방 시간은 검출된 주위 조도에 따라 변경되는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 반도체 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 셔터부는 M0S 소자로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 반도체 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수광 소자군은 수지 밀봉 패키지에 수지 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 반도체 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    피검출물의 검출은 상기 발광 소자를 발광시켰을 때 피검출물로부터 반사된 적외광에 의한 상기 적외용 수광 소자에서의 수광 전류와 주위 조도에 의한 상기 적외용 수광 소자에서의 수광 전류의 수광 전류 차이를 상기 전압 변환부에서 수광 전압으로 변환해서 미리 설정된 근접 역치 전압과 비교함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 광검출 반도체 장치.
  8. 표시 화면 및 광검출 반도체 장치를 구비하는 모바일 기기로서:
    상기 광검출 반도체 장치는 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 광검출 반도체 장치인 것을 특징으로 하는 모바일 기기.
  9. 표시 화면 및 광검출 반도체 장치를 구비하는 모바일 기기로서:
    상기 광검출 반도체 장치는 제 6 항에 기재된 광검출 반도체 장치인 것을 특징으로 하는 모바일 기기.
  10. 표시 화면 및 광검출 반도체 장치를 구비하는 모바일 기기로서:
    상기 광검출 반도체 장치는 제 7 항에 기재된 광검출 반도체 장치인 것을 특징으로 하는 모바일 기기.
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