WO2020137967A1 - 光学センサおよびそれを搭載した電子機器 - Google Patents

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WO2020137967A1
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light
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optical sensor
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弘治 齊藤
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ローム株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04MTELEPHONIC COMMUNICATION
    • H04M1/00Substation equipment, e.g. for use by subscribers
    • H04M1/02Constructional features of telephone sets

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical sensor and an electronic device equipped with the same, and more specifically to a technique for suppressing a decrease in detection accuracy of the optical sensor.
  • Patent Document 1 receives red, blue, and green by a red filter, a blue filter, and a green filter, and superimposes the red filter on either the blue filter or the green filter.
  • Patent Document 1 receives red, blue, and green by a red filter, a blue filter, and a green filter, and superimposes the red filter on either the blue filter or the green filter.
  • an optical sensor capable of receiving infrared rays. In this optical sensor, red, blue, and green light is accurately detected by removing the influence of infrared rays from the light in the red, blue, and green wavelength ranges.
  • Patent Document 1 In the optical sensor described in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2016-115746 (Patent Document 1), light of a desired color is processed by processing a plurality of signals corresponding to the light received by the light receiving element via different color filters. Is detecting the intensity of. In this case, it is preferable that the light received by each light receiving element used for signal processing has the same intensity.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-115746
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-115746
  • the size of the optical window for transmitting the light received by the optical sensor tends to be limited.
  • the opening area of the optical window becomes smaller
  • the light receiving area of the light receiving element also becomes smaller. Therefore, variations in the processing accuracy of the optical window or the mounting accuracy of the optical sensor may cause a difference in the intensity of light received by each light receiving element, which may reduce the detection accuracy.
  • An optical sensor includes a first light receiving unit in which a photocurrent flows in response to receiving light in a first wavelength band, and a first light receiving unit in which a photocurrent flows in response to receiving light in a second wavelength band. 2
  • the light receiving unit and the calculation unit are provided.
  • the computing unit computes the intensity of the received light based on the difference between the output signal obtained from the photocurrent of the first light receiving unit and the output signal obtained from the photocurrent of the second light receiving unit.
  • the first light receiving portion and the second light receiving portion receive light that has passed through an optical window formed in a substantially square shape including long sides and short sides.
  • the first light receiving unit and the second light receiving unit extend in the first direction intersecting the long side of the optical window and are arranged adjacent to each other in the second direction orthogonal to the first direction.
  • the first direction is a direction orthogonal to the long side of the optical window.
  • the first light receiving unit includes a first filter configured to pass light in the first wavelength band, and a first light receiving element that outputs a photocurrent corresponding to the intensity of the received light.
  • the second light receiving unit includes a second filter configured to pass light in the second wavelength band, and a second light receiving element that outputs a photocurrent corresponding to the intensity of the received light.
  • Another first light receiving portion through which photocurrent flows in response to receiving light in the first wavelength band and another first light receiving portion through which photocurrent flows in response to receiving light in the second wavelength band.
  • the light receiving part is further provided.
  • the light receiving portion is arranged in the order of the first light receiving portion, the second light receiving portion, the other first light receiving portion, and the other second light receiving portion.
  • Another first light receiving portion through which photocurrent flows in response to receiving light in the first wavelength band and another first light receiving portion through which photocurrent flows in response to receiving light in the second wavelength band.
  • the light receiving part is further provided.
  • the light receiving portion is arranged in the order of the first light receiving portion, the second light receiving portion, the other second light receiving portion, and the other first light receiving portion.
  • the optical sensor is an illuminance sensor.
  • the optical sensor is a color sensor.
  • the optical sensor includes a third light receiving portion through which a photocurrent flows in response to receiving light in the third wavelength band, and a fourth light receiving portion through which a photocurrent flows in response to receiving light in the fourth wavelength band. And a fifth light receiving portion through which a photocurrent flows in response to receiving light in the fifth wavelength band.
  • An electronic device includes the optical sensor described in any one of the above, and a housing that houses the optical sensor.
  • optical sensor According to the optical sensor according to the present disclosure, it is possible to suppress a decrease in detection accuracy of the optical sensor.
  • FIG. 5 is a second diagram for explaining the arrangement of the optical window and the light receiving section in the optical sensor of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a third diagram for explaining the arrangement of the optical window and the light receiving section in the optical sensor of the first embodiment. It is a figure for demonstrating arrangement
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the arrangement of photodiode terminals in the optical sensor according to the first embodiment. It is a figure for demonstrating arrangement
  • FIG. 9 is a functional block diagram for explaining a schematic configuration of an optical sensor according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the arrangement of an optical window and a light receiving section in the optical sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a functional block diagram for explaining a schematic configuration of an illuminance sensor which is an example of optical sensor 100 according to the first embodiment.
  • the optical sensor 100 includes a voltage generation unit 110, an infrared cut filter 115, a light receiving unit 120, a conversion unit 130, a calculation unit 140, a storage unit 150, and a plurality of external terminals 50.
  • the optical sensor 100 is a semiconductor integrated circuit in which the voltage generation unit 110, the light receiving unit 120, the conversion unit 130, the calculation unit 140, and the storage unit 150 are formed on one semiconductor substrate.
  • the voltage generator 110 is connected to the external power supply VCC via the external terminal 50.
  • the voltage generation unit 110 boosts and/or lowers the power supply voltage supplied from the power supply VCC to a predetermined voltage and supplies the power supply voltage to the conversion unit 130 and the calculation unit 140.
  • the light receiving unit 120 is a general term for a plurality of light receiving units corresponding to light in a desired wavelength band, and in the optical sensor 100 of FIG. 1, the light receiving unit 120C (first light receiving unit for detecting light in the visible light wavelength band is used. Light receiving portion) and a light receiving portion 120BK (second light receiving portion) for detecting light in the black wavelength band.
  • Each light receiving unit includes a color filter 121 that allows light of a desired wavelength band to pass therethrough, and a light receiving element 122 represented by a photodiode.
  • the light receiving unit 120 is covered with the infrared cut filter 115, and removes the influence of infrared rays from the light entering the light receiving unit 120.
  • the light receiving section 120C includes a transparent color filter 121C that transmits light in the visible light range and a light receiving element 122C.
  • the light receiving element 122C generates a photocurrent according to the intensity of light transmitted through the color filter 121C.
  • the photocurrent (analog signal) generated in the light receiving element 122C is converted into a digital signal by the analog/digital converter (ADC) 122C in the conversion unit 130 and output to the calculation unit 140.
  • ADC analog/digital converter
  • the light receiving section 120BK includes a color filter 121BK that transmits black light and a light receiving element 122BK.
  • the photocurrent (analog signal) generated in the light receiving element 122BK is converted into a digital signal by the ADC 122BK and output to the arithmetic unit 140.
  • the arithmetic unit 140 is configured to include an integrated circuit such as an LSI (Large Scale Integration), and includes various circuit elements such as transistors, capacitors, and resistors.
  • the calculation unit 140 receives the signals from the respective light receiving units converted by the conversion unit 130, processes these signals, and outputs them to another control device (not shown) or the like via the external terminal 50.
  • the storage unit 150 is, for example, a non-volatile memory, and stores various kinds of information regarding control of the optical sensor 100 or calculation of signals.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a smartphone 10 which is an example of an electronic device in which the optical sensor (illuminance sensor) 100 shown in FIG. 1 is mounted.
  • the smartphone 10 is configured by housing electronic components inside a flat rectangular parallelepiped housing 12.
  • a display panel 14 composed of, for example, a liquid crystal panel or an organic EL panel is provided on one main surface of the housing 12.
  • the display surface of the display panel 14 constitutes a touch panel and functions as an input interface for the user.
  • the display panel 14 is formed in a rectangular shape that occupies most of one main surface of the housing 12.
  • a speaker 16 is arranged in a frame portion (bezel) along one short side of the display panel 14.
  • the speaker 16 functions as an earpiece for the telephone function of the smartphone 10.
  • An opening 18 is formed near the speaker 16 of the bezel, and the optical sensor 100 is arranged at a position corresponding to the opening 18 inside the housing 12.
  • the opening 18 functions as an optical window for guiding light to the light receiving unit 120 of the optical sensor 100.
  • the optical sensor 100 is an illuminance sensor.
  • the optical sensor 100 is used to detect, for example, whether the user is using the smartphone 10 in a dark place or a bright place by detecting the illuminance.
  • the user is using the smartphone 10 in a dark place, it is possible to reduce the brightness of the display screen and suppress power consumption.
  • the brightness of the display screen can be increased to make it easier to visually recognize the display screen.
  • the horizontal axis represents the wavelength of light and the vertical axis represents the intensity of the photocurrent output.
  • the light receiving unit 120C which is the first light receiving unit receives the light transmitted through the transparent color filter 121C by the light receiving element 122C.
  • the light receiving section 120C is covered with the infrared cut filter 115, but due to the characteristics of the infrared cut filter 115, it is not possible to completely block the transmission of infrared rays. Therefore, as shown by the line LN1 in FIG. Light in the infrared region may be included as well as light in the region.
  • the light receiving unit 120BK which is the second light receiving unit, receives the light transmitted through the black color filter 121BK with the light receiving element 122BK.
  • the light receiving element 122BK visible light is removed by the color filter 121BK, but light in the infrared region may be included as in the light receiving unit 120C (line LN2 in FIG. 3B).
  • the difference between the photocurrent signal output from the light receiving unit 120C and the photocurrent signal output from the light receiving unit 120BK is calculated to obtain the line LN3 in FIG. 3C.
  • the light signal in the infrared region is excluded, and only the signal corresponding to the light in the visible region is acquired. Thereby, the removal rate of infrared rays in the light received through the optical window (opening 18) is improved, and the detection accuracy of light in the visible light wavelength band is improved.
  • the size of the optical window 18 is arranged on the semiconductor substrate 200 in consideration of the mounting accuracy of the sensor so that sufficient light can enter each light receiving portion, and the light receiving portion 120C disposed on the semiconductor substrate 200, It was generally designed to be much larger than 120BK (Fig. 4).
  • the bezel portion of the main surface on which the display panel is arranged tends to be narrowed due to the increase in screen size of smartphones.
  • other equipment such as a camera (not shown) may be arranged in the bezel portion. Therefore, the optical window 18 for the optical sensor 100 is sufficiently larger than the light receiving portion 120. It may not be possible.
  • the optical window may be downsized to an elongated rectangular shape, and a part of the light receiving unit 120 may be covered by the bezel portion of the housing 12.
  • the light receiving units 120C and 120BK are uniformly exposed to the light. There is a possibility that there will be no state. Then, the intensities of the light impinging on the respective light receiving units are different, and the detection accuracy of the visible light detected by the calculation unit 140 may be reduced, which may deteriorate the characteristics of the optical sensor 100.
  • Each light receiving unit is arranged so as to extend in the direction.
  • the first light receiving portion (light receiving portion 120C) and the second light receiving portion (light receiving portion 120BK) are arranged so as to be adjacent to each other in the direction orthogonal to the first direction.
  • each light receiving unit 120 has a long side in the direction along the short side (that is, the X axis direction) with respect to the optical window 18A having the long side formed along the Y axis direction. It is formed in a rectangular shape. Then, the plurality of light receiving units 120C and the plurality of light receiving units 120BK are alternately arranged adjacent to each other in the Y-axis direction.
  • the light receiving unit 120 By arranging the light receiving unit 120 in such a manner, for example, even when the optical window 18A is relatively displaced in the X-axis direction as shown in FIG. 6B, the area of the light that strikes the entire light receiving unit 120C and The area of the light that strikes the entire part 120BK can be made equal. Further, as shown in FIG. 6C, even when the light receiving unit 120 is arranged so as to be inclined with respect to the optical window 18A, it is possible to uniformly illuminate the light receiving units 120C and 120BK. Although not shown in the drawing, even when the optical window 18A is displaced in the Y-axis direction, the light can be uniformly applied to the light receiving units 120C and 120BK.
  • each light receiving portion When each light receiving portion is formed into an elongated rectangular shape as shown in FIGS. 6A to 6C, the area of the surface of the photodiode forming the light receiving element is larger than that of the electrodes formed in the photodiode. The area ratio increases. Then, the effective light receiving area of the photodiode becomes small, which may be a factor of lowering the detection accuracy of the optical sensor. Therefore, in the case where each light receiving element has an elongated shape as in the first embodiment, it is preferable to make the area of the electrode of the photodiode as small as possible.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the arrangement of the terminals of the photodiode 122# in the comparative example.
  • 7A is a sectional view of the photodiode 122#
  • FIG. 7B is a plan view of the photodiode 122#.
  • photodiode 122# has a structure in which n-type region 250 (n layer) is formed on the surface of semiconductor substrate 200 (p layer) which is a p-type silicon substrate (FIG. 7). (A)). Then, terminals 210 and 220 are formed on the exposed portions of the p layer 200 and the n layer 250 on the surface of the semiconductor substrate 200, respectively.
  • the terminals in the n layer 250 are provided so that light can be received as much as possible in the central portion of the n layer 250 where the efficiency is relatively stable. Is preferably arranged at a position along the outer periphery of the n layer 250 as much as possible.
  • the ratio of the width W2 of the terminal 220 to the width W1 of the n layer 250 is relatively large, as shown in FIG. 7B. Become. Then, the effective light-receiving area in the n-layer 250 becomes small, which may deteriorate the characteristics of the optical sensor.
  • the portion of terminal 220 extending in the long side direction of rectangular n layer 250 is linearly formed near the center of the short side as shown in FIG. Deploy.
  • the light receiving region in the cross section of the photodiode can be expanded from (W1-2 ⁇ W2) in FIG. 7 to (W1-W2) in FIG. Since the light receiving efficiency may be different between the central portion and the end portion of the light receiving surface of the n layer 250, the position of the terminal 220 in the width direction of the n layer 250 is preferably near the center from the viewpoint of light receiving balance. ..
  • a plurality of first light receiving units (light receiving units 120C) and second light receiving units (light receiving units 120BK) are provided in a rectangular optical window 18A.
  • the configuration in which they are alternately arranged in the side direction has been described.
  • the plurality of first light receiving portions and the second light receiving portions are arranged along the long side direction of the optical window 18A.
  • the second light receiving portion and the first light receiving portion are arranged in this order. Even in such a case, as shown in FIGS. 6B and 6C, even when the relative position between the light receiving unit 120 and the optical window 18A is deviated, with respect to the first light receiving unit and the second light receiving unit.
  • the light can be evenly distributed.
  • the first light receiving portion and the first light receiving portion can be evenly applied to the two light receiving portions.
  • the optical sensor may be another type of sensor.
  • the optical sensor is the color sensor 100A as shown in FIG. 10
  • the optical sensor is the color sensor 100A as shown in FIG. 10
  • a light receiving unit 120IR for detecting light in the infrared wavelength band and a light receiving unit 120B for detecting light in the blue wavelength band.
  • a light receiving portion 120G third light receiving portion
  • light receiving portion 120R fourth light receiving portion
  • a light receiving section 120BK for detecting light in the black wavelength band.
  • the light receiving unit 120IR includes an infrared filter 121IR and a light receiving element 122IR.
  • the photocurrent generated according to the intensity of the infrared ray detected by the light receiving unit 120IR is converted into a digital signal by the ADC 132IR in the conversion unit 130A and output to the calculation unit 140.
  • the light receiving section 120B includes a color filter 121B that transmits blue light and a light receiving element 122B.
  • the photocurrent generated according to the intensity of the blue light detected by the light receiving unit 120B is converted into a digital signal by the ADC 132B in the conversion unit 130A and output to the calculation unit 140.
  • the light receiving unit 120G includes a color filter 121G that transmits green light and a light receiving element 122G.
  • the photocurrent generated according to the intensity of the green light detected by the light receiving unit 120G is converted into a digital signal by the ADC 132G in the conversion unit 130A and output to the calculation unit 140.
  • the light receiving section 120R includes a color filter 121R that transmits red light and a light receiving element 122R.
  • the photocurrent generated according to the intensity of the red light detected by the light receiving unit 120R is converted into a digital signal by the ADC 132R in the conversion unit 130A and output to the calculation unit 140.
  • the light receiving unit 120BK includes a color filter 121BK that transmits black light and a light receiving element 122BK.
  • the photocurrent generated according to the intensity of the black light detected by the light receiving unit 120BK is converted into a digital signal by the ADC 132BK in the conversion unit 130A and output to the calculation unit 140.
  • Each of the light receiving parts of the light receiving part 120 except the light receiving part 120IR is covered with an infrared cut filter 115.
  • the arithmetic unit 140 can receive the light signals of the respective wavelength bands obtained from the light receiving unit 120 via the conversion unit 130 and process these signals to improve the detection accuracy of the light of the respective wavelength bands.
  • the first side intersecting the long side of the optical window.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the arrangement of each light receiving unit in the color sensor 100A of FIG. 11A and 11B, similar to FIG. 9A, a rectangular optical window 18A having a long side formed along the Y-axis direction is used to form a direction (X) along the short side.
  • Each light receiving unit 120 is formed in a rectangular shape having a long side in the axial direction).
  • each light receiving unit 20 is formed in the trapezoidal optical window 18B as in FIG. 9B.
  • the light receiving portions are arranged in the order of 120G, the light receiving portion 120R, and the light receiving portion 120BR.
  • each light receiving portion is line-symmetrical in the Y axis direction as described above.

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Abstract

光学センサ(100)は、第1波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第1受光部(120C)と、第2波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第2受光部(120BK)と、第1受光部(120C)の光電流から得られる出力信号と、第2受光部(120BK)の光電流から得られる出力信号との差分とに基づいて、受光した光の強度を演算する演算部(140)とを備える。

Description

光学センサおよびそれを搭載した電子機器
 本開示は、光学センサおよびそれを搭載した電子機器に関し、より特定的には、光学センサにおける検出精度の低下を抑制するための技術に関する。
 特開2016-115746号公報(特許文献1)には、赤色フィルタ、青色フィルタ、および緑色フィルタによって赤色、青色、および緑色を受光するとともに、赤色フィルタを青色フィルタおよび緑色フィルタのいずれかと重ね合わせることにより赤外線を受光することができる光学センサが開示されている。この光学センサにおいては、赤色、青色、および緑色の波長域の光から赤外線の影響を取り除くことにより、赤色、青色、および緑色の光を精度よく検出している。
特開2016-115746号公報
 特開2016-115746号公報(特許文献1)に記載された光学センサにおいては、異なるカラーフィルタを介して受光素子で受光した光に対応した複数の信号を処理することにより、所望の色の光の強度を検出している。この場合、信号処理に用いる各受光素子で受光される光が同程度の強度であることが好ましい。
 特開2016-115746号公報(特許文献1)に開示される光学センサは、たとえば、携帯電話あるいはスマートフォンなどの携帯端末に用いられる。このような携帯端末においては、さらなる薄型化および大画面化が望まれており、それに伴って、光学センサで受光する光を透過させる光学窓の大きさも制限される傾向にある。光学窓の開口面積が小さくなると、受光素子における受光面積も小さくなる。そのため、光学窓の加工精度あるいは光学センサの取付精度のばらつきによって、各受光素子で受光される光の強度に差異が生じてしまい、検出精度が低下するおそれがある。
 本開示は、このような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、光学センサにおける検出精度の低下を抑制することである。
 本開示に従う光学センサは、第1波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第1受光部と、第2波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第2受光部と、演算部とを備える。演算部は、第1受光部の光電流から得られる出力信号と、第2受光部の光電流から得られる出力信号との差分とに基づいて、受光した光の強度を演算する。
 好ましくは、第1受光部および第2受光部は、長辺および短辺を含む略四角形形状に形成された光学窓を通過した光を受光する。第1受光部および第2受光部は、光学窓の長辺に交差する第1方向に延在するとともに、第1方向に直交する第2方向に隣接して配置される。
 好ましくは、第1方向は、光学窓の長辺に直交する方向である。
 好ましくは、第1受光部は、第1波長帯域の光を通過するように構成された第1フィルタと、受光した光の強度に対応した光電流を出力する第1受光素子とを含む。第2受光部は、第2波長帯域の光を通過するように構成された第2フィルタと、受光した光の強度に対応した光電流を出力する第2受光素子とを含む。
 好ましくは、第1波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる他の第1受光部と、第2波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる他の第2受光部とをさらに備える。受光部は、第1受光部、第2受光部、他の第1受光部、他の第2受光部の順に配置される。
 好ましくは、第1波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる他の第1受光部と、第2波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる他の第2受光部とをさらに備える。受光部は、第1受光部、第2受光部、他の第2受光部、他の第1受光部の順に配置される。
 好ましくは、光学センサは、照度センサである。
 好ましくは、光学センサは、カラーセンサである。光学センサは、第3波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第3受光部と、第4波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第4受光部と、第5波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第5受光部とをさらに備える。
 本開示の他の局面に従う電子機器は、上記のいずれか1項に記載された光学センサと、光学センサを収容する筐体とを備える。
 本開示に従う光学センサによれば、光学センサにおける検出精度の低下を抑制することができる。
実施の形態1に従う光学センサの一例である照度センサの概略構成を説明するための機能ブロック図である。 光学センサが搭載される電子機器の一例を示す図である。 図1の演算部で実行される信号処理を説明するための図である。 比較例の光学センサにおける光学窓と受光部の配置を説明するための図である。 光学窓が小型化された場合の問題点を説明するための図である。 実施の形態1の光学センサにおける光学窓と受光部の配置を説明するための第1図である。 実施の形態1の光学センサにおける光学窓と受光部の配置を説明するための第2図である。 実施の形態1の光学センサにおける光学窓と受光部の配置を説明するための第3図である。 比較例におけるフォトダイオードの端子の配置を説明するための図である。 実施の形態1の光学センサにおけるフォトダイオードの端子の配置を説明するための図である。 変形例の光学センサにおける光学窓と受光部の配置を説明するための図である。 実施の形態2に従う光学センサの概略構成を説明するための機能ブロック図である。 実施の形態2の光学センサにおける光学窓と受光部の配置を説明するための図である。
 以下、本開示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り返さない。
 [実施の形態1]
 図1は、実施の形態1従う光学センサ100の一例である照度センサの概略構成を説明するための機能ブロック図である。光学センサ100は、電圧生成部110と、赤外線カットフィルタ115と、受光部120と、変換部130と、演算部140と、記憶部150と、複数の外部端子50とを備える。光学センサ100は、電圧生成部110、受光部120、変換部130、演算部140、および記憶部150が1つの半導体基板に形成された半導体集積回路である。
 電圧生成部110は、外部端子50を介して外部の電源VCCに接続されている。電圧生成部110は、電源VCCから供給される電源電圧を所定の電圧に昇圧および/または降圧して、変換部130および演算部140に電源電圧を供給する。
 受光部120は、所望の波長帯域の光に対応した複数の受光部の総称であり、図1の光学センサ100においては、可視光の波長帯域の光を検出するための受光部120C(第1受光部)と、黒色の波長帯域の光を検出するための受光部120BK(第2受光部)とを含む。各受光部は、所望の波長帯域の光を通過させるカラーフィルタ121と、フォトダイオードに代表される受光素子122とを含む。受光部120は、赤外線カットフィルタ115に覆われており、受光部120に入光する光から赤外線の影響を除去する。
 受光部120Cにおいては、可視光域の光を透過させる透明のカラーフィルタ121Cと、受光素子122Cとを含む。受光素子122Cは、カラーフィルタ121Cを透過した光の強度に応じた光電流を生成する。受光素子122Cにおいて生成された光電流(アナログ信号)は、変換部130におけるアナログ/デジタル変換器(Analogue/Digital Converter:ADC)122Cによりデジタル信号に変換されて、演算部140へ出力される。
 また、受光部120BKにおいては、黒色の光を透過させるカラーフィルタ121BKと、受光素子122BKとを含む。受光素子122BKにおいて生成された光電流(アナログ信号)は、ADC122BKによりデジタル信号に変換されて、演算部140へ出力される。
 演算部140は、たとえばLSI(Large Scale Integration)などの集積回路を含んで構成されており、トランジスタ、キャパシタ、レジスタ等の各種回路素子が含まれる。演算部140は、変換部130により変換された各受光部からの信号を受け、これらの信号を処理して、外部端子50を介して図示しない他の制御装置等へ出力する。
 記憶部150は、たとえば不揮発性メモリであり、光学センサ100の制御あるいは信号の演算に関する各種の情報が記憶されている。
 図2は、図1に示した光学センサ(照度センサ)100が搭載される電子機器の一例であるスマートフォン10の概略図である。スマートフォン10は、扁平な直方体形状の筐体12の内部に電子部品を収納して構成されている。筐体12の一方の主面には、たとえば液晶パネルあるいは有機ELパネルで構成された表示パネル14が設けられている。表示パネル14の表示面はタッチパネルを構成しており、ユーザに対する入力インターフェースとして機能する。
 表示パネル14は、筐体12の一方の主面の大部分を占める矩形形状に形成されている。表示パネル14の一方の短辺に沿った枠部分(ベゼル)には、スピーカ16が配置されている。スピーカ16は、スマートフォン10の電話機能のための受話口として機能する。ベゼルのスピーカ16の近傍には、開口部18が形成されており、筐体12の内部の開口部18に対応する位置に光学センサ100が配置される。開口部18は、光学センサ100の受光部120に光を導くための光学窓として機能する。
 上述のように、実施の形態1における光学センサ100は照度センサである。光学センサ100は、照度を検出することによって、たとえば、ユーザがスマートフォン10を暗いところで使用しているのか、明るいところで使用しているのかを判断するために用いられる。ユーザが暗いところでスマートフォン10を使用している場合には、表示画面の明るさを暗くして消費電力を抑制することができる。また、ユーザが明るいところでスマートフォン10を使用している場合には、表示画面の明るさを明るくして、表示画面を視認しやすくすることができる。
 次に、図3を用いて、図1の演算部140における信号処理の概要について説明する。図3(a)~図3(c)においては、横軸に光の波長が示されており、縦軸には出力される光電流の強度が示されている。
 図3を参照して、上述のように第1受光部である受光部120Cは、透明のカラーフィルタ121Cを透過した光を受光素子122Cで受ける。受光部120Cは、赤外線カットフィルタ115に覆われているが、赤外線カットフィルタ115の特性上、完全には赤外線の透過を遮断できないため、図3(a)の線LN1に示されるように、可視領域の光とともに赤外線領域の光が含まれ得る。
 一方、第2受光部である受光部120BKは、黒色のカラーフィルタ121BKを透過した光を受光素子122BKで受ける。受光素子122BKで受けた光においては、カラーフィルタ121BKにより可視光については除去されているが、受光部120Cと同様に、赤外線領域の光が含まれ得る(図3(b)の線LN2)。
 演算部140においては、受光部120Cから出力された光電流の信号と、受光部120BKから出力された光電流の信号との差分をとることによって、図3(c)の線LN3に示されるように、赤外線領域の光の信号が排除され、可視領域の光に対応した信号のみが取得される。これによって、光学窓(開口部18)を通して受光した光における赤外線の除去率を向上させて、可視光の波長帯域の光の検出精度を向上させている。
 従来の光学センサにおいては、各受光部に十分な光が入光するように、センサの取付精度なども考慮して、光学窓18の大きさが半導体基板200上に配置された受光部120C,120BKよりも十分大きくなるように設計されるのが一般的であった(図4)。しかしながら、近年では、スマートフォンの大画面化のために、表示パネルが配置される主面のベゼル部分が狭くなる傾向にある。ベゼル部分には、上述したスピーカ16に加えてカメラ(図示せず)等の他の機器が配置されることもあり、そのため、光学センサ100用の光学窓18を受光部120に対して十分大きくできない状態となる場合がある。
 この場合、図5(a)に示されるように、光学窓が細長い長方形形状に小型化されてしまい、受光部120の一部が筐体12のベゼル部分で覆われてしまう状態となり得る。このとき、受光部120の取付精度などにより、図5(b)のように受光部120と光学窓18Aとの相対位置がずれてしまうと、受光部120Cおよび受光部120BKに均等に光が当たらない状態となる可能性がある。そうすると、各受光部に当たる光の強度が異なってしまい、演算部140で検出される可視光の検出精度が低下して、光学センサ100の特性を悪化させてしまう可能性がある。
 そこで、本実施の形態1においては、図6Aに示されるように、長辺および短辺を含む略長方形形状に形成された光学窓18Aに対して、光学窓18Aの長辺に交差する第1方向に延在するように各受光部を配置する。さらに、当該第1方向に直交する方向に互いに隣接するように、第1受光部(受光部120C)および第2受光部(受光部120BK)を配置する。
 図6Aの例においては、各受光部120は、長辺がY軸方向に沿って形成された光学窓18Aに対して、短辺に沿った方向(すなわち、X軸方向)に長辺を有する長方形形状に形成されている。そして、複数の受光部120Cおよび受光部120BKが、Y軸方向に互いに隣接して交互に配置されている。
 受光部120をこのような配置とすることによって、たとえば、図6Bのように光学窓18Aが相対的にX軸方向にずれた場合であっても、受光部120C全体に当たる光の面積と、受光部120BK全体に当たる光の面積とを等しくすることができる。また、図6Cのように、光学窓18Aに対して受光部120が傾いて配置された場合であっても、受光部120Cおよび受光部120BKに均等に光が当たるようにすることができる。なお、図には示していないが、光学窓18AがY軸方向にずれた場合であっても、受光部120Cおよび受光部120BKに均等に光が当たるようにすることができる。
 光学窓に対する受光部の配置を上記のようにすることによって、受光部の取付精度等によって、光学窓と受光部との間の相対位置がずれた場合であっても、2つの受光部に対して均等に光が当たるようにすることができる。これによって、光学センサにおける検出精度の低下を抑制することが可能となる。
 なお、図6A~図6Cに示されるように各受光部を細長い長方形形状とした場合には、受光素子を形成するフォトダイオードの表面の面積に対してして、フォトダイオードに形成される電極の面積の比率が増加してしまう。そうすると、フォトダイオードの有効受光面積が小さくなってしまうため、光学センサの検出精度が低下する要因となり得る。そのため、実施の形態1のように、各受光素子を細長い形状とする場合には、フォトダイオードの電極の面積をできるだけ小さくすることが好ましい。
 図7は、比較例におけるフォトダイオード122#の端子の配置を説明するための図である。図7(a)はフォトダイオード122#の断面図であり、図7(b)はフォトダイオード122#の平面図である。
 図7を参照して、フォトダイオード122#は、p型シリコン基板である半導体基板200(p層)の表面にn型領域250(n層)が形成された構成を有している(図7(a))。そして、p層200およびn層250において半導体基板200の表面に露出した部分に、端子210および端子220がそれぞれ形成されている。
 半導体基板200表面におけるn層250の面積(すなわち、受光面積)が十分に広い場合には、比較的効率が安定しているn層250の中央部においてできるだけ受光できるように、n層250における端子は、n層250のできるだけ外周に沿った位置に配置することが好ましい。
 しかしながら、フォトダイオードのn層250が細長い長方形形状に形成される場合には、図7(b)に示されるように、n層250の幅W1に対する端子220の幅W2の割合が相対的に大きくなる。そうすると、n層250における有効受光面積が小さくなるので、光学センサとしての特性が悪化する可能性がある。
 実施の形態1における受光部のフォトダイオード122においては、端子220における長方形形状のn層250の長辺方向に延在する部分を、図8に示されるように短辺の中央付近に直線状に配置する。このような構成とすることによって、フォトダイオードの断面における受光可能な領域を、図7の(W1-2×W2)から図8の(W1-W2)に拡大することができる。なお、n層250の受光面の中央部と端部とでは受光効率が異なる場合があるため、受光バランスの観点から、n層250の幅方向における端子220の位置を中央付近とすることが好ましい。
 (変形例)
 図6A~図6Cで示した、実施の形態1における受光部においては、複数の第1受光部(受光部120C)および第2受光部(受光部120BK)を、長方形形状の光学窓18Aの長辺方向に交互に配置する構成について説明した。
 変形例においては、複数の第1受光部および第2受光部を、図9(a)に示されるように、光学窓18Aの長辺方向に沿って、第1受光部、第2受光部、第2受光部、第1受光部の順に配置する。このような場合においても、図6Bおよび図6Cで示したように、受光部120と光学窓18Aとの相対位置がずれた場合であっても、第1受光部および第2受光部に対して均等に光が当たるようにすることができる。
 さらに、変形例のような配置の場合、図9(b)に示されるように、光学窓18Bの幅が長辺方向にわたってテーパ状に変化する台形形状の場合においても、第1受光部および第2受光部に対して均等に光が当たるようにすることができる。
 [実施の形態2]
 実施の形態1においては、光学センサが照度センサである場合について説明したが、光学センサは他のタイプのセンサであってもよい。
 実施の形態2においては、光学センサが図10に示すようなカラーセンサ100Aである場合について説明する。
 図10におけるカラーセンサ100Aにおいては、受光部120として、赤外線の波長帯域の光を検出するための受光部120IR(第1受光部)と、青色の波長帯域の光を検出するための受光部120B(第2受光部)と、緑色の波長帯域の光を検出するための受光部120G(第3受光部)と、赤色の波長帯域の光を検出するための受光部120R(第4受光部)と、黒色の波長帯域の光を検出するための受光部120BK(第5受光部)とを含む。
 受光部120IRは、赤外線フィルタ121IRと受光素子122IRとを含む。受光部120IRにおいて検出された赤外線の強度に応じて生成された光電流は、変換部130AにおけるADC132IRによりデジタル信号に変換されて、演算部140へ出力される。
 受光部120Bは、青色の光を透過させるカラーフィルタ121Bと受光素子122Bとを含む。受光部120Bにおいて検出された青色の光の強度に応じて生成された光電流は、変換部130AにおけるADC132Bによりデジタル信号に変換されて、演算部140へ出力される。
 受光部120Gは、緑色の光を透過させるカラーフィルタ121Gと受光素子122Gとを含む。受光部120Gにおいて検出された緑色の光の強度に応じて生成された光電流は、変換部130AにおけるADC132Gによりデジタル信号に変換されて、演算部140へ出力される。
 受光部120Rは、赤色の光を透過させるカラーフィルタ121Rと受光素子122Rとを含む。受光部120Rにおいて検出された赤色の光の強度に応じて生成された光電流は、変換部130AにおけるADC132Rによりデジタル信号に変換されて、演算部140へ出力される。
 受光部120BKは、黒色の光を透過させるカラーフィルタ121BKと受光素子122BKとを含む。受光部120BKにおいて検出された黒色の光の強度に応じて生成された光電流は、変換部130AにおけるADC132BKによりデジタル信号に変換されて、演算部140へ出力される。
 受光部120における受光部120IRを除く各受光部は、赤外線カットフィルタ115に覆われている。
 演算部140においては、受光部120から変換部130を介して取得した各波長帯域の光の信号を受け、これらの信号を処理することによって各波長帯域の光の検出精度を高めることができる。
 図10に示されたカラーセンサ100Aにおいても、実施の形態1の図6A~図6Cで示したように、略長方形形状に形成された光学窓に対して、光学窓の長辺に交差する第1方向に延在するように各受光部を配置するとともに、当該第1方向に直交する方向に隣接するように各受光部を配置することによって、受光部と光学窓との相対位置がずれた場合であっても、各受光部に対して均等に光が当たるようにすることができる。
 図11は、図10のカラーセンサ100Aにおける各受光部の配置を説明するための図である。図11(a),(b)は、図9(a)と同様に、長辺がY軸方向に沿って形成された長方形形状の光学窓18Aに対して、短辺に沿った方向(X軸方向)に長辺を有する長方形形状に各受光部120が形成されている。また、図11(C)においては、図9(b)と同様に台形形状を有する光学窓18Bに対して、各受光部20が形成されている。
 図11(a)においては、Y軸の正方向から負方向に向かって、受光部120IR、受光部120B、受光部120G、受光部120R、受光部120BR、受光部120IR、受光部120B、受光部120G、受光部120R、および受光部120BRの順に受光部が配置されている。一方、図11(b),(c)においては、受光部120IR、受光部120B、受光部120G、受光部120R、受光部120BR、受光部120BR、受光部120R、受光部120G、受光部120B、および受光部120IRの順に受光部が配置されている。
 光学窓の幅が長辺方向に一定である場合には、各受光部の受光面積が等しくなるため、図11(a)の配置順および図11(b)の配置順のいずれであっても、各受光部に対して対象となる光が均等に当たるようにすることができる。一方、図11(c)のように、光学窓の幅が長辺方向にわたってテーパ状に変化する台形形状の場合には、上記のように各受光部をY軸方向に線対称となるように配置することで、各受光部に対して対象となる光が均等に当たるようにすることができる。
 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。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。
 10 スマートフォン、12 筐体、14 表示パネル、16 スピーカ、18 光学窓、50,210,220 端子、100,100A 光学センサ、110 電圧生成部、115,121 フィルタ、120 受光部、122 受光素子、130,130A 変換部、132 ADC、140 演算部、150 記憶部、200 半導体基板(p層)、250 n層。

Claims (9)

  1.  第1波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第1受光部と、
     第2波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第2受光部と、
     前記第1受光部の光電流から得られる出力信号と、前記第2受光部の光電流から得られる出力信号との差分とに基づいて、受光した光の強度を演算する演算部とを備える、光学センサ。
  2.  前記第1受光部および前記第2受光部は、長辺および短辺を含む略四角形形状に形成された光学窓を通過した光を受光し、
     前記第1受光部および前記第2受光部は、前記光学窓の長辺に交差する第1方向に延在するとともに、前記第1方向に直交する第2方向に隣接して配置される、請求項1に記載の光学センサ。
  3.  前記第1方向は、前記光学窓の長辺に直交する方向である、請求項2に記載の光学センサ。
  4.  前記第1受光部は、前記第1波長帯域の光を通過するように構成された第1フィルタと、受光した光の強度に対応した光電流を出力する第1受光素子とを含み、
     前記第2受光部は、前記第2波長帯域の光を通過するように構成された第2フィルタと、受光した光の強度に対応した光電流を出力する第2受光素子とを含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の光学センサ。
  5.  前記第1波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる他の第1受光部と、
     前記第2波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる他の第2受光部とをさらに備え、
     受光部は、前記第1受光部、前記第2受光部、前記他の第1受光部、前記他の第2受光部の順に配置される、請求項1に記載の光学センサ。
  6.  前記第1波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる他の第1受光部と、
     前記第2波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる他の第2受光部とをさらに備え、
     受光部は、前記第1受光部、前記第2受光部、前記他の第2受光部、前記他の第1受光部の順に配置される、請求項1に記載の光学センサ。
  7.  前記光学センサは、照度センサである、請求項1~6のいずれか1項に記載の光学センサ。
  8.  前記光学センサは、カラーセンサであり、
     第3波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第3受光部と、
     第4波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第4受光部と、
     第5波長帯域の光を受光することに応答して光電流が流れる第5受光部とをさらに備える、請求項1~4のいずれか1項に記載の光学センサ。
  9.  請求項1~8のいずれか1項に記載された光学センサと、
     前記光学センサを収容する筐体とを備えた、電子機器。
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