JP6631420B2

JP6631420B2 - 光センサ

Info

Publication number: JP6631420B2
Application number: JP2016127869A
Authority: JP
Inventors: 孝允大倉
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2036-06-28
Also published as: US20190101441A1; WO2018003343A1; JP2018004317A; US10663343B2; DE112017003242T5

Description

本発明は、光センサに関する。

従来より、複数の第１受光素子と、第１受光素子よりも受光面積が大きい１つの第２受光素子と、を備えた光センサ装置が、例えば特許文献１で提案されている。複数の第１受光素子は、第２受光素子の周囲に配置されていると共に、検出する光の仰角が互いに異なっている。第２受光素子は、様々な方向から入射する光を受光できるようになっている。

光センサ装置は、各第１受光素子の出力信号の強度を比較する。これにより、光センサ装置は、最も強い出力信号を出力している第１受光素子を特定し、特定した第１受光素子の受光面に入射する光の角度を特定する。また、光センサ装置は、第２受光素子の出力信号に基づいて光の照射量を算出する。このようにして、光センサ装置は、入射光の指向特性を把握することができる。

特開２０１２−１０３１２６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、第２受光素子で検出される光は、各第１受光素子の出力信号によって特定される一方向の光だけでなく、様々な角度の光が含まれている。このため、第２受光素子で検出される光の照射量は、任意の角度の照射量に依存してしまう。したがって、指向特性の検出精度が不足してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、指向特性の検出精度を確保することができる光センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、光センサは、受光した光の強度を検出信号として出力する複数の検出素子（２４〜３６）と、複数の検出素子に対する光の入射角度を規定する遮光部（３７）と、を有する検出部（２１）を備えている。

また、光センサは、基準となる指向特性の基準光が検出部に照射されたことにより検出部によって検出された光の強度の分布を示す基準分布を記憶した記憶部（６２）を備えている。

さらに、光センサは、複数の検出素子から検出信号を入力して受光した光の強度の検出分布を取得し、記憶部から基準分布を入力し、基準分布に対する検出分布の偏差を求め、偏差に基づいて受光した光の指向特性を取得する演算部（６３、６４）を備えている。

これによると、演算部によって基準分布と検出分布との偏差が算出されるので、検出分布に含まれる基準分布の割合分を抽出することができる。つまり、検出分布に含まれる不要光を除去することができる。したがって、指向特性の検出精度を確保することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る光センサの構成図である。ＩＣチップの平面図である。図３のIII−III断面図である。仰角及び方位角を示した図である。基準となる指向特性を示した図である。仰角Ａの基準分布の一例を示した図である。図６に示された基準分布の割合値を示した図である。検出分布の一例を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る光センサは、例えば車両に搭載されて車外から車内に入射する光を検出するために利用される。図１に示されるように、光センサ１０は、ＩＣチップ２０及びマイクロコンピュータ６０（以下、マイコン６０という）を備えている。

ＩＣチップ２０は、検出部２１及び通信部２２を備えている。検出部２１は、光を検出するセンシング部を構成している。図２及び図３に示されるように、検出部２１は、半導体基板２３、複数の検出素子２４〜３６、及び遮光部３７を備えている。

複数の検出素子２４〜３６は、光を検出する受光素子である。具体的に、各検出素子２４〜３６は、受光した光の強度を検出するフォトダイオードである。例えば、Ｎ型の半導体基板２３の一面３８側にＰ型のイオン注入領域が形成されていることで、フォトダイオードが構成されている。

各検出素子２４〜３６は図示しないアノード電極に接続され、半導体基板２３は図示しないカソード電極に接続されている。したがって、各検出素子２４〜３６は、受光した光の強度をアノード／カソード間の電圧として検出すると共に、当該電圧を検出信号として出力する。また、本実施形態では、１個の検出素子２４を中心に１２個の検出素子２５〜３６が十字状に配置されている。

遮光部３７は、各検出素子２４〜３６に対する光の入射角度を規定する。すなわち、遮光部３７は、特定の方向から受光した光の強度が互いに異なるように各検出素子２４〜３６の仰角特性を設定するものであると言える。図４に示されるように、仰角は、基準面すなわち半導体基板２３の一面３８に対する上下方向の角度である。また、方位角は、基準面において基準となる方位との間の角度である。

遮光部３７として、例えばＡｌやＣｒＳｉ等の金属膜が用いられる。また、遮光部３７は、半導体基板２３の一面３８に形成された層間膜３９の上に形成されている。層間膜３９は、例えば透明なＢＰＳＧ膜である。

図２に示されるように、遮光部３７は、各検出素子２４〜３６に対応した貫通孔４０〜５２を有している。そして、各貫通孔４０〜５２のうち、十字状に配置された各検出素子２４〜３６の中心に位置する検出素子２４に対応した貫通孔４０は、当該検出素子２４の真上に位置している。これにより、当該検出素子２４は、半導体基板２３の一面３８に垂直な方向である９０°から照射される光を選択的に受光する。つまり、検出素子２４は、半導体基板２３の一面３８に対する仰角が９０°の光を選択的に受光する。なお、図２では遮光部３７のうち貫通孔４０〜５２のみを示している。

また、各貫通孔４１〜４４は、検出素子２４の外側に位置する４個の検出素子２５〜２８に対し、半導体基板２３の一面３８に対する仰角が９０°よりも小さい角度の光を選択的に導く。各貫通孔４５〜４８は、４個の検出素子２５〜２８の外側に位置する４個の検出素子２９〜３２に対し、４個の検出素子２５〜２８に対する仰角よりも小さい角度の光を選択的に導く。さらに、各貫通孔４９〜５２は、４個の検出素子２９〜３２の外側に位置する４個の検出素子３３〜３６に対し、４個の検出素子２９〜３２に対する仰角よりも小さい角度の光を選択的に導く。

これにより、各検出素子２４〜３６は、半導体基板２３の一面３８に対する所定の仰角の光を選択的に受光可能になっている。上記のように遮光部３７に各貫通孔４０〜５２が設けられていることで、各検出素子２４〜３６は互いに異なる方向からの光を受光する。

図１に示された通信部２２は、検出部２１から出力された各検出素子２４〜３６の検出信号をマイコン６０に出力する回路部である。通信部２２は、半導体基板２３に形成されている。

マイコン６０は、ＩＣチップ２０の検出部２１から通信部２２を介して検出信号を入力し、検出信号に対して信号処理を行う演算装置である。図１に示されるように、マイコン６０は、通信部６１、記憶部６２、判定部６３、及び演算部６４を備えている。

通信部６１は、マイコン６０がＩＣチップ２０と通信を行うための回路部である。通信部６１はＩＣチップ２０の通信部２２に対して検出信号を要求する指令信号を出力する。また、通信部６１はＩＣチップ２０から入力した検出信号を判定部６３に出力する。

記憶部６２は、信号処理のためのプログラム、基準分布、補正係数等のデータを記憶している。記憶部６２は、いわゆるメモリである。基準分布は、基準となる指向特性の基準光が検出部２１に照射されたことにより検出部２１によって検出された光の強度の分布である。補正係数は、検出部２１への光の入射方向に応じて基準分布に含まれる不要な光を除去するためのパラメータである。

判定部６３は、通信部６１から検出信号を入力して検出部２１が受光した光の強度の検出分布を取得する機能、検出分布に基づいて光の入射方向を把握する機能、及び、光の入射方向に対応する補正係数を記憶部６２から入力する機能を有している。検出分布は、各検出素子２４〜３６によって実際に検出された光の強度の分布である。また、判定部６３は、記憶部６２から基準分布を取得する機能も有している。

演算部６４は、判定部６３から基準分布、補正係数、及び検出分布を入力し、これらを用いて検出部２１が受光した光の指向特性を取得する。指向特性とは、検出部２１に対して光がどの方向から入射すると共にどれくらいの光の照射量があるのかを示す特性である。

ＩＣチップ２０及びマイコン６０は図示しない回路基板に実装されている。回路基板には、ＩＣチップ２０及びマイコン６０以外の電子部品も実装されている。そして、光センサ１０は、回路基板を収容する筐体や、他の装置と電気的接続を行うための端子等を備えている。以上が、光センサ１０の構成である。

次に、基準分布の取得方法について説明する。基準分布は、光センサ１０が製造される際に記憶部６２に記憶されるが、基準分布のデータは予め測定によって取得されている。

基準分布は、次のように測定される。まず、図４に示されるように、基準光を発する基準光源１００が用意される。そして、この基準光源１００に対し、基準となる指向特性の光が検出部２１に入射するように、検出部２１が配置される。すなわち、基準光の照射方向に対する半導体基板２３の一面３８の向き及び傾斜角度が固定される。つまり、仰角が調整される。例えば、図５に示されるように、基準となる指向特性は、検出部２１に対して仰角Ａの角度で入射した光の相対感度が最も高くなる。

この後、基準光源１００から基準光が発せられる。また、基準分布を測定するための計測装置によって検出部２１の各検出素子２４〜３６によって光の強度が取得される。この光の強度の分布が基準分布となる。

例えば、仰角Ａの基準となる指向特性における基準分布は図６に示される分布となる。図６の（ａ１）は検出素子３０、（ａ２）は検出素子２６、（ａ３）は検出素子２４、（ａ４）は検出素子２８、（ａ５）は検出素子３２、（ａ６）は検出素子２９、（ａ７）は検出素子２５、（ａ８）は検出素子２７、（ａ９）は検出素子３１の検出値に対応している。仰角Ａの基準となる指向特性では、（ａ６）の値が最も高くなる。

そして、図７に示されるように、図６のうち最も数値が大きい（ａ６）の値を基準として他の値の割合が算出される。図７に示された基準分布のデータが、マイコン６０の記憶部６２に記憶される。なお、基準分布のデータを測定値とするかまたは割合値とするかはどちらでも構わない。本実施形態では、図７の割合値が光センサ１０の製造時に記憶部６２に記憶される。

続いて、補正係数の取得方法について説明する。図５に示されるように、仰角Ａにおける光の相対感度が最も高くなるが、仰角Ａ以外の角度の光も検出部２１に入射する。このような光は検出には不要な光である。

不要光は、自然光に含まれる拡散光等の光である。不要光が入射する割合は、検出部２１に対する照射角度や照射範囲に応じて変化する。したがって、補正係数は、検出部２１に対する照射角度や照射範囲に応じて、基準分布から不要光を除去するための割合である。

補正係数を取得するため、検出部２１に対して照射角度や照射範囲が異なる様々な光が照射される。そして、検出部２１によって取得された検出値に不要光が含まれる割合が取得される。例えば、図２に示された検出部２１に対して紙面右上から所定の範囲に光が入射したときに、基準分布に不要光が含まれる割合は何％である、となる。

補正係数は、図７に示された基準分布のうち１００％に対応する値に対して設定される。また、補正係数のデータは、検出部２１に対する照射角度や照射範囲に応じてマップ化される。そして、マップ化された補正係数が、光センサ１０の製造時に記憶部６２に記憶される。

次に、光センサ１０の作動について説明する。まず、検出部２１は、光の分布を検出する。例えば、図８に示されるように、（ｂ１）〜（ｂ９）の値が検出される。なお、図８の（ｂ１）〜（ｂ９）は、図２の（ａ１）〜（ａ９）に対応している。

判定部６３は、通信部２２、６１を介して検出部２１の各検出素子２４〜３６から入力した検出信号に基づいて光の強度の検出分布を取得する。また、判定部６３は、検出分布に基づいて検出部２１に対する光の入射方向を大まかに把握する。

また、判定部６３は、把握した光の入射方向に対応する補正係数を記憶部６２から取得する。さらに、判定部６３は、記憶部６２から基準分布を取得する。そして、判定部６３は、基準分布、補正係数、及び検出分布を演算部６４に出力する。

演算部６４は、補正係数によって基準分布を補正した後に、補正後の基準分布に対する検出分布の偏差を求める。まず、演算部６４は、補正係数によって基準分布を補正する。例えば、図２に示された基準分布の（ａ６）に着目する。上述のように、（ａ６）は１００％とされている。図８の実測値では、（ａ６）に対応する（ｂ６）は２００である。

しかしながら、実測値の「２００」の中には不要光が含まれるので、この「２００」は基準分布の「１００％」に対応するとはいえない。したがって、演算部６４は補正係数によって「１００％」を補正する。言い換えると、演算部６４は、「２００」のどれくらいを１００％とするのかを演算する。補正係数を例えばＢとすると、補正後の値は２００×Ｂとなる。これにより、「２００」の中に含まれる不要光が補正係数によって除去される。そして、２００×Ｂが（ａ６）の補正後の１００％となる。

同様に、図７に示された（ａ６）以外の値についても補正される。例えば、（ａ７）は２００×Ｂ×０．９０となり、（ａ３）は２００×Ｂ×０．５０となる。

続いて、演算部６４は、補正後の基準分布に対する検出分布の偏差を求める。偏差を具体的に言うと、図８に示された検出分布の中から基準分布に対応する割合分を抽出し、さらに不要光を除去する、ということである。言い換えると、検出分布から基準分布以外の光を除去する、ということである。

したがって、演算部６４は、図８に示された実測値と補正後の基準分布の値との掛け算を演算する。例えば、（ａ６）は２００×Ｂ×１．００×２００であり、（ａ７）は２００×Ｂ×０．９０×２５０である。そして、演算部６４は、検出分布の全ての値を演算する。また、演算部６４は、演算後の値の総和を取る。この総和が光の照度となる。このようにして、演算部６４は、基準分布と検出分布との偏差に基づいて受光した光の指向特性を取得する。

なお、演算部６４は、検出分布に基づいて、光の入射方向を特定する。これにより、演算部６４は、光の入射方向及び照度情報の両方を取得することができる。

以上説明したように、本実施形態では、演算部６４が基準分布と検出分布との偏差を算出している。すなわち、演算部６４は、検出分布に含まれる不要光を除去する演算を行っている。このため、様々な方向の光が含まれる検出分布から基準分布の割合分を精度良く抽出することができる。したがって、検出部２１が受光した光の指向特性の検出精度を確保することができる。

また、本実施形態では補正係数によって基準分布を補正しているので、検出分布に含まれる不要光を確実に除外することができる。したがって、指向特性の検出精度を向上させることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、判定部６３及び演算部６４が特許請求の範囲の「演算部」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、記憶部６２は、複数の基準となる指向特性の基準光毎に基準分布を複数記憶している。例えば、記憶部６２は、上記の仰角Ａの基準となる指向特性に対応した基準分布の他に、他の仰角の基準となる指向特性に対応した基準分布を記憶している。また、記憶部６２は、検出部２１への光の入射方向に応じて基準分布に含まれる不要な光を除去するための補正係数を複数の基準分布毎に記憶している。

そして、判定部６３は、外部装置の要求に応じて、複数の基準分布のうち検出部２１が検出すべき指向特性に応じた基準分布及び当該基準分布に対応した補正係数を記憶部６２から入力する。また、演算部６４は、判定部６３から入力した基準分布を補正係数によって補正した後に、上述の偏差を求める。これにより、光センサ１０は、複数の利用態様に対応することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、演算部６４が、補正係数によって基準分布を補正する機能を有していたが、本実施形態では、記憶部６２には補正係数が記憶されていない。したがって、判定部６３は、通信部２２、６１を介して検出信号を入力して検出部２１が受光した光の強度の検出分布を取得する機能と、記憶部６２から基準分布を取得する機能を有する。

また、演算部６４は、判定部６３から基準分布及び検出分布を入力し、基準分布に対する検出分布の偏差を求め、偏差に基づいて受光した光の指向特性を取得する。このように、補正係数を用いずに、検出分布から基準分布の割合分を抽出することにより、指向特性を取得しても良い。

変形例として、判定部６３による光の入射方向の把握や、補正係数の読み出しは不要であるので、光センサ１０は、判定部６３を備えていなくても良い。すなわち、演算部６４が検出分布及び基準分布を取得する機能を有していれば良い。

（第４実施形態）
本実施形態では、第３実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、記憶部６２は、複数の基準となる指向特性の基準光毎に基準分布を複数記憶している。例えば、記憶部６２は、上記の仰角Ａの基準となる指向特性に対応した基準分布の他に、他の仰角の基準となる指向特性に対応した基準分布を記憶している。

そして、判定部６３は、外部装置の要求に応じて、複数の基準分布のうち検出部２１が検出すべき指向特性に応じた基準分布を記憶部６２から入力する。演算部６４は、判定部６３から入力した基準分布を用いて、上述の偏差を求める。これにより、光センサ１０は、複数の利用態様に対応することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された光センサ１０の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、第１、第２実施形態では、判定部６３と演算部６４とが一体化されていても良い。

また、図２に示された各検出素子２４〜３６の数や配置は一例であり、他の数や配置でも構わない。照度分布が把握できれば良いので、各検出素子２４〜３６は十字状に対称に配置されている場合に限られない。例えば、図２に示された十字状の各検出素子２４〜３６が検出素子２４を中心に時計回りあるいは反時計回りに４５度回転した斜めに配置されていても良い。もちろん、４５度の回転角度は一例であり、検出素子２４〜３６をどのように配置するかは検出素子２４〜３６の数やサイズに応じて適宜設定すれば良い。

２１検出部
２４〜３６検出素子
３７遮光部
６１記憶部
６２判定部
６３演算部

Claims

受光した光の強度を検出信号として出力する複数の検出素子（２４〜３６）と、前記複数の検出素子に対する光の入射角度を規定する遮光部（３７）と、を有する検出部（２１）と、
基準となる指向特性の基準光が前記検出部に照射されたことにより前記検出部によって検出された光の強度の分布を示す基準分布を記憶した記憶部（６２）と、
前記複数の検出素子から前記検出信号を入力して前記受光した光の強度の検出分布を取得し、前記記憶部から前記基準分布を入力し、前記基準分布に対する前記検出分布の偏差を求め、前記偏差に基づいて前記受光した光の指向特性を取得する演算部（６３、６４）と、
を備えている光センサ。
前記記憶部は、前記検出部への光の入射方向に応じて前記基準分布に含まれる不要な光を除去するための補正係数を記憶し、
前記演算部は、前記検出分布に基づいて前記入射方向を把握すると共に、前記記憶部から前記入射方向に対応する前記補正係数を入力し、前記補正係数によって前記基準分布を補正した後に、前記偏差を求める請求項１に記載の光センサ。
前記記憶部は、複数の基準となる指向特性の基準光毎に前記基準分布を複数記憶しており、
前記演算部は、前記複数の基準分布のうち前記検出部が検出すべき指向特性に応じた基準分布を前記記憶部から入力して前記偏差を求める請求項１に記載の光センサ。
前記記憶部は、複数の基準となる指向特性の基準光毎に前記基準分布を複数記憶すると共に、前記検出部への光の入射方向に応じて前記基準分布に含まれる不要な光を除去するための補正係数を前記複数の基準分布毎に記憶しており、
前記演算部は、前記検出分布から前記入射方向を把握すると共に、前記複数の基準分布のうち前記検出部が検出すべき指向特性に応じた基準分布及び当該基準分布に対応した補正係数を前記記憶部から入力し、当該補正係数によって前記基準分布を補正した後に、前記偏差を求める請求項１に記載の光センサ。