(57)【要約】  入射光のスポットサイズを検出するための光電変換素子を提供する。光電変換素子２０は、２つの主面を備える光電変換基板を含む光電変換素子において、分離された第１感度部分２１と第２感度部分２２とを含み、第１感度部分２１の主面に現れる感度領域を第１感度領域とし、第２感度部分２２の主面に現れる感度領域を第２感度領域とすると、第１感度領域は、受光面に入射する入射光の少なくとも一部を受光し、主面における入射光の照射される照射領域Ｒの増大につれて、照射領域Ｒにおける第２感度領域に対する第１感度領域の比率を小さくするパターンになっている。
2019053959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの主面を備える光電変換基板を含む光電変換素子において、
分離された第１感度部分と第２感度部分とを含み、
前記第１感度部分の前記主面に現れる感度領域を第１感度領域とし、前記第２感度部分の前記主面に現れる感度領域を第２感度領域とすると、前記第１感度領域は、
前記主面に入射する入射光の少なくとも一部を受光し、
前記主面における入射光の照射される照射領域の増大につれて、前記照射領域における前記第２感度領域に対する前記第１感度領域の比率を小さくするパターンになっている、
光電変換素子。
【請求項２】
前記第１感度領域は、前記主面において放射状に延在する少なくとも２本以上の帯状のパターンを形成する、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記第１感度領域は、直交する２本の帯状のパターンを形成する、請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記第１感度領域は、前記主面において１本の帯状のパターンを形成する、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記帯状のパターンの幅は一定である、請求項２〜４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記帯状のパターンの幅は、前記主面の中心から周辺に向かって広くなる、請求項２〜４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記第１感度部分から電流を出力する複数の第１電極と、
前記第２感度部分から電流を出力する複数の第２電極と、
を備え、
前記複数の第１電極および前記複数の第２電極は、周辺部に分離して配置される、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記光電変換基板は、単結晶シリコン材料を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記光電変換基板の一方の前記主面側に形成された第１導電型半導体層と、
前記光電変換基板の他方の前記主面側に形成された第２導電型半導体層と、
を備える、請求項８に記載の光電変換素子。
【請求項１０】
前記光電変換基板の前記の両主面側の少なくとも一方において、前記第１感度領域に形成された前記第１導電型半導体層または前記第２導電型半導体層と、前記第２感度領域に形成された前記第１導電型半導体層または前記第２導電型半導体層とは、分離されている、
請求項９に記載の光電変換素子。
【請求項１１】
前記主面のうち、受光する側の前記主面である受光面側に順に形成されたパッシベーション層、前記第１導電型半導体層および透明電極層は、前記第１感度領域と前記第２感度領域との間において連続しており、
前記受光面の反対側の前記主面である裏面側に順に形成されたパッシベーション層、前記第２導電型半導体層および透明電極層は、前記第１感度領域と前記第２感度領域との間において分離されている、
請求項１０に記載の光電変換素子。
【請求項１２】
前記主面のうち、受光する側の前記主面である受光面側に順に形成されたパッシベーション層、前記第１導電型半導体層および透明電極層は、前記第１感度領域と前記第２感度領域との間において分離されており、
前記受光面の反対側の前記主面である裏面側に順に形成されたパッシベーション層、前記第２導電型半導体層および透明電極層は、前記第１感度領域と前記第２感度領域との間において連続している、
請求項１０に記載の光電変換素子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光電変換素子を含む、光電変換装置。
【請求項１４】
前記光電変換素子における前記第１感度部分の出力電流および前記第２感度部分の出力電流に基づいて、前記光電変換素子における入射光のスポットサイズを演算する演算部を更に含む、請求項１３に記載の光電変換装置。
【請求項１５】
入射光の上流側に配置された光学レンズを更に含み、
前記光電変換素子は、前記入射光の下流側に配置される、
請求項１３または１４に記載の光電変換装置。
【請求項１６】
前記光電変換素子における前記第２感度部分の複数の第２電極の出力電流の差分に基づいて、前記複数の第２電極の出力電流の差分を低減し、前記光電変換素子の主面における入射光の照射領域の中心を前記第１感度部分に近づけるように、入射光を発する光源を追尾する光源追尾機構を更に含む、
請求項１５に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出分野等において用いられる光電変換素子および光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、入射光の強度（照度）を検出する光電変換素子（半導体受光素子）が開示されている。このような光電変換素子として、例えば、結晶シリコン基板を用いた素子が知られている。結晶シリコン基板を用いた光電変換素子では、暗電流が比較的に小さく、入射光の強度が低い場合であってもＳ／Ｎ比が比較的に高く、高感度（照度によらず安定した応答）である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６０９３０６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、入射光のスポットサイズが検出できる光電変換素子が要望されている。【０００５】
本発明は、入射光のスポットサイズを検出するための光電変換素子および光電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光電変換素子は、２つの主面を備える光電変換基板を含む光電変換素子において、分離された第１感度部分と第２感度部分とを含み、第１感度部分の主面に現れる感度領域を第１感度領域とし、第２感度部分の主面に現れる感度領域を第２感度領域とすると、第１感度領域は、主面に入射する入射光の少なくとも一部を受光し、主面における入射光の照射される照射領域の増大につれて、照射領域における第２感度領域に対する第１感度領域の比率を小さくするパターンになっている。【０００７】
本発明に係る光電変換装置は、入射光の上流側に配置された光学レンズと、入射光の下流側に配置され、上記した光電変換素子とを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、入射光のスポットサイズを検出するための光電変換素子および光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る光電変換装置の構成を示す図である。
【図２】図１の光電変換素子におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１および図２の光電変換素子を受光面側から示す図である。
【図４】図３の光電変換素子に入射光が入射した様子を示す図である。
【図５】光電変換素子の受光面における入射光の照射領域と第１感度部分との重なりの近似計算を説明するための図である。
【図６Ａ】光電変換素子による、入射光の照射領域の半径に対する入射光の検出強度の特性の一例を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａにおける入射光の照射領域の中心位置のずれ量が（０．０５，０．０５）であるときの特性の部分を拡大して示す図である。
【図７Ａ】受光面の中心位置に対する入射光の照射領域の中心位置のずれ量（ｄｍｉｎ，ｄｍａｘ）を示す図である。
【図７Ｂ】受光面のＸ方向の中心位置に対する入射光の照射領域の中心位置のＸ方向のずれ量ｄｍａｘを示す図である。
【図８】光源からの入射光の焦点が光電変換素子の受光面に合っている状態（横軸０ｍｍ）から、光源を光電変換素子から遠ざけたときの、光電変換素子による入射光の検出強度（相対値）の一例を示す図である。
【図９Ａ】光電変換素子の第１感度部分の第１感度領域のパターンの変形例を示す図である。
【図９Ｂ】光電変換素子の第１感度部分の第１感度領域のパターンの変形例を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係る３次元センサの構成を示す図である。
【図１１Ａ】第２実施形態の変形例１に係る３次元センサ２の構成を示す図である（光源追尾前）。
【図１１Ｂ】第２実施形態の変形例１に係る３次元センサ２の構成を示す図である（光源追尾後）。
【図１２Ａ】第２実施形態の変形例２に係る３次元センサ２の構成を示す図である（光源追尾前）。
【図１２Ｂ】第２実施形態の変形例２に係る３次元センサ２の構成を示す図である（光源追尾後）。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一または相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。また、便宜上、ハッチングおよび部材符号等を省略する場合もあるが、かかる場合、他の図面を参照するものとする。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光電変換装置の構成を示す図である。図１に示す光電変換装置１は、入射光の強度のみならず、入射光のスポットサイズを検出する。光電変換装置１は、光電変換素子２０と、記憶部３０と、演算部４０とを含む。
【００１２】
なお、図１および後述する図面には、ＸＹＺ直交座標系を示す。ＸＹ平面は光電変換素子２０の受光面に平行な面であり、Ｚ方向はＸＹ平面に対して直交な方向である。
【００１３】
また、図１および後述する図面のうち、平面図における２本の一点鎖線の交点は、ＸＹ平面の中心を示し、一方の一点鎖線はＸ方向、他方の一点鎖線はＹ方向に平行となっている。また、平面図における２本の点線の交点は、ＸＹ平面における入射光のスポットサイズの中心を示し、一方の点線はＸ方向、他方の点線はＹ方向に平行となっている。
【００１４】
光電変換素子２０は、第１感度部分２１（詳細は後述する）に入射する入射光の強度に応じた電流を生成する。光電変換素子２０は、第１感度部分２１で生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心位置（座標）（以下、ＸＹ位置ともいう。）に応じて、４辺に配置された４つの電極層２２３（および、後述する裏面側の電極層２３３）に分配して出力する。
また、光電変換素子２０は、第２感度部分２２（詳細は後述する）に入射する入射光の強度に応じた電流を生成する。光電変換素子２０は、第１感度部分２１で生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心位置（座標）（以下、ＸＹ位置ともいう。）に応じて、４角に配置された４つの電極層２２４（および、後述する裏面側の電極層２３４）に分配して出力する。
【００１５】
これにより、光電変換素子２０は、第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３の電流および第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４の電流の総和として、入射光の強度（総量）に応じた電流を生成する。
また、光電変換素子２０は、第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４の各々に、受光面における入射光のＸＹ位置（座標）に応じた電流を生成する。また、光電変換素子２０は、第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３の各々に、受光面における入射光のＸＹ位置（座標）に応じた電流を生成する。
また、光電変換素子２０は、第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３の電流の総和として、入射光の密度に応じた電流、換言すれば入射光のスポットサイズに応じた電流を生成する。光電変換素子２０の構成の詳細は後述する。
【００１６】
記憶部３０は、光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）ごとに、光電変換素子２０の第１感度部分２１および第２感度部分２２の出力電流（総量）（すなわち、光電変換素子２０の入射光の強度（総量））、および、光電変換素子２０の第１感度部分２１の出力電流（総量）（すなわち、光電変換素子２０の第１感度部分２１への入射光の強度）と、光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズとを対応付けたテーブルを予め記憶する。記憶部３０は、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリである。
【００１７】
演算部４０は、光電変換素子２０の第１感度部分２１の４つの電極層２２３（２３３）から出力された電流、および、光電変換素子２０の第２感度部分２２の４つの電極層２２４（２３４）から出力された電流の総量に応じて、入射光の強度（総量）を演算して検出する。
【００１８】
また、演算部４０は、光電変換素子２０の第２感度部分２２の４つの電極層２２４（２３４）各々から出力された電流の割合に基づいて、光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）を演算して検出する。なお、演算部４０は、光電変換素子２０の第１感度部分２１の４つの電極層２２３（２３３）各々から出力された電流の割合に基づいて、光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）を演算して検出してもよい。
【００１９】
また、演算部４０は、記憶部３０に記憶されたテーブルを参照して、光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）において、光電変換素子２０の８つの電極層２２３（２３３），２２４（２３４）から出力された電流の総量（すなわち、光電変換素子２０の入射光の強度（総量））、および、光電変換素子２０の４つの電極層２２３（２３３）から出力された電流の総量（すなわち、光電変換素子２０の第１感度部分２１への入射光の強度）に対応した、光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズを求めて検出する。
【００２０】
演算部４０は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の演算プロセッサで構成される。演算部４０の各種機能は、例えば記憶部３０に格納された所定のソフトウェア（プログラム、アプリケーション）を実行することで実現される。演算部４０の各種機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。
以下、光電変換素子２０の構成について詳細に説明する。
【００２１】
＜光電変換素子＞
図２は、図１の光電変換素子２０におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。光電変換素子２０は、２つの主面を備えるｎ型（第２導電型）半導体基板（光電変換基板）２１０と、半導体基板２１０の主面のうちの受光する側の一方の主面である受光面側に順に積層されたパッシベーション層２２０、ｐ型（第１導電型）半導体層２２１、透明電極層２２２，電極層（第１電極）２２３および電極層（第２電極）２２４を備える。また、光電変換素子２０は、半導体基板２１０の主面のうちの受光面の反対側の他方の主面である裏面側の第１特定領域および第２特定領域に順に積層されたパッシベーション層２３０、ｎ型（第２導電型）半導体層２３１、透明電極層２３２、電極層（第１電極）２３３および電極層（第２電極）２３４を備える。
【００２２】
なお、この第１特定領域における積層部分、すなわち、透明電極層２３２、ｎ型半導体層２３１、パッシベーション層２３０、半導体基板２１０、パッシベーション層２２０、ｐ型半導体層２２１、および透明電極層２２２で形成される積層部分を第１感度部分２１とする。また、第２特定領域における積層部分、すなわち、透明電極層２３２、ｎ型半導体層２３１、パッシベーション層２３０、半導体基板２１０、パッシベーション層２２０、ｐ型半導体層２２１、および透明電極層２２２で形成される積層部分を第２感度部分２２とする。
【００２３】
半導体基板（光電変換基板）２１０は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン等の結晶シリコン材料で形成される。半導体基板２１０は、例えば結晶シリコン材料にｎ型ドーパントがドープされたｎ型の半導体基板である。ｎ型ドーパントとしては、例えばリン（Ｐ）が挙げられる。
半導体基板２１０の材料として結晶シリコンが用いられることにより、暗電流が比較的に小さく、入射光の強度が低い場合であってもＳ／Ｎ比が比較的に高く、高感度（照度によらず安定した応答）である。
【００２４】
パッシベーション層２２０は、半導体基板２１０の受光面側の全面に連続的に形成されている。一方、パッシベーション層２３０は、半導体基板２１０の裏面側における第１感度部分２１と第２感度部分２２とに分離して形成されている。パッシベーション層２２０，２３０は、例えば真性（ｉ型）アモルファスシリコン材料で形成される。
パッシベーション層２２０，２３０は、半導体基板２１０の第１感度部分２１および第２感度部分２２で生成されたキャリアの再結合を抑制し、キャリアの回収効率を高める。
【００２５】
ｐ型半導体層２２１は、パッシベーション層２２０上、すなわち半導体基板２１０の受光面側の全面に連続的に形成されている。ｐ型半導体層２２１は、例えばアモルファスシリコン材料で形成される。ｐ型半導体層２２１は、例えばアモルファスシリコン材料にｐ型ドーパントがドープされたｐ型の半導体層である。ｐ型ドーパントとしては、例えばホウ素（Ｂ）が挙げられる。
【００２６】
ｎ型半導体層２３１は、パッシベーション層２３０上、すなわち半導体基板２１０の裏面側における第１感度部分２１と第２感度部分２２とに分離して形成されている。ｎ型半導体層２３１は、例えばアモルファスシリコン材料で形成される。ｎ型半導体層２３１は、例えばアモルファスシリコン材料にｎ型ドーパント（例えば、上述したリン（Ｐ））がドープされたｎ型半導体層である。
上述したパッシベーション層２２０，２３０、ｐ型半導体層２２１およびｎ型半導体層２３１は、例えばＣＶＤ法を用いて形成される。
【００２７】
透明電極層２２２は、ｐ型半導体層２２１上、すなわち半導体基板２１０の受光面側の全面に連続的に形成されている。一方、透明電極層２３２は、ｎ型半導体層２３１上、すなわち半導体基板２１０の裏面側における第１感度部分２１と第２感度部分２２とに分離して形成されている。透明電極層２２２，２３２は、透明な導電性材料で形成される。透明導電性材料としては、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウムおよび酸化スズの複合酸化物）等が挙げられる。透明電極層２２２，２３２は、例えばスパッタリング法を用いて形成される。
【００２８】
電極層２２３は、透明電極層２２２上、すなわち半導体基板２１０の受光面側における第１感度部分２１の４辺部の各々に４つ独立して形成されており、電極層２３３は、透明電極層２３２上、すなわち半導体基板２１０の裏面側における第１感度部分２１の４辺部の各々に４つ独立して形成されている。電極層２２４は、透明電極層２２２上、すなわち半導体基板２１０の受光面側における第２感度部分２２の４角部の各々に４つ独立して形成されており、電極層２３４は、透明電極層２３２上、すなわち半導体基板２１０の裏面側における第２感度部分２２の４角部の各々に４つ独立して形成されている。電極層２２３，２３３，２２４，２３４は、銀等の金属粉末を含有する導電性ペースト材料で形成される。電極層２２３，２３３，２２４，２３４は、例えば印刷法を用いて形成される。
【００２９】
図３は、図１および図２の光電変換素子２０の半導体基板２１０の裏面側の層２３０，２３１，２３２を、受光面側から示す図である。図２および図３に示すように、光電変換素子２０は、第１感度部分２１と第２感度部分２２とを有する。第１感度部分２１における半導体基板２１０の両主面（受光面及び裏面）に現れる感度領域は第１感度領域であり、第２感度部分２２における半導体基板２１０の両主面に現れる感度領域は第２感度領域である。
【００３０】
図２及び図３に示すように、半導体基板２１０の裏面側に形成されたパッシベーション層２３０、ｎ型半導体層２３１および透明電極層２３２は、第１感度部分２１と第２感度部分２２との間において分離されている。
一方、半導体基板２１０の受光面側に形成されたパッシベーション層２２０、ｐ型半導体層２２１および透明電極層２２２は、第１感度部分２１と第２感度部分２２との間において連続している。すなわち、半導体基板２１０の受光面側の全面に、パッシベーション層２２０、ｐ型半導体層２２１および透明電極層２２２が形成されている。これにより、受光面側において光学特性（例えば、反射特性）が一様となる。
【００３１】
第１感度部分２１の光電変換特性（感度）と第２感度部分２２の光電変換特性（感度）とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００３２】
第１感度部分２１の裏面側の第１感度領域は、受光面の中心からＸ方向およびＹ方向に放射状に延在し、互いに直交する帯状のパターンを形成する。第１感度部分２１の第１感度領域の帯状のパターンの幅は一定である。これにより、図４に示すように、受光面における入射光の照射される照射領域Ｒの増大につれて（すなわち、入射光の密度が低くなるにつれて）、照射領域Ｒにおける第２感度部分２２（第２感度領域）に対する第１感度部分２１（第２感度領域）の比率が小さくなる。そのため、受光面における入射光のスポットサイズが大きくなるにつれて、第１感度部分２１の出力電流が低下する。
【００３３】
＜テーブル＞
次に、記憶部３０に記憶されるテーブルの作成方法の一例について説明する。テーブルは、予め実測して作成されてもよいし、以下のように、近似計算を用いて作成されてもよい。
【００３４】
図５は、光電変換素子２０の受光面における入射光の照射領域Ｒと第１感度部分２１（第１感度領域）との重なりの近似計算を説明するための図である。図５に示すように、光電変換素子２０の受光面の中心位置に対する入射光の照射領域Ｒの中心位置のずれ量を（ｘ，ｙ）とし、入射光の照射領域Ｒの半径をｒとし、第１感度部分２１（第１感度領域）の帯状のパターンの幅をｗとし、ｒ≫ｗとすると、照射光の照射領域Ｒと、第１感度部分２１（第１感度領域）のＸ方向に延在する部分との重なりは、次式により求められる。
２×ｗ×√（ｒ２−ｙ２）
また、照射光の照射領域Ｒと、第１感度部分２１（第１感度領域）のＹ方向に延在する部分との重なりは、次式により求められる。
２×ｗ×√（ｒ２−ｘ２）
これにより、入射光の照射領域Ｒと第１感度部分２１（第１感度領域）との重なりは、次式により求められる。
２×ｗ×√（ｒ２−ｙ２）＋２×ｗ×√（ｒ２−ｘ２）−ｗ２
この近似計算を用いて、テーブルを作成してもよい。
【００３５】
図６Ａは、光電変換素子２０による、入射光の照射領域Ｒの半径に対する入射光の検出強度の特性の一例を示す図である。図６Ａには、受光面の中心位置に対する入射光の照射領域Ｒの中心位置のずれ量（ｘ［ｃｍ］，ｙ［ｃｍ］）が（０，０）、（０．０１，０．０１）、（０．０２，０．０２）、（０．０３，０．０３）、（０．０４，０．０４）、（０．０５，０．０５）のときの特性が示されている。図６Ｂは、図６Ａにおける入射光の照射領域Ｒの中心位置のずれ量（ｘ［ｃｍ］，ｙ［ｃｍ］）が（０．０５，０．０５）であるときの特性の部分（二点鎖線で囲った部分）を拡大して示す図である。
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ｒ≫ｗでない場合、入射光の照射領域Ｒの中心位置（スポット中心座標）によっては、入射光の検出強度が極大値を有する。つまり、１つの検出強度に対して二重の解（半径）が生じる。
【００３６】
そこで、図７Ａに示すように、受光面の中心位置に対する入射光の照射領域Ｒの中心位置のずれ量（ｘ，ｙ）が（ｄｍｉｎ，ｄｍａｘ）のとき、ｄｍｉｎとｄｍａｘのいずれか大きい方ｄｍａｘに基づいて、入射光の照射領域Ｒの半径ｒが下記式を満たすように調整されてもよい。例えば、光電変換素子２０の配置、または、光電変換装置１と組み合わせて用いられる光学レンズの種類（曲率）を調整してもよい。
ｒ＞ｄｍａｘ×√（２）
例えば、図６Ｂに示すように、受光面の中心位置に対する入射光の照射領域Ｒの中心位置のずれ量ｄｍａｘ＝０．０５ｃｍの場合、入射光の照射領域Ｒの半径ｒ＝０．７１ｃｍ以上となるように調整される。
【００３７】
なお、図７Ｂに示すように、光電変換素子２０の第１感度部分２１（第１感度領域）が、受光面の中心を通り、Ｙ方向に延在する１本の帯状のパターンで形成されている場合（図９Ａにおいて後述する。）、上記式におけるｄｍａｘは、受光面のＸ方向の中心位置に対する入射光の照射領域Ｒの中心位置のＸ方向のずれ量であればよい。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の光電変換装置１では、光電変換素子２０は、第１感度部分２１に入射する入射光の強度に応じた電流を生成する。光電変換素子２０は、生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心のＸＹ位置（座標）に応じて、４辺に配置された４対の電極層２２３，２３３に分配して出力する。
また、光電変換素子２０は、第２感度部分２２に入射する入射光の強度に応じた電流を生成する。光電変換素子２０は、生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心のＸＹ位置（座標）に応じて、４角に配置された４対の電極層２２４，２３４に分配して出力する。
【００３９】
これにより、光電変換素子２０は、第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３の電流および第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４の電流の総和として、入射光の強度（総量）に応じた電流を生成する。
また、光電変換素子２０は、第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４の各々に、受光面における入射光のＸＹ位置（座標）に応じた電流を生成する。また、光電変換素子２０は、第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３の各々に、受光面における入射光のＸＹ位置（座標）に応じた電流を生成する。
また、光電変換素子２０は、第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３の電流の総和として、入射光の密度に応じた電流、換言すれば入射光のスポットサイズに応じた電流を生成する。
【００４０】
演算部４０は、光電変換素子２０の第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３から出力された電流、および、光電変換素子２０の第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４から出力された電流の総量に応じて、入射光の強度（総量）を演算して検出する。
【００４１】
また、演算部４０は、光電変換素子２０の第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４各々から出力された電流の割合（または、光電変換素子２０の第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３各々から出力された電流の割合）に基づいて、光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）を演算して検出する。
【００４２】
また、演算部４０は、記憶部３０に記憶されたテーブルを参照して、光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）において、光電変換素子２０の８対の電極層２２３，２３３，２２４，２３４から出力された電流の総量（すなわち、光電変換素子２０の入射光の強度（総量））、および、光電変換素子２０の４対の電極層２２３，２３３から出力された電流の総量（すなわち、光電変換素子２０の第１感度部分２１への入射光の強度）に対応した、光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズを求めて検出する。
【００４３】
図８は、光源からの入射光（波長９４０ｎｍ）の焦点が光電変換素子２０の受光面に合っている状態（横軸０ｍｍ）から、光源を光電変換素子２０から遠ざけたときの、光電変換素子２０における第１感度部分２１による入射光の検出強度（相対値）の一例を示す図である。図８には、第１感度部分２１の第１感度領域が図３に示すように受光面の中心からＸ方向およびＹ方向に放射状に延在し、互いに直交する帯状のパターンを形成し、その幅がそれぞれ１．５ｍｍ、１．０ｍｍ、０．５ｍｍであるときの特性Ａ、特性Ｂ、特性Ｃと、第１感度部分２１の第１感度領域が図９Ａに示すように受光面の中心を通り、Ｙ方向に延在する帯状のパターンを形成し、その幅が０．５ｍｍであるときの特性Ｄが示されている。
【００４４】
特性Ａによれば、第１感度部分２１の第１感度領域のパターンの幅が太い方が、検出距離が長くても線形な検出特性が得られることがわかる。また、特性Ｃ及び特性Ｄによれば、第１感度部分２１の第１感度領域のパターンの幅が細い方が、検出距離が短い場合に線形な検出特性が得られることがわかる。これらの結果より、第１感度部分２１の第１感度領域のパターンの幅が太い方が、長距離の光検出に適しており、第１感度部分２１の第１感度領域のパターンの幅が細い方が、短距離の光検出に適していることがわかる。
【００４５】
（第１実施形態の変形例）
本実施形態では、光電変換素子２０の裏面側に順に形成されたパッシベーション層２３０、ｎ型半導体層２３１および透明電極層２３２が、第１感度部分２１と第２感度部分２２との間において分離されている形態を例示したが、これに限定されない。光電変換素子２０は、受光面側および裏面側の少なくとも一方において、第１感度部分２１のパッシベーション層、導電型半導体層および透明電極層と、第２感度部分２２のパッシベーション層、導電型半導体層および透明電極層とが分離されている形態であってもよい。換言すれば、光電変換素子２０の受光面側および裏面側の少なくとも一方に、第１感度部分２１（第１感度領域）の帯状のパターンが形成される形態であってもよい。
【００４６】
例えば、上述した本実施形態とは逆に、光電変換素子２０の受光面側に、第１感度部分２１の帯状のパターンが形成される形態であってもよい。より具体的には、光電変換素子２０の裏面側のパッシベーション層２３０、ｎ型半導体層２３１および透明電極層２３２は、第１感度部分２１と第２感度部分２２との間において連続しており、光電変換素子２０の受光面側のパッシベーション層２２０、ｐ型半導体層２２１および透明電極層２２２は、第１感度部分２１と第２感度部分２２との間において分離されている形態であってもよい。
また、例えば、光電変換素子２０の受光面側および裏面側に、第１感度部分２１の帯状のパターンが形成される形態であってもよい。より具体的には、光電変換素子２０の受光面側のパッシベーション層２２０、ｐ型半導体層２２１および透明電極層２２２は、第１感度部分２１と第２感度部分２２との間において分離されており、光電変換素子２０の裏面側のパッシベーション層２３０、ｎ型半導体層２３１および透明電極層２３２も、第１感度部分２１と第２感度部分２２との間において分離されている形態であってもよい。
この場合、受光面の光学特性（例えば、反射特性）は、別途調整されればよい。
【００４７】
また、光電変換素子２０の第１感度部分２１と第２感度部分２２との間の部分には、透明電極層が形成されていてもよい。特に、光電変換素子２０の受光面側のパッシベーション層２２０、ｐ型半導体層２２１および透明電極層２２２が分離されている場合に、透明電極層が形成されると、受光面側の光学特性（例えば、反射特性）が改善される。
【００４８】
ところで、光センサでは、パン（水平（左右）方向の首振り）機構またはチルト（垂直（上下）方向の首振り）機構を備える場合がある。例えば、パン機構を備える光センサに本実施形態の光電変換装置１を適用する場合、光電変換素子２０の第１感度部分２１の第１感度領域は、図９Ａに示すように、受光面の中心を通り、Ｙ方向に延在する１本の帯状のパターンで形成されてもよい。この場合、パン機構により、入射光は受光面のＸ方向の中心に位置するように調整されるため、光電変換素子２０および演算部４０は、入射光のＹ方向の位置を検出すればよい。入射光のＸ方向の位置は、パン機構の角度から求められる。
一方、チルト機構を備える光センサに本実施形態の光電変換装置１を適用する場合、光電変換素子２０の第１感度部分２１の第１感度領域は、受光面の中心を通り、Ｘ方向に延在する１本の帯状のパターンで形成されてもよい。この場合、チルト機構により、入射光は受光面のＹ方向の中心に位置するように調整されるため、光電変換素子２０および演算部４０は、入射光のＸ方向の位置を検出すればよい。入射光のＹ方向の位置は、チルト機構の角度から求められる。
【００４９】
また、パン機構およびチルト機構を備える光センサに本実施形態の光電変換装置１を適用する場合、パン機構およびチルト機構により、入射光は受光面のＸ方向およびＹ方向の中心に位置するように調整されるため、光電変換素子２０および演算部４０は、入射光のＸ方向およびＹ方向の位置を検出せずともよい。入射光のＸ方向およびＹ方向の位置は、パン機構およびチルト機構の角度から求められる。
【００５０】
さらに、パン機構およびチルト機構を備える光センサに本実施形態の光電変換装置１を適用する場合、光電変換素子２０の第１感度部分２１の第１感度領域は、図９Ｂに示すように、受光面の中心からＸ方向およびＹ方向に向かって次第に幅が広くなるパターンで形成されてもよい。この場合、スポットサイズの変化による出力電流の変化が線形になる。
これに対して、光電変換素子２０の第１感度部分２１の第１感度領域が、図３に示すように、受光面の中心からＸ方向およびＹ方向に向かって幅が一定であるパターンで形成された場合、演算部４０における演算が容易である。
【００５１】
また、本実施形態において、光電変換素子２０の第１感度部分２１の第１感度領域は、受光面の中心から放射状に延在する３本以上の帯状のパターンで形成されてもよい。
また、光電変換素子２０の第１感度部分２１の第１感度領域は、複数の島状（ドット状）のパターンで形成されてもよい。この場合、島状のパターンの密度が受光面の中心から放射状に広がるにつれて変化してもよいし、島状のパターンの大きさが受光面の中心から放射状に広がるにつれて変化してもよい。この場合、受光面の中心から放射状に広がる島状のパターンが電気的に接続されて、電極層に接続されればよい。
また、光電変換素子２０の第１感度部分２１の第１感度領域は、格子状のパターンで形成されてもよい。この場合、複数の交点が生じ、この交点に入射光の中心が近づくときに出力電流が大きくなる特異点が生じることが予想されるので、この特異点において出力電流を補正することが好ましい。
【００５２】
（第２実施形態）
光センサとして、被写体からの拡散光を入射して、被写体のＸ方向およびＹ方向の位置（ＸＹ位置）に加え、Ｚ方向（奥行き）の位置をも検出する３次元センサがある。このような３次元センサでは、被写体のＺ方向（奥行き）の位置が変化すると、内部の光電変換素子に入射する入射光のスポットサイズが変化する（デフォーカス）。
【００５３】
そこで、このような３次元センサに上述した光電変換装置１を適用すれば、光電変換素子に入射する入射光のスポットサイズを検出することにより、被写体のＺ方向（奥行き）の位置が検出できる。そして、入射光の入射方向（詳細な求め方は後述する。）とＺ方向（奥行き）の位置とから、被写体の３次元の位置が検出できる。
【００５４】
図１０は、第２実施形態に係る３次元センサの構成を示す図である。図１０に示す３次元センサ２は、例えば被写体にレーザ光を照射することにより被写体から発せられた光学像（拡散光）を集光する光学レンズ５０と、光学レンズ５０からの集光光を入射する上述した光電変換装置１、すなわち光電変換素子２０、記憶部３０および演算部４０を備える。
【００５５】
光電変換素子２０は、第１感度部分２１に入射する入射光の強度に応じた電流を生成する。光電変換素子２０は、第１感度部分２１で生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心位置（ＸＹ位置）に応じて、４辺に配置された４対の電極層２２３，２３３に分配して出力する。
また、光電変換素子２０は、第２感度部分２２に入射する入射光の強度に応じた電流を生成する。光電変換素子２０は、第１感度部分２１で生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心位置（ＸＹ位置）に応じて、４角に配置された４対の電極層２２４，２３４に分配して出力する。
【００５６】
これにより、光電変換素子２０は、第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３の電流および第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４の電流の総和として、入射光の強度（総量）に応じた電流を生成する。
また、光電変換素子２０は、第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４の各々に、受光面における入射光のＸＹ位置（座標）に応じた電流を生成する。また、光電変換素子２０は、第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３の各々に、受光面における入射光のＸＹ位置（座標）に応じた電流を生成する。
また、光電変換素子２０は、第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３の電流の総和として、入射光の密度に応じた電流、換言すれば入射光のスポットサイズに応じた電流を生成する。
【００５７】
記憶部３０は、光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）ごとに、光電変換素子２０の第１感度部分２１および第２感度部分２２の出力電流（総量）（すなわち、光電変換素子２０の入射光の強度（総量））、および、光電変換素子２０の第１感度部分２１の出力電流（総量）（すなわち、光電変換素子２０の第１感度部分２１への入射光の強度）と、光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズとを対応付け、更に、このスポットサイズに被写体のＺ方向（奥行き）の位置を対応付けたテーブルを予め記憶する。
【００５８】
演算部４０は、上述したように、光電変換素子２０の第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３から出力された電流、および、光電変換素子２０の第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４から出力された電流の総量に応じて、入射光の強度（総量）を演算して検出する。
また、演算部４０は、上述したように、光電変換素子２０の第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４各々から出力された電流の割合（または、光電変換素子２０の第１感度部分２１の４対の電極層２２３，２３３各々から出力された電流の割合）に基づいて、光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）を演算して検出する。
ここで、光学レンズ５０の中心のＸＹ位置（座標）に対する光電変換素子２０の中心のＸＹ位置（座標）が予め分かっていれば、演算部４０は、光学レンズ５０の中心のＸＹ位置（座標）と、光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）とから、入射光の入射方向を演算して検出する。
【００５９】
また、演算部４０は、記憶部３０に記憶されたテーブルを参照して、光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）において、光電変換素子２０の８対の電極層２２３，２３３，２２４，２３４から出力された電流の総量（すなわち、光電変換素子２０の入射光の強度（総量））、および、光電変換素子２０の４対の電極層２２３，２３３から出力された電流の総量（すなわち、光電変換素子２０の第１感度部分２１への入射光の強度）に対応した、光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズ、および、被写体のＺ方向（奥行き）の位置を求めて検出する。
そして、演算部４０は、上述したように検出した入射光の入射方向と、Ｚ方向（奥行き）の位置とから、被写体の３次元の位置を検出する。
【００６０】
（第２実施形態の変形例１：光源追尾機能（２軸）を有する３次元センサ）
上述した第２実施形態の３次元センサ２は、光源を追尾する機能を有していてもよい。変形例１に係る３次元センサ２は、光源を追尾するために、例えば、上述したパン（水平（左右）方向の首振り）機構およびチルト（垂直（上下）方向の首振り）機構を備える。
【００６１】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、第２実施形態の変形例１に係る３次元センサ２の構成を示す図である。図１１Ａには、光源追尾前の状態が示されており、図１１Ｂには、光源追尾後の状態が示されている。
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、変形例１の３次元センサ２は、上述した第２実施形態の３次元センサ２の構成に加え、パンおよびチルト機構（光源追尾機構）６０を備える。
【００６２】
演算部４０は、パンおよびチルト機構６０の駆動制御部として機能し、光電変換素子２０の第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４の出力電流の差分に応じた駆動信号を生成する。
パンおよびチルト機構６０は、モータ等の駆動部を有し、演算部４０で生成された駆動信号に応じて、光学レンズ５０および光電変換素子２０の光学ユニットの向きを変更する。
【００６３】
例えば、第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４の出力電流を、周方向に順にＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４とすると、演算部４０は、Ｘ軸に対して対向配置された電極層２２４，２３４の出力電流（Ａ１＋Ａ４）と出力電流（Ａ２＋Ａ３）との差分に応じた駆動信号（チルト）を生成する。
例えば（Ａ１＋Ａ４）＞（Ａ２＋Ａ３）の場合、パンおよびチルト機構６０は、出力電流（Ａ１＋Ａ４）と出力電流（Ａ２＋Ａ３）との差分に応じた駆動信号に応じて（Ａ１＋Ａ４）＝（Ａ２＋Ａ３）となるように、Ｘ軸に対して光学ユニットの向きを変更する（チルト）。
【００６４】
また、演算部４０は、Ｙ軸に対して対向配置された電極層２２４，２３４の出力電流（Ａ１＋Ａ２）と出力電流（Ａ３＋Ａ４）との差分に応じた駆動信号（パン）を生成する。
例えば（Ａ１＋Ａ２）＞（Ａ３＋Ａ４）の場合、パンおよびチルト機構６０は、出力電流（Ａ１＋Ａ２）と出力電流（Ａ３＋Ａ４）との差分に応じた駆動信号に応じて（Ａ１＋Ａ２）＝（Ａ３＋Ａ４）となるように、Ｙ軸に対して光学ユニットの向きを変更する（パン）。
【００６５】
これにより、パンおよびチルト機構６０は、光電変換素子２０の第２感度部分２２の４対の電極層２２４，２３４の出力電流の差分を低減し、光電変換素子２０の受光面における入射光の照射領域Ｒの中心位置（ＸＹ位置）を光電変換素子２０の中心位置（ＸＹ位置）、すなわち第１感度部分２１の中心位置（ＸＹ位置）に近づけるように、光源を追尾できる。
【００６６】
この変形例１の３次元センサ２によれば、光電変換素子２０の受光面における入射光の照射領域Ｒが第１感度部分２１から外れていても、照射領域Ｒの中心位置（ＸＹ位置）を第１感度部分２１の中心位置（ＸＹ位置）に近づけることができ、光源の３次元の位置検出の精度が高まる。
【００６７】
（第２実施形態の変形例２：光源追尾機能（１軸）を有する３次元センサ）
変形例２に係る３次元センサ２は、光源を追尾するために、例えば、上述したパン（水平（左右）方向の首振り）機構およびチルト（垂直（上下）方向の首振り）機構の何れか一方を備える。
【００６８】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、第２実施形態の変形例２に係る３次元センサ２の構成を示す図である。図１２Ａには、光源追尾前の状態が示されており、図１２Ｂには、光源追尾後の状態が示されている。
図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、変形例２の３次元センサ２は、上述した第２実施形態の３次元センサ２の構成に加え、パン機構（光源追尾機構）６１を備える。なお、光電変換素子２０の第１感度部分２１の第１感度領域は、図９Ａに示すように、受光面の中心を通り、Ｙ方向に延在する１本の帯状のパターンで形成されている。
【００６９】
演算部４０は、パン機構６１の駆動制御部として機能し、光電変換素子２０の第２感度部分２２の２対の電極層２２４，２３４の出力電流の差分に応じた駆動信号を生成する。
パン機構６１は、モータ等の駆動部を有し、演算部４０で生成された駆動信号に応じて、光学レンズ５０および光電変換素子２０の光学ユニットの向きを変更する。
【００７０】
例えば、第２感度部分２２の２対の電極層２２４，２３４の出力電流をＡ１，Ａ２とすると、演算部４０は、Ｙ軸に対して対向配置された電極層２２４，２３４の出力電流Ａ１と出力電流Ａ２との差分に応じた駆動信号（パン）を生成する。
例えばＡ２＞Ａ１の場合、パン機構６１は、出力電流Ａ１と出力電流Ａ２との差分に応じた駆動信号に応じてＡ１＝Ａ２となるように、Ｙ軸に対して光学ユニットの向きを変更する（パン）。
【００７１】
これにより、パン機構６１は、光電変換素子２０の第２感度部分２２の２対の電極層２２４，２３４の出力電流の差分を低減し、光電変換素子２０の受光面における入射光の照射領域Ｒの中心位置（ＸＹ位置）を光電変換素子２０のＸ方向の中心位置、すなわち第１感度部分２１に近づけるように、光源を追尾できる。
【００７２】
この変形例２の３次元センサ２でも、光電変換素子２０の受光面における入射光の照射領域Ｒが第１感度部分２１から外れていても、照射領域Ｒの中心位置（ＸＹ位置）を第１感度部分２１に近づけることができ、光源の３次元の位置検出の精度が高まる。
【００７３】
また、変形例２の３次元センサ２によれば、複数の光源からの入射光を互いに異なる周波数で変調した変調光（パルス光）とすることにより、複数の光源の３次元の位置を同時に検出できる。複数の光源は、光電変換素子２０の第１感度部分２１の第１感度領域のパターンの延在方向に配列される。演算部４０は、光電変換素子２０から出力される複数の入射光に対応して変調された出力電流に基づいて、周波数ごとに、上述したように入射光の入射方向、入射光のスポットサイズ、および、光源のＺ方向（奥行き）の位置を検出し、被写体の３次元の位置を検出すればよい。
【００７４】
なお、変形例２の３次元センサ２では、パン機構により光源を追尾する形態を例示したが、変形例２の３次元センサ２の特徴は、チルト機構により光源を追尾する形態にも適用可能である。
【００７５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、図２に示すようにヘテロ接合型の光電変換素子２０を例示したが、本発明の特徴は、ヘテロ接合型の光電変換素子に限らず、ホモ接合型の光電変換素子等の種々の光電変換素子に適用可能である。
【００７６】
また、本実施形態では、受光面側の導電型半導体層２２１としてｐ型半導体層を例示し、裏面側の導電型半導体層２３１としてｎ型半導体層を例示した。しかし、受光面側の導電型半導体層２２１が、アモルファスシリコン材料にｎ型ドーパント（例えば、上述したリン（Ｐ））がドープされたｎ型半導体層であり、裏面側の導電型半導体層２３１が、アモルファスシリコン材料にｐ型ドーパント（例えば、上述したホウ素（Ｂ））がドープされたｐ型半導体層であってもよい。
【００７７】
また、本実施形態では、半導体基板２１０としてｎ型半導体基板を例示したが、半導体基板２１０は、結晶シリコン材料にｐ型ドーパント（例えば、上述したホウ素（Ｂ））がドープされたｐ型半導体基板であってもよい。
【００７８】
また、本実施形態では、結晶シリコン基板を有する光電変換素子を例示したが、これに限定されない。例えば、光電変換素子は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板を有していてもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１  光電変換装置
２  ３次元センサ
２０  光電変換素子
２１  第１感度部分
２２  第２感度部分
３０  記憶部
４０  演算部
５０  光学レンズ
６０  パンおよびチルト機構（光源追尾機構）
６１  パン機構（またはチルト機構：光源追尾機構）
２１０  半導体基板（光電変換基板）
２２０，２３０  パッシベーション層
２２１  ｐ型半導体層（第１導電型半導体層）
２２２，２３２  透明電極層
２２３，２３３  電極層（第１電極）
２２４，２３４  電極層（第２電極）
２３１  ｎ型半導体層（第２導電型半導体層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
2019053959.tif 000020
2019053959.tif 000021
2019053959.tif 000022
2019053959.tif 000023