(57)【要約】本発明のセンサ装置は、支持構造と、光放射を検出し、それに反応して電気的出力信号を生成するための、前記支持基板上に取り付けられた検出要素と、前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを含む。前記封止材料は、レンズ部分に入射しない光放射を収集して、前記検出要素のアクティブな表面上に向け直すための、前記レンズ部分を規定するように構成される。前記収集部分は、入射光を全反射によって反射するパラボラ反射体であってもよい。前記センサ装置は、開口部をわたって配置された拡散体を含むアセンブリ内に組み込まれていてもよく、および／または、バックミラーアセンブリなどの車両装備品内に組み込まれていてもよい。
2005536716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持構造と、
光放射を検出し、それに反応して電気的出力信号を生成するための、前記支持基板上に取り付けられた検出要素と、
前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを具備し、前記封止材料は、入射光放射を、前記検出要素のアクティブな表面上に集中させるためのレンズ部分と、前記レンズ部分に入射しない光放射を収集して、前記検出要素のアクティブな表面上に向け直すための、前記レンズ部分を囲む光放射収集部分とを規定するように構成されている、センサ装置。
【請求項２】
前記支持構造は、リードフレームの部分である、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記リードフレームの前記部分は、前記検出要素に電気的に接続された少なくとも２本のリード線を含み、前記リード線は、前記封止材料により保持されている、請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記レンズ部分は楕円形である、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記楕円形のレンズ部分の長軸は、前記センサ装置の光学軸と一直線に揃っている、請求項４に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記光放射収集部分はパラボラ表面を含む、請求項５に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記パラボラ表面は、全反射によって、入射光放射を前記検出要素に向け直す、請求項６に記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記光放射収集部分は、前記楕円形のレンズ部分の長軸に垂直な平面内にあり、前記楕円形のレンズ部分の周囲に配置された、環状受光表面を含む、請求項７に記載のセンサ装置。
【請求項９】
前記光収集部分はパラボラ表面を含む、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項１０】
前記パラボラ表面は、全反射によって、入射光放射を前記検出要素に向け直す、請求項９に記載のセンサ装置。
【請求項１１】
前記検出要素は可視光を感知できる、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項１２】
前記検出要素は、
露光される光トランスデューサと、
前記露光トランスデューサと通信を行うセンサ論理回路とを具備し、
前記光トランスデューサは、インテグレーション周期にわたって、入射する光に比例して電荷を蓄積するように動作し
前記センサ論理回路は、前記蓄積された露光トランスデューサの電荷に従って離散光信号を出力するように動作する、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項１３】
前記光収集部分はパラボラ表面を含む、請求項１２に記載のセンサ装置。
【請求項１４】
前記インテグレーション周期は、受信したインテグレーション信号に応じて変動する、請求項１２に記載のセンサ装置。
【請求項１５】
前記インテグレーション周期は、前記インテグレーション周期の間に、電荷の蓄積に先立ってあらかじめ決定された長さの時間である、請求項１２に記載のセンサ装置。
【請求項１６】
前記封止材料は、エポキシ樹脂で作られている、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項１７】
開口部を有する容器と、
前記開口部をわたって配置された拡散要素と、
センサ装置とを具備し、前記センサ装置は、
支持構造と、
光放射を検出し、それに反応して電気的信号を生成するための、前記支持構造上に取り付けられた検出要素と、
前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを具備し、前記封止材料は、入射光放射を収集して、全反射によって前記検出要素に向け直すための、パラボラ反射表面を有する、光放射収集部分を規定するように構成されているセンサアセンブリ。
【請求項１８】
前記封止材料は、さらに、前記検出要素のアクティブな表面に入射光放射を集中させるための、前記光放射収集部分内の中央に配置されたレンズ部分を規定するように構成されている、請求項１７に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１９】
前記レンズ部分は楕円形である、請求項１８に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２０】
前記楕円形のレンズ部分の長軸は、前記センサ装置の光学軸と一直線に揃っている、請求項１９に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２１】
前記センサ装置の光学軸は、前記開口部の中心と一直線に揃っている、請求項２０に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２２】
前記支持構造は、前記検出要素に電気的に接続された少なくとも第１と第２の電気リード線を有するリードフレームである、請求項１７に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２３】
前記検出要素は、前記第１および第２の電気リード線のうちの１つの上に取り付けられている、請求項２２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２４】
前記第１および第２の電気リード線のうちの１つから前記検出要素まで伸びたワイヤボンドをさらに含む、請求項２３に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２５】
前記拡散要素は、視野を特徴付けるために使用される、請求項１７に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２６】
前記拡散要素は、さらに、１方向における視野の広がりが他の方向におけるよりも大きいように特徴付けされている、請求項２５に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２７】
車両に搭載するための車両装備品であって、前記車両装備品は、
センサ装置を具備し、前記センサ装置は、
支持構造と、
光放射を検出し、それに反応して電気的出力を生成するための、前記支持構造上に取り付けられた検出要素と、
前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを備え、前記封止材料は、入射光放射を、前記検出要素のアクティブな表面上に集中させるためのレンズ部分と、前記レンズ部分に入射しない光放射を収集して、前記検出要素のアクティブな表面上に向け直すための、前記レンズ部分を囲む光放射収集部分とを規定するように構成されている、車両装備品。
【請求項２８】
前記車両装備品は、バックミラーアセンブリである、請求項２７に記載の車両装備品。
【請求項２９】
前記ミラーは、エレクトロクロミックミラーである、請求項２８に記載の車両装備品。
【請求項３０】
前記検出要素により検出された光レベルに応じて前記エレクトロクロミックミラーを制御するための、前記センサ装置に接続された処理回路をさらに具備している、請求項２９に記載の車両装備品。
【請求項３１】
前記センサ装置は、周辺光レベルを検出するために、前記車両の前方に向けられている、請求項３０に記載の車両装備品。
【請求項３２】
前記センサ装置は、グレアを検出するために、前記車両の後方に向けられている、請求項３０に記載の車両装備品。
【請求項３３】
前記第１のセンサ装置とは異なる視野内のソースからの光レベルを検出するための、第２のセンサ装置をさらに具備している、請求項３０に記載の車両装備品。
【請求項３４】
前記第２のセンサ装置は、
支持構造と、
光放射を検出し、それに反応して電気的出力を生成するための、前記支持構造上に取り付けられた検出要素と、
前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを具備し、前記封止材料は、入射光放射を、前記検出要素のアクティブな表面上に集中させるためのレンズ部分と、前記レンズ部分に入射しない光放射を収集して、前記検出要素のアクティブな表面上に向け直すための、前記レンズ部分を囲む光放射収集部分とを規定するように構成されている、請求項３３に記載の車両装備品。
【請求項３５】
前記処理回路は、さらに、前記検出要素により検出された光レベルに応じて少なくとも１つの車両用灯具を制御するための、光制御信号を生成するように構成されている、請求項３０に記載の車両装備品。
【請求項３６】
前記検出要素により検出された光レベルに応じて少なくとも１つの車両用灯具を制御するための、光制御信号を生成するための、前記センサ装置に接続された処理回路をさらに具備している、請求項２８に記載の車両装備品。
【請求項３７】
前記検出要素により検出された光レベルに応じて少なくとも１つの車両用灯具を制御するための、光制御信号を生成するための、前記センサ装置に接続された処理回路をさらに具備している、請求項２７に記載の車両装備品。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの車両用灯具は、車両ヘッドランプを含み、前記処理回路は、前記車両ヘッドランプのオン／オフ状態を制御する、請求項３７に記載の車両装備品。
【請求項３９】
前記少なくとも１つの車両用灯具は、室内表示灯を含む、請求項３７に記載の車両装備品。
【請求項４０】
前記検出要素により検出された光レベルに応じて、前記車両の風防ガラスワイパを制御するための、風防ガラス制御信号を生成するための、前記センサ装置に接続された処理回路をさらに具備している、請求項２７に記載の車両装備品。
【請求項４１】
前記検出要素により検出された光レベルに応じて、前記車両の空調システムを制御するための、空調信号を生成するための、前記センサ装置に接続された処理回路をさらに具備している、請求項２７に記載の車両装備品。
【請求項４２】
前記センサ装置は、前記車両の日照負荷（ｓｕｎ  ｌｏａｄｉｎｇ）を検出するために配置されている、請求項４１に記載の車両装備品。
【請求項４３】
車両に搭載するための車両装備品であって、前記車両装備品は、
開口部を有する容器と、
前記開口部をわたって配置された拡散要素と、
センサ装置とを具備し、前記センサ装置は、
支持構造と、
光放射を検出し、それに反応して電気的信号を生成するための、前記支持構造上に取り付けられた検出要素と、
前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを具備し、前記封止材料は、入射光放射を収集して、全反射によって前記検出要素に向け直すための、パラボラ反射表面を有する、光放射収集部分を規定するように構成されている、車両装備品。
【請求項４４】
支持構造と、
光放射を検出し、それに反応して電気的出力を生成するための、前記支持構造上に取り付けられた検出要素と、
前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを具備し、前記封止材料は、入射光放射を前記検出要素に向けるための一体型レンズと、
前記レンズに入射しない光放射を収集して、前記検出要素のアクティブな表面上に向け直すための、前記一体型レンズを囲む光収集部とを含む、センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本発明は、一般には、光放射センサ装置に関し、より詳細には、光センサを組み込んだセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光センサは、多数の異なる適用例に使用されている。そのような光検出の適用例では、検出機構のいくつかの特性が許容範囲内になければならず、特定の光検出適用例については、さらにいくつかの特性化が必要とされる。前記センサのその他の特性は、前記センサが好適となる適用例の範囲を増加する場合があり、かつ／または、より容易な、またはより経済的な設計適用例を提供する場合がある。１つの適用例と他の適用例で一般的な要件が大幅に異なる１つの特性は、特定の適用例で必要とされる、センサの角度応答特性、すなわち、角度応答プロファイルである。２つ目の特性は、光利得であり、これは低光レベル計測に対しては、前記システムにより検出される必要がある最も低い光レベルの安定した計測を行うのに十分な大きさであることが好ましい。３つ目の特性は、測定される光が入るための、比較的小さく、審美的に魅力的で、省スペースの、前記装置内の開口部を提供する必要性である。４つ目の特性は、前記開口部を電子検出装置から分離するための、実質的で、かつ好ましくは可変の距離を可能にするということである。５つ目の特性は、前記光の検出と、前記角度応答特性の特性化とに、独立した構成要素を使用することにより、前記センサを広範な適用例に使用できるようにし、前記光検出構成要素の標準化が拡大されるようにすることである。
【０００３】
光の検出に使用されるタイプのセンサ装置は、さまざまなパッケージ内で構成されている。例えば、光導電センサは、多くの場合、前記センサの正面に配置された独立したレンズとともに、または前記レンズなしで、回路基板上に取り付けられている。一部の光ダイオードの構成では、センサダイがリードフレームに取り付けられ、透明なエポキシ樹脂により封止されている。前記エポキシ樹脂封止材料の一部は、入射光を前記センサダイ上に集中させるための、レンズに成形されている。そのようなレンズは、前記アクティブな検出要素の表面に対しておおむね垂直な軸について対称な、球面またはその他の回転面である。独立したレンズが前記センサと間隔をおいて配置されるセンサ構成とは異なり、これらのタイプのセンサ装置内のレンズは、前記センサの一部分であり、前記センサと前記レンズを分ける間隔はなくされている。前記レンズと前記センサの間の間隔をプラスチックで埋めた結果による主な設計上の違いは、レンズ材料の屈折率に反比例して、光線の伝搬速度が減少するということである。これは実質的には、前記材料の屈折率に比例して、前記レンズの焦点距離を増加させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図４ａおよび図４ｂは、それぞれが類似した角度応答特性を有するが、光利得は大幅に異なる、２つの一般的な検出構成を示す。図４ａに示す第１のセンサ構成では、前記センサは前記開口部の近くにあり、望ましくは、高い光利得を有する。前記開口部の近くに前記センサを配置すると、多くの場合、追加の部品と組み立てプロセスによりコストが増加し、また、前記センサへの電気的接続経路が長くなるため、電気的設計が損なわれる。図４ｂに示す第２のセンサ構成では、前記センサは、前記開口部からかなりの距離のところに配置されているため、光利得は望ましくないほど低くなる。前記センサの配置は、好都合で、よりコストがかからない可能性があるが、全体的な設計については、光利得の減少が厳しいものとなる可能性があるため、満足な性能が損なわれるか、または得られない場合がある。
【０００５】
図に示す各例で、線４１ａと４２ａの間の角度は、線４１ｂと４２ｂの間の角度と同じであり、前記センサのそれぞれについての光角度応答プロファイルの、５０％応答点間の公称角度を示す。容器の光遮断部分４４ａおよび４５ａは、図４ａ内で、レンズ４３ａを含む前記開口部の相対する側の部分図により表されている。検出要素４８ａが、線４１ａと４２ａとの交点である点４９ａよりも前記ケースの近くに配置されている場合は、前記光開口部、および前記レンズと、ことによると拡散および／または焦点はずれの組み合わせが、可視開口部を、線４６ａと４７ａとの間の角度から、設計により目標とされた線４１ａと４２ａとの間の角度に減少させるために役立つ可能性がある。レンズ４３ａは、前記センサに当たる光を集束させ、それにより前記センサの光利得を増加するために役立つ。したがって、全体的視野の望ましい減少が達成され、さらに、前記システムの光利得は増加する。非光パイプモード（ｎｏｎ−ｌｉｇｈｔ  ｐｉｐｅｄ  ｍｏｄｅ）にある単一の薄肉レンズを使用してこれを有効にするための一般的な要件は、センサ４８ａが、図４ａの線４６ａおよび４７ａにより表される円錐状表面の頂点４９ａよりも、前記開口部の近くに配置されるということである。前記円錐状表面は、非円形であってもよく、説明または設計の目的のための一時的なゲージとしてのみ使用される。前記レンズおよび／またはフィルタが取り外されている場合、前記円錐状表面は、必要な視野方向で位置合わせされ、提供されている開口部の中に可能な限り挿入される。（点４９ａまたは４９ｂよりも前記開口部におおむね近い領域は、それぞれの開口部の近傍領域と呼ばれることがある。）
【０００６】
容器の光遮断部分４４ｂおよび４５ｂは、図４ｂ内で、拡散レンズおよび／または表面４３ｂを含む前記開口部の相対する側の部分図により表されている。この場合、センサ４８ｂは、頂点４９ｂよりも、前記開口部から離れている。点４９ｂの特性は、４９ａの特性と同様である。これを説明するための代替の方法によれば、前記開口部のセンサ側にある、前記開口部から最も遠い点であり、そこからは、前記センサが入射光またはそのかなりの部分に応答しなければならない全フィールドが、前記開口部に光学要素を配置する前に見られることが可能となる点である。この場合、センサ４８ｂは、点４９ｂよりも、前記開口部から離れているため、線４６ｂと４７ｂとの間の角度は、線４１ｂと４２ｂとの間の角度よりも小さい。３次元の用語によれば、前記センサが配置されている点４８ｂにおける、前記開口部に対する立体角は、前記レンズおよび／またはフィルタが取り外された前記開口部を通して、入射光への希望する応答フィールドが見られてもよい点４９ｂにおける、前記開口部に対する立体角よりも小さい。この場合、拡散効果を有する光学要素４３ｂが前記開口部に組み込まれていてもよく、前記拡散効果が、代表的な方向４１ｂおよび４２ｂから来る十分な光線を、センサ４８ｂに当たる可能性があるほどまでに曲げるだけ十分に顕著である場合は、設計目標を満足するために必要とされるとおりに、前記拡散効果が実効視野を、４６ｂと４７ｂとの間の角度により示されるものから４１ｂと４２ｂとの間の角度により示されるものに拡張するための、バランスが見つけられてもよい。不利な点は、最初の例のように光の集中と光利得の追加は達成されず、光レベルは実質的に減衰されるということである。これは、前記開口部に拡散体を配置する前には、前記開口部を通して妨げられずに入って前記センサに当たっていた光線が、前記拡散体の拡散効果によって分散され、それにより、前記センサに到達する前記光線の割合が減少するためである。したがって、光利得を犠牲にすることなく、容器内の開口部から、容器を通して離れた位置に配置することが可能な、センサ装置構成の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
したがって、本発明の１つの態様では、支持構造と、光放射を検出し、それに反応して電気的出力信号を生成するための、前記支持基板上に取り付けられた検出要素と、前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを具備したセンサ装置を提供する。前記封止材料は、入射光放射を、前記検出要素のアクティブな表面上に集中させるためのレンズ部分と、前記レンズ部分に入射しない光放射を収集して、前記検出要素のアクティブな表面上に向け直すための、前記レンズ部分を囲む光放射収集部分とを規定するように構成される。
【０００８】
他の実施形態によれば、センサアセンブリは、開口部を有する容器と、前記開口部をわたって配置された拡散要素と、センサ装置とを具備し、前記センサ装置は、支持構造と、光放射を検出し、それに反応して電気的信号を生成するための、前記支持構造上に取り付けられた検出要素と、前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを具備し、前記封止材料は、入射光放射を収集して、全反射によって前記検出要素に向け直すための、パラボラ反射表面を有する、光放射収集部分を規定するように構成される。
【０００９】
他の実施形態によれば、支持構造と、光放射を検出し、それに反応して電気的出力を生成するための、前記支持構造上に取り付けられた検出要素と、前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを備えたセンサ装置を具備した、車両に搭載するための車両装備品が提供される。前記封止材料は、入射光放射を、前記検出要素のアクティブな表面上に集中させるためのレンズ部分と、前記レンズ部分に入射しない光放射を収集して、前記検出要素のアクティブな表面上に向け直すための、前記レンズ部分を囲む光放射収集部分とを規定するように構成される。
【００１０】
他の実施形態によれば、開口部を有する容器と、前記開口部をわたって配置された拡散要素と、センサ装置とを具備した、車両に搭載するための車両装備品が提供され、前記センサ装置は、支持構造と、光放射を検出し、それに反応して電気的信号を生成するための、前記支持構造上に取り付けられた検出要素と、前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを具備し、前記封止材料は、入射光放射を収集して、全反射によって前記検出要素に向け直すための、パラボラ反射表面を有する、光放射収集部分を規定するように構成される。
【００１１】
他の実施形態によれば、センサ装置は、支持構造と、光放射を検出し、それに反応して電気的出力を生成するための、前記支持構造上に取り付けられた検出要素と、前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料とを具備し、前記封止材料は、入射光放射を前記検出要素に向けるための一体型レンズと、前記レンズに入射しない光放射を収集して、前記検出要素のアクティブな表面上に向け直すための、前記一体型レンズを囲む光収集部とを含む。
【００１２】
本発明の上記およびその他の特徴、利点、および目的は、当業者により、以下の明細、請求の範囲、および添付の図面を参照することにより、さらに理解され認識される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の好ましい実施形態について、添付の図面に示す例を参照して、以下に詳しく説明する。可能な限り、同一または類似の部品を示すために、図面を通して同じ参照番号を使用する。
【００１４】
本発明に従って構成されたセンサ装置５０を、図１に示し、センサ装置５０を組み込んだセンサアセンブリ１０を、図２に示す。センサ装置５０は、プリント基板またはリードフレーム６０などの支持構造と、好ましくは可視光の、光放射を検出するための、前記支持基板上に取り付けられた、アクティブな検出領域５７を有する検出要素１５を含む集積回路と、前記支持構造上の前記検出要素を封止する封止材料６２とを含む。一般に、封止材料６２は、入射光放射を検出要素１５のアクティブな表面５７に集中させるための楕円形の屈折表面を好ましくは有する、一体型屈折レンズ部分６１を含む、レンズ構造２０を規定する。レンズ構造２０は、さらに、レンズ部分６１に入射しない光放射を収集して、検出要素１５のアクティブ表面５７上に向け直すための、レンズ部分６１を囲む光放射収集部分５３を含む。光放射収集部分５３は、入射光放射を全反射によって検出要素１５に向け直す、パラボラ反射表面５４を含む。光放射収集部分は、また、楕円形のレンズ部分６１の長軸に垂直な平面上にあり、楕円形のレンズ部分６１の周囲に配置された、環状光放射受光表面５１も含む。
【００１５】
センサアセンブリ１０は、さらに、収容筐体３１内に形成された開口部と、筐体３１内に形成された開口部の中に配置された拡散体３２とを含む、拡散体および開口部サブアセンブリ３０を含む。本発明のセンサアセンブリの構造の概要について説明したので、次に、そのような構造の光学的特性、機能、および利点について説明する。
【００１６】
図４ｃに示すセンサ構成内では、上述のように構成されたセンサは、前記開口部からかなりの距離に配置され、望ましくは、高い光利得を有する。この望ましい組み合わせをもたらす特徴は、ここで説明する本発明の一部である。
【００１７】
図４ｃで、４９ｃの配置および定義は、４９ａおよび４９ｂ（図４ａおよび図４ｂ）の配置および定義に類似しており、小領域検出要素１５の配置は、４８ｂの配置に類似している。また、センサ１５を好ましくは封止し、かつ好ましくは取り囲む、レンズ構造が追加されているということ、ならびに、全体的なシステムのために、レンスおよび／または拡散要素３２が、感度対角度の望ましい特性が一般に得られるように設計されているということを除き、その他の対応する特徴も類似している。結果として得られるシステムでは、図４ｂのシステムよりもかなり向上した光利得が提供される。
【００１８】
レンズ構造２０は、図に示す例内で４６ｃおよび４７ｃの線により限度が示されている、比較的広い円錐角のかなりの部分を満たす、前記開口部を通して入る光線を、センサ１５のアクティブな領域５７上に投射する機能がある。前記レンズは、画像の完全性を維持する必要はないが、その他のいくつかの点では、低Ｆナンバーの写真レンズと同様である。また、画像光学で通常実用的なＦナンバーよりもさらに低いＦナンバーを有することも好ましい。前記好ましい構造では、レンズ構造２０により前記センサ上に集中させられる、４５ｃにより代表的に表される光線の大部分は、前記望ましい視野から発生し、前記開口部を通して前記システムに入る。４４ｃなどの、前記開口部を通って入らない光線は、好ましくは、前記レンズがセンサ１５のアクティブな領域に向ける光のうち、小さな部分ないし無視できるほどの部分を構成する。上記において、４１ｃと４２ｃとの間の角度が大きい場合は特に、これらの光線のサンプリングのみが通常は前記アクティブな検出領域に向けられるが、前記アクティブな検出領域に向けられる前記光線の大部分は、光レベルが測定される方向から来ることが好ましい。レンズおよび／または拡散ユニット３２は、拡散効果を有するように設計されており、それにより、図に示す例内の４１ｃおよび４２ｃの方向により範囲が定められる領域内から発する光線の大きな割合が、レンズ構造２０によってセンサ１５のアクティブな領域に集中させられるように調整される。前記拡散体の拡散特性の分布および範囲の両方は、前記光システムの応答特性の、角度に依存する大きさおよび一般的な限界が、設計目標を満足するものとなるようにすることが望ましい。拡散が増加すると、全体的な光利得は減少するので、前記拡散の程度は、応答特性の目標を満足するために必要な最小量に適度に近くなるようにすることも好ましい。
【００１９】
本発明の一部の実施形態では、光サブアセンブリ３０は、単一のネガティブレンズ要素を含んでいてもよく、あるいは、ポジティブレンズ要素さえも含んでいてもよい。ただし、より細かいパターンを有していることが好ましい。前記パターンは、例えば、前記拡散効果が繰り返すもの、またはランダムなものであってもよく、ランダムまたは不規則な木目のある表面によって、または微細パターンを複製することで生成されてもよい超微細構造によって前記開口部を覆う材料内に分散配置された拡散物質による、小さなレンズ要素の細かい配列によって製造されてもよい。微細パターンは、レーザ干渉パターンによって生成されてもよく、そのような拡散体は、次に、反射または屈折効果に加えて、あるいは、反射または屈折効果の代わりに、前記光学表面の微細特性により生成された干渉パターンを使用して、望ましい光分散効果を達成してもよい。
【００２０】
図２に示すように、光は、開口部および拡散体サブアセンブリ３０を通って入り、いくらかの距離を進んだ後に、前記入射光線の一部が、センサ装置５０のレンズ構造２０に当たり、そこで、前記センサに当たった光線の一部が、検出要素１５上の光検出領域５７に向けられる。リード線５９ａ〜５９ｄは、検出要素１５に、および前記センサに当たる光のレベルの読み取りやその他の反応のために機能する、関連する電子回路６６（図５）に、電気的に接続されている。拡散体および開口部サブアセンブリ３０は、感度対方向の前記特性が本適用例のために満足のいくものとなるように、前記センサの方向的または空間的な応答特性を形成するために機能する。本発明の一部の実施形態では、センサ装置５０内のレンズ構造２０は、前記拡散要素から発し、前記チップの光検出領域上のセンサに当たる前記光線の十分大きな割合を方向付けて、前記システムの全体的な光利得を、前記センサが前記検出用開口部の近くに、つまり、近傍領域に配置されている場合に通常達成されるのと同程度にするために、または場合によっては、それよりも大きくするために役立つように設計されている。前記センサが前記近傍領域に配置されている場合、前記視野からの光を、前記センサのアクティブな領域に前記光が当たる際に比較的大きな立体角を満たすように方向付け、それにより、全体的な光利得に寄与するようにすることは、多くの場合、容易に可能である。図２の設計においては、前記検出要素の配置オプションの範囲全体を通して、適度な、あるいは同程度のまたはより高い光効率を維持する設計を提供することが望ましい。前記範囲は、場合によっては前記近傍を含んでいてもよいが、その他の場合には、前記開口部からの距離は、前記近傍の最大範囲よりもはるかに大きな距離まで拡張されてもよい。本発明を実施する１つの方法は、前記拡散要素から発する光線を光検出要素１５に方向付けるレンズシステムを提供し、前記近傍内での同等システムに匹敵するサイズの実効立体角を、前記光線で大部分満たすことである。本説明において、前記センサのアクティブな領域５７では、ある方向または位置から前記アクティブな表面に入る光線に対する感度が、他の方向または位置から入る光線に対する感度よりも高く、前記センサのアクティブな領域に当たる光線の出力への最終的効果は、前記光線の強度と、特定の角度および特定の位置において前記センサ表面に入る光線が前記センサによって受け取られる効率との積に等しい。これは、前記センサに相対的な特定の角度から来る、前記センサ上の特定の点への光に応答するための、応答効率と呼ばれることもある。また、前記レンズ、またはレンズと拡散要素の組み合わせは、光線を特定の導入角および位置に方向付ける効率がさまざまであってもよく、この効率は、前記センサに相対的な特定の角度から来る、前記センサ上の特定の点への光を方向付けるための、収集効率と呼ばれることもある。したがって、特定の角度および導入点に対して、受け取り効率は、前記応答効率と前記収集効率の積として定義されてもよい。前記受け取り効率を、光が前記アクティブな検出領域に入る立体角にわたって積分し、前記光システムの比較の基礎として、この積分された受け取り角度を、ことによると前記立体角の代わりに使用するのが、最も正確な可能性がある。一般的な要点は、検出要素１５に相対的な大きな立体角を光でおおむね満たし、この立体角が一般に、入射光に対する前記センサの高感度領域を含むということが、本発明の望ましい特徴であるということである。前記センサは、正常光に対する応答効率が最も高く、前記検出表面にほぼ並行または正接の光線に対する応答はゼロに近くなる、近似コサイン応答特性を有していてもよいので、入射光線が前記センサに方向付けられる、合計立体角の部分としては、前記検出表面に垂直な方向を奨励することが一般に好ましい。線６８と６８ａの間の角度は、一般に、図に示す実施形態で光線が収集される、円錐角の外側の限界を示す。後で説明するように、前記リードフレームの接続を封止するためのリブが、線６８および６８ａによって範囲が定められる円錐の一部を満たすことを妨げる。
【００２１】
図の拡散体および開口部アセンブリ３０では、好ましくは不透明な収容筐体３１の断片部分３１ａおよび３１ｂが示されている。拡散体３２の表面３５は、おおむね平行な溝を含む。これらの溝は、紙面におおむね平行な方向の光の拡散を増加するために役立つ。拡散体アセンブリ３０の下面３７は、光をすべての方向にほぼ等しく拡散させるために役立つ、不規則な面である。光線３４は、表面３５および３７で屈折させられ、光線３９として存続して、屈折レンズ６１を通り、光線６３としてアクティブな検出表面５７上に集中させられる。光線１６も同様に、レンズ６１によって屈折させられ、アクティブな領域５７上に集中させられる。光線１６は、光線３９よりも、屈折レンズ６１の外側の限界５５に近い。光線１１，１２，および１３は、レンズ構造２０の上面に入り、反射表面５４において、全反射によって反射され、アクティブな検出領域５７に当たる。前記反射光の順序は、前記入射光の順序の逆になる。レンズ６１は、外側の反射光６７が端５５をちょうど外れる深さにセットされる。レンズ構造２０内で、屈折部分６１は、アクティブな検出領域５７に向けられた光の円錐の中央部分を満たす。パラボラ反射表面５４は、前記円錐の外側部分を満たす。前記反射および屈折レンズの組み合わせは、線６８および６８ａの間の領域をおおむね満たすように、相互に補完し合う。結果として得られる拡散は、表面３５の単方向拡散と、表面３７の多方向拡散との、組み合わせ効果および一般的な加算効果により、紙面に平行な方向でより大きくなる。それにより、紙面に垂直な方向よりも、紙面に平行な方向の方がかなり広い視野を有するセンサが得られる。
【００２２】
アクティブな検出領域５７を一部として含む、内蔵型の検出要素回路１５は、リードフレーム６０に接続されている。アクティブな検出領域５７は、例えば、直径１００ミクロンなどの、小さなものであってもよい。図では、前記検出領域は、単に目立つようにするために、盛り上がった部分として示されている。実際の部分は、同一平面上にあるか、または非常にわずかにくぼんだところにある可能性がある。センサ回路１５からリードフレーム６０への接続は、リードボンディングにより完成された他の接続との電気的接続のうちの１つを完成させる、導電性エポキシ樹脂を使用して行われてもよく、あるいは、すべての接続がリードボンディングを使用して行われてもよい。リード線５９ａ〜５９ｄは、前記パッケージから伸びており、前記プリント基板への電気的接続を行い、また、前記部品を前記プリント基板に取り付ける。
【００２３】
図１は、センサ装置５０の等角投影図である。代表的な光線１１２は、上面５１に入り、表面５４において、全反射によって反射され、センサ素子１５のアクティブな検出領域５７に至る。同様に、光線１１２ａは、前記装置の後ろ側における同様の表面により反射され、やはり前記アクティブな検出領域に当たる。光線１１３は、くぼんだ領域にある屈折レンズ６１を通して入り、前記アクティブな検出領域に集中させられる。リブ部分１０４は、リードフレームを収容するため、およびモールドを前記部品から後退させるためのすき間を空けることを可能にするために役立つ。セクション１０６は、前記リブの２つのセクションのうちの１つであり、リード線５９ａおよび５９ｂの支持を提供するために幅が広くなっている。リード線５９ｃおよび５９ｄは、対称的に配置された拡大セクション１０６ａから伸びている。点線１１１は、領域１１０および１１０ａの範囲を定めるために、図に含まれている。前記領域は、パラボラ反射体５４と接合する、リブ１０４および１０４ａの上部である。この領域に入る光線は、一般に、前記アクティブな検出領域には向けられない。前記部品は、代表的な線１０７、１０７ａ、および１０７ｂにより一般に示される型割り線を有する、２つ割り型で作成されていることが好ましい
【００２４】
図３は、内蔵型のセンサ要素回路１５が上に接合された、リードフレームサブアセンブリ６０の一部を示す。前記デバイスのうち４つのみが示されている。実際のアセンブリは、トランスファモールドセクションのうちの１つに収まる、例えば６４などの数の装置を含む。前記リードフレームアセンブリは、組み立てプロセス中に前記リードフレームを配置および保持するために使用される、７３により代表的に表される穴を含む。前記リードフレームサブアセンブリの要素７４は、２つの接続ピン７４ａおよび７４ｂと、シリコンセンサ要素回路１５が上に取り付けられたパッド７４ｃとを提供する。要素７４は、また、前記部品の分離に先立って、前記リードフレームアセンブリを一緒に保持するための、交差接続リンクとしても働く。７１により代表的に表される点線の長方形は、前記成形プロセスが完了した後で、前記部品を分離するために押し抜きされる領域を示す。リードボンドワイヤ７６および７８は、シリコンセンサ回路１５上のボンディングパッドを、それぞれ、接続ピン７５および７９に接続する。前記装置が分離されると、ピン７４ａおよび７４ｂは、それぞれリード線５９ｃおよび５９ｂとして働き、ピン７５および７９は、それぞれリード線５９ｄおよび５９ａとして働く。円形要素２０は、前記部品上に成形されるプラスチックレンズの輪郭を示す。前記光検出ダイが前記リードフレームに接合されて、接続が作成された後は、前記リードフレームはトランスファモールド内に配置され、図１、２、および４ｃ内に示されている前記プラスチックレンズアセンブリが、前記リードフレーム上にトランスファ成形される。前記レンズは、１つの部品であり、前記部品を封止する働きをするという利点を有する。前記レンズは、従来の２つ割り型を使用して成形されてもよい。前記部品は、成形された後で、切り離されて、ばりを取られ、図１に示すような独立した部品が形成される。
【００２５】
好ましい構成では、前記レンズシステムは、前記レンズシステムの軸にほぼ平行な狭いビーム角から入る光を、前記アクティブな検出領域上に集中させるように設計される。本システムでは、前記反射部分は、前記レシーバの光検出領域上に焦点がほぼ集中しているパラボラである。前記屈折レンズは、好ましくは、形状は楕円で、前記システムの軸に平行な光線を、前記光検出領域の中心に集中させるように設計されている。長軸が前記レンズシステムの軸と一致し、前記レンズの先端から最も遠い焦点が前記光検出領域の中心と一致し、前記システムが最適化されている色の光に対して最良の焦点を提供するように大端径と小端径の比率が選択された楕円形状レンズは、本目的に役立つ設計上の選択肢である。前記パラボラの焦点距離は、前記レンズの中心軸に最も近い点で前記パラボラのアクティブな部分に当たる、前記レンズの軸に平行な光線が、前記光システムが前記センサ上に集中させるように設計されている光の円錐の、外側の限界内を満たす角度で反射されるように選択されている。前記楕円の焦点の位置、前記長軸の位置合わせ、および大端径と小端径の比率が、上で概説したように選択されている場合でも、前記楕円の全体的なサイズは自由に拡大縮小することができる。前記楕円のサイズの拡大縮小は、前記レンズ構造内での前記楕円レンズの外縁の高さが、前記パラボラ表面の最も外側の限界から前記検出表面に反射される光がちょうど接触せずに通過する高さとなるように行うことが好ましい。前記屈折レンズの口径が増加するに従って、外側の限界における傾斜は大きくなりすぎる。言い換えれば、特定の屈折率の材料で作られた単一面レンズにより満たされることが可能な、実際的な円錐角が存在する。これは、前記屈折レンズの口径と、前記パラボラ反射体の口径の間のバランスの選択に影響する主な要因である。前記レンズアセンブリの全体的なサイズは、拡大縮小されてもよい。不必要に高い精度が要求されるほど小さくてはならず、また、前記封止されるセンサアセンブリが前記屈折レンズの下に収まるだけの、十分な大きさでなければならない。また、前記パラボラ反射体の大きさは、前記接続リード線を封止する前記リブによって前記反射体から取られる領域が、前記反射体の全領域のうちの望ましくないほど大きな部分とならないような、十分な大きさでなければならない。寸法の例は、次のとおりである。楕円レンズ６１の長半径は１．５２９ｍｍ、楕円レンズ６１の短半径は１．１６３ｍｍ、パラボラ反射体５４の焦点距離は０．２８８７ｍｍ、屈折レンズ６１の半径は１．０ｍｍ、パラボラ反射体５４の上部における半径は２．２ｍｍ、プラスチック封止材料６２の屈折率は１．５４。
【００２６】
封止材料６２は、単一の材料で作られていてもよく、または、本発明の譲受人に譲渡された米国特許公開第２００２−００５６８０６号明細書（２００２年５月１６日公開、表題”ＳＥＮＳＯＲ  ＤＥＶＩＣＥ  ＨＡＶＩＮＧ  ＡＮ  ＡＮＡＭＯＲＰＨＩＣ  ＬＥＮＳ”）で開示されているように、２つ以上の材料で作られていてもよい。
【００２７】
検出要素１５は、光ダイオードや、硫化カドミウムＣｄＳセルなどの、任意の形態の光センサデバイスであってもよい。好ましい検出要素は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，３７９，０１３号明細書（表題”ＶＥＨＩＣＬＥ  ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＷＩＴＨ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＬＩＧＨＴ  ＳＥＮＳＯＲ”）および米国特許第６，３５９，２７４号明細書（表題”ＰＨＯＴＯＤＩＯＤＥ  ＬＩＧＨＴ  ＳＥＮＳＯＲ”）で開示されている、光ダイオードである。前記検出要素回路の構造部品、および検出要素１５と接続される処理回路６６の簡単な開示を、図５〜９を参照して以下に説明する。
【００２８】
図５を参照して、処理回路６６および検出要素１５について、さらに詳しく説明する。処理回路６６およびセンサ要素１５は、相互接続信号１８６を運ぶ１本の線１６４により相互接続され、相互接続信号１８６は、有利には、光センサ感度調整信号、および結果として得られる光センサ出力信号の両方を含む。処理回路６６を実装するために、マイクロコントローラが使用されてもよく、前記マイクロコントローラは、信号線１６４に接続された、出力ピン１８８またはその他の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ピン構造に接続された、トランジスタ要素Ｑ１およびバッファ１９２を含む。前記トランジスタ要素Ｑ１は、信号ピン１８８とグラウンドとの間に接続された、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などの適切なトランジスタを使用して実装されてもよい。トランジスタＱ１は、トランジスタＱ１のベースに接続された制御線１９０により制御される。信号線１６４を、前記マイクロコントローラ内に存在する信号レベルから分離するために、信号ピン１８８には、バッファ１９２も接続される。
【００２９】
上述のように、前記センサデバイスは、露光トランスデューサ１７８上に入射する光１７６を入り込ませるための、レンズ６１を含む封止材料６２を含む。封止材料６２は、また、好ましくはリードフレーム１２の一部である、電源ピン１８０、グラウンドピン１８２、および信号ピン１８４も収容し保持する。３本のピン１８０、１８２、および１８４のみを使用することにより、検出要素１５および関連する処理回路６６のコストは大幅に削減される。
【００３０】
検出要素１５は、バス１６４を通して処理回路６６に接続され、バス１６４は、検出要素１５内の信号ピン１８４と処理回路６６内の信号ピン１８８との間で、相互接続信号１８６を運ぶ。以下で説明するように、信号ピン１８４，１８８は、相互接続信号１８６が検出要素１５への入力と検出要素１５からの出力の両方を提供することを可能にする、３状態ポートである。
【００３１】
検出要素１５内では、ＦＥＴ素子などの適切なトランジスタを使用して実装されることが可能なトランジスタＱ２が、信号ピン１８４とグラウンドとの間に接続される。トランジスタＱ２は、Ｑ２のゲートに接続された出力パルス１９４により制御される。定電流源１９６は信号ピン１８４に接続され、それにより、トランジスタＱ１およびトランジスタＱ２がいずれもＯＮ（高論理レベル）ではない場合に、相互接続信号１８６は高論理レベルに引き上げられる。定電流源１９６は、公称約０．５ｍＡであり、相互接続信号１８６をプルアップするために使用される。シュミットトリガインバータ１９８の入力は、信号ピン１８４に接続される。直列に接続されたインバータ２００および２０２が、シュミットトリガインバータ１９８の後に接続される。インバータ２０２の出力は、Ｄフリップフロップ２０４をクロック制御する。マルチプレクサ２０６の出力は、フリップフロップ２０４のＤ入力に接続される。マルチプレクサ２０６のセレクト入力は、出力パルス１９４がアサートされた場合、フリップフロップ２０４のＤ入力がアンアサートされ、出力パルス１９４がアサートされていない場合、フリップフロップ２０４のＤ入力がアサートされるように、出力パルス１９４により駆動される。ＮＡＮＤゲート２０８の出力は、フリップフロップ２０４のローアサートリセット２１０に接続される。フリップフロップ２０４の出力は、インテグレーションパルス２１２である。インテグレーションパルス２１２と、インバータ２００の出力とは、ＮＡＮＤゲート２０８に入力される。光−パルス回路２１４は、インテグレーションパルス２１２と、露光トランスデューサ１７８の出力とを受け入れ、出力パルス１９４を生成する。
【００３２】
検出要素１５は、有利には、光１７６を受け取らない、遮光トランスデューサ２１６を含む。遮光トランスデューサ２１６は、露光トランスデューサ１７８と実質的に同じ構造を有し、サイズおよび材料はトランスデューサ１７８と同じである。光−パルス回路２１４は、遮光トランスデューサ２１６の出力を使用して、露光トランスデューサ１７８内のノイズの影響を減少させる。
【００３３】
図６は、露光トランスデューサ１７８に入射する光１７６を、ＣＳＬにより示されている光ストレージキャパシタ３０４に蓄積される電荷に変換するための露光トランスデューサ１７８を含む、光−パルス回路２１４を説明する概略図である。露光トランスデューサ１７８は、米国特許第５，４７１，５１５号明細書（表題”ＡＣＴＩＶＥ  ＰＩＸＥＬ  ＳＥＮＳＯＲ  ＷＩＴＨ  ＩＮＴＲＡ−ＰＩＸＥＬ  ＣＨＡＲＧＥ  ＴＲＡＮＳＦＥＲ”、著者Ｅ．Ｆｏｓｓｕｍほか）に記述されている光ゲートセンサなど、光１７６を電荷に変換することが可能な任意のデバイスであってもよい。好ましくは、光トランスデューサ１７８は、以下で説明するような光ダイオードである。特に言及する場合を除き、以下の説明は、露光トランスデューサ１７８の特定のタイプまたは構成に依存しない。
【００３４】
トランスデューサ１７８に接続された光−パルス回路２１４は、インテグレーションパルス２１２を受け取り、インテグレーション周期パルス２１２の間にトランスデューサ１７８に影響を及ぼす光１７６の量に比例した、光コンパレータ信号を出力する。光−パルス回路２１４は、センサ論理３０６の制御下で動作する。センサ論理３０６は、露光トランスデューサ出力３１２とＶＤＤとの間に接続されたスイッチ３１０を制御する、リセット信号３０８を生成する。センサ論理３０６は、また、露光トランスデューサ出力３１２と光ストレージキャパシタ３０４との間のスイッチ３１６を制御する、サンプル信号３１４も生成する。光ストレージキャパシタ３０４の両端の電圧である、光ストレージキャパシタ電圧３１８は、コンパレータ３２０の一方の入力に供給される。コンパレータ３２０のもう一方の入力は、ランプキャパシタ３２４の両端のランプ電圧３２２である。ランプキャパシタ３２４は、電流ＩＲを生成している電流源３２６と並列である。センサ論理３０６は、さらに、ランプ電圧３２２とＶＤＤとの間に接続されたスイッチ３３０を制御する、ランプ制御信号３２８を生成する。コンパレータ３２０は、光ストレージキャパシタ電圧３１８とランプ電圧３２２の相対レベルに基づいて、コンパレータ出力１９４を生成する。センサ論理３０６は、リセット信号３０８、サンプル信号３１４、およびランプ制御信号３３０を、内部で生成されたタイミングに基づいて、または外部で生成されたインテグレーションパルス２１２に基づいて生成してもよい、
【００３５】
図７は、図６の光−パルス回路２１４の動作を説明するタイミング図である。測定サイクルは、リセット信号３０８がアサートされている間に、サンプル信号３１４がアサートされた、時間３４０において開始される。それにより、スイッチ３１６が閉じられて、光ストレージキャパシタ電圧３１８の電圧レベル３４２により示されているように、光ストレージキャパシタ３０４がＶＤＤまで充電される。次に、時間３４４において、リセット信号３０８がディアサートされ、それによりスイッチ３１０が開かれて、インテグレーション周期３４６が開始される。インテグレーション周期３４６の間、露光トランスデューサ１７８に入射する光１７６は陰電荷を生成し、光ストレージキャパシタ電圧３１８の下降電圧３４８を発生させる。時間３５０において、ランプ制御信号３２８がアサートされ、それによりスイッチ３３０が閉じられ、電圧レベル３５２により示されているように、ランプ電圧３２２がＶＤＤとなるようにランプキャパシタ３２４が充電される。
【００３６】
時間３５４において、サンプル信号３１４はディアサートされ、それによりスイッチ３１６は開かれて、インテグレーション周期３４６は終了する。時間３５４の後であり、かつ、次の測定サイクルの前である、ある時間３５６において、リセット信号３０８がアサートされなければならず、それによりスイッチ３１０は閉じられる。時間３５８において、ランプ制御信号３２８はディアサートされ、それによりスイッチ３３０は開かれる。それにより、ランプ電圧３２２の下降電圧３６０により示されているように、ランプキャパシタ３２４は、電流源３２６を通して一定の割合で放電する。最初は、ランプ電圧１９４が光ストレージキャパシタ電圧３１８よりも大きいため、電圧レベル３６２により示されているように、コンパレータ出力３３２はアンアサートされている。時間３６４において、ランプ電圧３２２の下降電圧３６０が、光ストレージキャパシタ電圧３１８よりも下になるため、コンパレータ出力１９４がアサートされる。コンパレータ出力１９４は、時間３６６までアサートされたままになり、時間３６６において、ランプ制御信号３２８がアサートされ、それによりスイッチ３３０が閉じられ、電圧３２２がＶＤＤに引き上げられる。パルス持続時間３６８により示される、時間３６６と時間３６４との間の差は、インテグレーション周期３４６の間に露光トランスデューサ１７８により受け取られた光１７６の量に反比例する。インテグレーション周期３４６は、インテグレーションパルス２１２により直接設定されるか、またはインテグレーションパルス２１２から導かれた信号により設定されることが可能である。インテグレーション周期３４６は、インテグレーションパルス２１２の幅に比例し、インテグレーションパルス２１２の幅は、図５の回路内の制御線信号１９０のパルス幅に比例することが想定されている。
【００３７】
図８は、ノイズ補償を有する修正された光−パルス回路２１４ａの概略図である。修正された光−パルス回路２１４ａは、遮光トランスデューサ２１６および関連する電子回路を組み込むことにより、光−パルス回路２１４に改良を加えている。遮光トランスデューサ２１６は、好ましくは、露光トランスデューサ１７８と同じ構造を有する。ただし、遮光トランスデューサ２１６は、光１７６を受け取らない。したがって、遮光トランスデューサ２１６により生成される電荷は、ノイズのみの関数である。このノイズは、大部分が、熱的な性質のものである。露光トランスデューサ１７８と同じ構造を有する遮光トランスデューサ２１６を提供して、前記露光トランスデューサおよび遮光トランスデューサが同じ表面領域と材料組成を有し、同じダイ上に蒸着されていてもよいようにすることにより、遮光トランスデューサ２１６により生成されるノイズ信号は、露光トランスデューサ１７８により生成される信号内のノイズにきわめて近いものになる。遮光トランスデューサ２１６により生成された信号を、露光トランスデューサ１７８により生成された信号から減算することにより、光トランスデューサ１７８内のノイズの影響を大幅に減らすことができる。
【００３８】
リセット信号３０８は、遮光トランスデューサ出力３８４とＶＤＤとの間に接続されたスイッチ３８２を制御する。サンプル信号３１４は、遮光トランスデューサ出力３８４と、ＣＳＮにより示されているノイズストレージキャパシタ３８８との間に接続されたスイッチ３８６を制御する。ノイズストレージキャパシタ３８８の両端の電圧であるノイズストレージキャパシタ電圧３９０は、コンパレータ３９２への１つの入力である。コンパレータ３９２への２つ目の入力は、ランプ電圧３２２である。コンパレータ３９２の出力である、ノイズコンパレータ出力３９４、およびコンパレータ出力１９４は、排他的ＯＲゲート３９６への入力として働く。排他的ＯＲゲート３９６は、光１７６の強度を示す、排他的ＯＲ出力１９４を生成する。
【００３９】
図９は、図８の光−パルス回路２１４ａの動作を説明するタイミング図である。光−パルス回路２１４ａは、リセット信号３０８、サンプル信号３１４、光ストレージキャパシタ電圧３１８、ランプ電圧３２２、ランプ制御信号３２８、およびコンパレータ出力１９４に関して、光−パルス回路２１４と同じ方法で機能する。時間３４０において、リセット信号３０８がアサートされている間に、サンプル信号３１４がアサートされる。スイッチ３８２および３８６が両方とも閉じられ、ノイズストレージキャパシタ電圧３９０の電圧レベル４１０により示されているように、ノイズストレージキャパシタ３８８がＶＤＤまで充電される。時間３４４において、リセット信号３０８がディアサートされ、それによりスイッチ３８２が開かれて、ノイズストレージキャパシタ電圧３９０に、遮光トランスデューサ２１６でノイズにより生成される電荷からの下降電圧４１２が発生する。時間３５４において、サンプル信号３１４はディアサートされ、ノイズ収集のためのインテグレーション周期３４６は終了する。時間３５８において、ランプ制御信号３２８はディアサートされ、それにより、ランプ電圧３２２の下降電圧３６０が発生する。最初は、ランプ電圧３２２がノイズストレージキャパシタ電圧３９０よりも大きいため、電圧レベル４１４により示されているように、ノイズコンパレータ出力３９４はアンアサートされている。コンパレータ出力３３２もアンアサートされているため、コンパレータ３９６からの出力１９４は、電圧レベル４１６で示されているように、アンアサートされている。時間４１８において、ランプ電圧３２２が、ノイズストレージキャパシタ電圧３９０のレベルよりも下になるため、ノイズコンパレータ出力３９４がアサートされる。ノイズコンパレータ出力３９４とコンパレータ出力３３２が異なるため、コンパレータ３９６からの出力１９４はアサートされる。時間３６４において、ランプ電圧３２２が、光ストレージキャパシタ電圧３１８のレベルよりも下になるため、コンパレータ出力１９４がアサートされる。ノイズコンパレータ出力３９４とコンパレータ出力１９４が両方ともアサートされたため、排他的ＯＲゲート３９６からの出力１９４はアンアサートされる。時間３６４と時間４１８との間の差である、出力パルス持続時間４２０は、露光トランスデューサ１７８に入射した光１７６の強度から、遮光トランスデューサ２１６により生成されたノイズを、インテグレーション周期３４６に渡って減算したものに比例する時間周期を有する。時間４１８と時間３５８との間の持続時間である、ノイズ持続時間４２２は、遮光トランスデューサ２１６によりインテグレーション周期３４６に渡って生成されたノイズの量に正比例する。このノイズの大部分は熱雑音なので、ノイズ持続期間４２２は、遮光トランスデューサ２１６の温度を示すものである。時間３６６において、ランプ制御信号３２８がアサートされ、それにより、ノイズコンパレータ出力３９４およびコンパレータ出力１９４の両方がディアサートされる。
【００４０】
非常に高い光レベルが前記センサに当たる場合がある回路では、電圧３１８が所定のしきい値よりも下になったら前記出力パルスを終了させるためのコンパレータ（図示せず）を含めることが好ましい。これは、信号１９４における出力パルスの最大持続時間４２０を制限する効果を有する。
【００４１】
処理回路６６、検出要素１５、および光−パルス回路２１４と２１４ａの動作の、追加の詳細は、上述の米国特許第６，３７９，０１３号明細書および米国特許第６，３５９，２７４号明細書内で開示されている。
【００４２】
検出要素の、特定の好ましい例を上記で開示したが、ここで使用されている「検出要素」という用語は、そのような構造に限定されるものではなく、むしろ、光センサの形態を含んでいてもよい。同様に、「支持構造」は、上記では、リードフレームまたはその部分であるとして説明したが、前記支持構造は、その上で検出要素が支持され封止されることが可能な任意の構造であってもよい。
【００４３】
本発明のセンサ装置は、従来のセンサ装置が使用されている多くの適用例で使用されてもよい。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，３７９，０１３号明細書は、そのようなセンサの、自動車へのさまざまな適用例を開示している。
【００４４】
図１０Ａ〜１０Ｄ，図１１、および図１２は、そのような自動車への適用例のいくつかを示す。特に、バックミラーアセンブリ５００を、図１０Ａ〜１０Ｄに示す。バックミラーアセンブリ５００には、前向きの周辺センサ１０ａ（図１０Ｂ）および後ろ向きのグレアセンサ１０ｂ（図１０Ａ）により検出された周辺光レベルの関数として、処理回路６６（図５および図１１）により制御される反射率を有する、エレクトロクロミックバックミラー５０２が組み込まれている。センサ１０ａおよび１０ｂのいずれかまたは両方は、図１〜４に示すいずれかの構造を有していてもよい。図１〜４のいずれかに示す構造を有するセンサを利用することにより、特定のセンサにとって望ましくなるように、垂直視野に比べて水平視野が広げられるか、または狭められてもよい。
【００４５】
図１０Ｂ〜１０Ｄに示すように、前記バックミラーは、さらに、上空に向けられたスカイセンサ１０ｃを含んでいてもよい。そのようなスカイセンサは、トンネルを検出し、それにより、車輌がトンネル内にいる場合はヘッドランプが適切に点灯され、トンネルを出ると消灯されることを確実にするために、ヘッドランプ制御システム内で役立つ。また、スカイセンサ１０ｃには、有利には、図１に示し以下で説明する構造を使用してもよい。スカイセンサ１０ｃは、処理回路６６（図５および図１１）に接続され、処理回路６６は、ヘッドランプ制御ユニット５１２に接続されていてもよく、それにより、センサ１０ａおよび１０ｃにより検出された周辺光レベルおよびスカイライトレベルに応じて車輌のヘッドランプが点灯および消灯されるようになる。前記ヘッドランプ制御システムは、さらに、車輌前方のイメージを検出するためのイメージセンサ５１５を含んでいてもよい。前記ヘッドランプ制御システムは、イメージセンサ５１５により検出された光源に基づいて、走行ビームヘッドランプの明るさを制御するという目的のため、および／または、前記ヘッドランプまたはその他の外部灯５１６をアクティブにしたり目標に向けたりして、前記外部灯により作成されるビームパターンを変更するという目的のために使用される。そのようなヘッドランプ制御システムの例は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／８００，４６０号明細書（２００１年５月５日出願、表題表題”ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ  ＥＸＴＥＲＩＯＲ  ＶＥＨＩＣＬＥ  ＬＩＧＨＴＳ”、Ｊｏｓｅｐｈ  Ｓ．  Ｓｔａｍほかにより出願）の中で開示されている。センサ１０ａ、１０ｂ、および／または１０ｃの出力は、また、車輌の室内灯５１８などのその他の車両用灯具を制御するため、およびより詳細には、インストゥルメントパネルおよびその他の車両装備品内のさまざまな表示器の表示灯の明るさを制御するために使用されてもよい。
【００４６】
図１０Ｂ〜１０Ｄに示すように、２つまたはそれ以上の追加のセンサ１０ｄおよび１０ｅが、日照負荷（ｓｕｎ  ｌｏａｄｉｎｇ）を検出するために使用されてもよい。日照負荷センサ１０ｄおよび１０ｅは、車両の上空に向けられ、また、車両の一方の側における日照負荷が、車両の他方の側におけるよりも大きいかどうかを検出するために、車両のわずかに異なる側に向けられる。日照負荷センサ１０ｄおよび１０ｅにより検出された光レベルに基づいて、ファンの速度および／または車両の各側の温度設定を調節するために、処理回路６６（図５および図１１）が、日照負荷センサ１０ｄおよび１０ｅに接続され、また、車両の空調システム５３０に接続される。日照負荷センサ１０ｄおよび１０ｅは、図１〜４に示し、上で説明したように構成されていてもよい。上記のセンサのいずれかにより検出された光レベルは、空調システム５３０の動作のいずれかの側面を制御するために使用されてもよい。例えば、スカイセンサ１０ｃおよび周辺センサ１０ａは、接近しつつあるトンネルを検知して、それにより、ヘッドランプを点灯させ、空調が再循環モードに入るようにするために使用されてもよい。
【００４７】
図１２は、本発明のセンサ構成を利用するための、さらに別の自動車適用例を示す。特に、図１２は、車両の風防ガラス上の水分（すなわち、雨、霧、もや、霜、および雪）を検出するための、水分検出システムを示す。このシステムは、ＬＥＤ５４０などの光源と、センサ１０ｆとを含む。ＬＥＤ５４０から放出された光放射（すなわち、可視光、赤外線、または紫外線放射）は、風防ガラス５５０に入り、内部で反射されてから出て、センサ１０ｆに当たる。前記風防ガラス上に水分が存在する場合、ＬＥＤ５４０からの光はセンサ１０ｆに到達せず、処理回路６６（図５および図１１）は、ワイパ制御５４６を介して車両風防ガラスワイパ５４５を始動させ、かつ／または、車両空調システム５３０の風防ガラスデフォガを始動させる。
【００４８】
自動車適用例の上記の例は、バックミラーアセンブリ内に配置されているものとして説明したが、上記の適用例のいくつかは、全体的または部分的に、車両インストゥルメントパネル、Ａピラー、サンバイザなどの、車両内のその他の位置または車両装備品内に、あるいはヘッドライナ上や風防ガラス上またはその付近に配置されたオーバヘッドコンソール内に実装されてもよいことが認識される。さらに、本発明のセンサは、自動車以外の任意の適用分野に使用されてもよく、広範に定義された本発明は、そのようないかなる適用分野にも限定されない。
【００４９】
上記の説明は、好ましい実施形態のみを考慮したものである。当業者、および本発明の作成者または使用者にとっては、本発明の変更形態が考えられる。したがって、図に示し、上で説明した実施形態は、単に説明を目的としたものであり、特許請求の範囲により定義され、均等論を含む特許法の原則に従って解釈される、本発明の範囲を限定することを意図したものではないということが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に従って構成されたセンサ装置の斜視図である。
【図２】図１に示すセンサ装置の横断面図であり、最初に拡散体を通過するさまざまな光線の経路を示す。
【図３】本発明に従って複数のセンサ装置を構築するために使用されるリードフレーム構成要素の上面図である。
【図４ａ】内部にレンズが配置された開口部の近くに配置された、センサ装置の側面図である。
【図４ｂ】内部に拡散体が配置された開口部からより遠くに配置された、センサ装置の側面図である。
【図４ｃ】内部に拡散体が配置された開口部から実質的な間隔が空けられた位置に配置された、本発明に従ったセンサ装置の側面図である。
【図５】本発明のセンサ装置構造内で、感度制御およびセンサ出力の両方を運ぶ１本の線により相互接続されて使用されてもよい、処理回路および検出要素を許容する回路を示す、概略ブロック図の形式による電気回路図である。
【図６】図５に示す検出要素内で使用するための、光−パルス回路の概略図である。
【図７】図６の光−パルス回路の動作を説明するタイミング図である。
【図８】図５に示す検出要素内で使用するための、ノイズ補償を有する任意選択の光−パルス回路の概略図である。
【図９】図８の光−パルス回路の動作を説明するタイミング図である。
【図１０Ａ】本発明のセンサ装置を組み込んだバックミラーアセンブリの正面立面図である。
【図１０Ｂ】本発明のセンサ装置を組み込んだバックミラーアセンブリの背面立面図である。
【図１０Ｃ】本発明のセンサ装置を組み込んだバックミラーアセンブリの背面の上面図である。
【図１０Ｄ】本発明のセンサ装置を組み込んだバックミラーアセンブリの側面立面図である。
【図１１】本発明のセンサ装置を使用した、車両装置制御システムを説明する、ブロック図の形式による電気回路図である。
【図１２】本発明のセンサ装置を使用した水分検出システムの側面立面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図７】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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