光电二极管光传感器的制作方法

专利名称：光电二极管光传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有作为光转换器的电荷积分光电二极管的光传感器。
背景技术：
光传感器产生指示入射到光传感器上的光强的输出信号。光传感器包括把光转换为电信号的光转换器，并且也可包括用于信号调节的电子装置，诸如温度的横向灵敏度的补偿，和输出信号格式。光传感器用于很广泛的应用范围内，包括遥感，通讯和控制。
光传感器的一种应用是用于自动变暗车辆后视镜。车辆驾驶人员利用车内和车外的后视镜观察车辆后的情景，不需要面向后方，并且观察另外被车辆结构阻挡住的车辆周围的区域。如上述，对车辆驾驶人员来说后视镜是一种重要的信息源。在车辆后面的情景中出现的明亮光线，例如来自后面接近的另一车辆，可在后视镜中产生闪光，能在视觉上暂时损害驾驶人员或使其目眩。当车辆驾驶人员的眼睛已适应黑暗时，在诸如发生在晚上的弱周围光线的情况中这个问题通常变得严重。
自动变暗后视镜消除了驾驶人员手动转换镜子的需要。最早的设计使用朝向后方的单眩光传感器，以检测冲击镜子的光的程度。由于驾驶人员对变暗镜子感觉的阈值，即眩光阈值作为周围光线程度的函数而改变，因此该设计证明是不适当的。一种改进包括用于检测周围光线程度的第二光传感器。这些系统中的眩光阈值是基于检测的周围光线的数量的。在建议的双传感器设计中，包括在Platzer的U.S.专利Nos.3,601,614；Brean等人的3,746,430；Bechtel等人的4,580,875；Gahan等人的4,793,690；Molyneux等人的4,886,960；Bechtel等人的4,917,477；Bechtel的5,204,778；Bechtel等人的5,451,822；和Schierbeek等人的5,715,093中描述的那些设计，每一个专利在此作为参考。
在自动变暗镜子设计中关键元件是用于执行周围光线和眩光检测的光转换器的类型。在选择光转换器类型中的重要的基本特征是动态范围。明亮阳光和月光的强度之比约为1,000,000∶1，指出了必须被周围光线传感器检测的宽量程。周围光线和眩光传感器都必须在车辆乘客车厢内经受的温度，湿度，冲击和振动范围内操作。如果传感器要被安装在外面的镜子中，要料想到更加苛刻的操作条件。传感器和支持的电子装置也必须是便宜的，以允许自动变暗镜子的成本降低到汽车购买者认为能够接受的范围内。转换器应该具有良好的抗扰性或与传感器中的噪声补偿电子装置在弱光程度时敏感性相匹配。转换器还应具有与人眼频率响应相类似的光谱响应。作为最后的所需特征，传感器必须容易地集成到通常在汽车应用中见到的数字控制系统类型中。
光电二极管光传感器包括硅基光电二极管和单衬底上的调节电子装置。光电二极管以与入射光的量成比例的速率产生电荷。在积分期间收集光诱导电荷。由此引起的电势表明在积分期间内传感器暴露于光线的程度。具有积分电荷收集的光传感器具有很多优点。通过改变积分时间，传感器的动态范围被大大扩展了。而且，在光电二极管增加抗扰性并允许传感器输出被格式化以被数字电路使用时，能够在相同衬底上结合另外的电子装置。组件集成另外减小了系统的成本。硅光传感器是相对温度恒定的并且可以被封装以提供对湿度，冲击和振动必要的保护。硅基光转换器的一个缺点是频率响应不同于人眼的频率响应。已描述各种电荷积分光电二极管器件，包括在Nishibe等人的U.S.专利Nos.4,916,307；Yang等人的5,214,274；Enomoto等人的5,243,215；Enomoto等人的5,338,691；Street的5,789,737中的那些，每一个专利在此作为参考。
所有类型的光传感器的一个难点是在高温时操作异常的发生。一些器件在高温时变得极端非线性。一些器件在操作特征上可遭受永久变化。由于过多的热噪声器件甚至可以提供完全错误的读数，例如在弱光情况下指示明亮光线。常规上，处理该问题的唯一方法是把一种温度传感器和相联系的电子装置结合到使用光传感器的系统中。
因此，需要的是一种具有宽动态范围的光传感器，其可以结合到诸如自动变暗后视镜的灵敏数字系统中。光传感器应补偿温度横向灵敏度，并且优选提供光传感器温度的指示。具有外部确定积分期间的电荷积分光传感器也是所需的。

发明内容
本发明的一个目的在于提供一种具有宽动态范围的电荷积分光传感器。
本发明的另一目的在于提供一种可经济生产的封装光传感器。
本发明的还一目的在于提供一种容易连接数字电子装置的电荷积分光传感器。
本发明的还一目的在于提供具有指示入射光强度和传感器温度的输出信号的电荷积分光传感器。
本发明的还一目的在于提供一种具有外部确定积分期间的电荷积分光传感器。
在执行本发明上述目的和其它目的以及特征时，提供一种光传感器。光传感器包括按入射到积分期间内的光的比例积累电荷的暴露光电二极管光转换器。在积分开始之前传感器逻辑确定光积分期间。在光积分期间开始时积累在暴露光转换器中的电荷被复位。测量在积分期间内由暴露光转换器积累的电荷并且在积累电荷的基础上确定具有一定宽度的脉冲。
在本发明的实施方案中，光传感器包括具有连接到暴露光转换器的输入以及连接到交换电容器电路的其它输入的比较器。当开关关闭时开关电容器电路对电容器充电到一固定电压，并且当开关打开时以恒定速率对该电容器放电。传感器逻辑在光积分期间关闭开关并在光积分期间后打开开关，从而在比较器输出中产生脉冲。在经过改进的装置中，光传感器还包括具有连接到固定电压的输入以及连接到开关电容器电路的其它输入的第二比较器。如果扫描电压低于该固定电压，第二比较器输出禁止确定脉冲的输出。
在本发明的另一实施方案中，光传感器包括屏蔽光的光电二极管光转换器。屏蔽光转换器按积分期间内噪声的比例积累电荷。传感器逻辑复位在光积分期间开始时积累在屏蔽的光转换器中的电荷。测量由屏蔽光转换器在积分期间积累的电荷并且在暴露光转换器电荷和屏蔽光转换器电荷差异的基础上确定具有一定宽度的输出脉冲。
在本发明的还一实施方案中。光传感器具有用于接收积分信号的输入。由于噪声依靠光传感器温度，输出脉冲可用于指示传感器温度。在噪声程度的基础上，在一持续时间后接收的积分信号结束后发送输出脉冲。
在本发明的还一实施方案中，可从传感器逻辑接收的控制信号的赋值部分确定光积分期间或在传感器控制中由循环通过预定时间期间的顺序确定光积分期间。
在本发明的还一实施方案中，光传感器至少包括一种额外的暴露光电二极管光转换器。每个暴露光转换器按在积分期间入射的光的比例以不同于其它任何暴露光转换器的速率积累电荷。在每个额外的暴露光转换器积累电荷的基础上，传感器逻辑输出具有一定宽度的脉冲。在经过改进的装置中，每个暴露光转换器具有不同的集电极面积。在另一个改进的装置中，每个暴露光转换器具有不同的光接纳面积的孔径。
还提供一种光传感器封装。该封装包括具有用于接收光线的窗口的外壳。该外壳接纳电源引脚，地引脚和输出引脚。在外壳中，暴露光电二极管光转换器按通过窗口入射到积分期间内的接收光的比例积累电荷。在暴露光转换器积累的电荷的基础上光电压电路输出光电压信号。电压脉冲电路在输出引脚上输出脉冲。脉冲的宽度是基于光电压信号的。
还提供一种具有覆盖在衬底之上的光电二极管的光转换器。在光电二极管下面的衬底区域中形成的光电二极管阱中，光电二极管积累由入射到光电二极管上的光产生的电荷。光电二极管具有本征光电二极管电容。具有本征漂移扩散电容的漂移扩散也形成在衬底中。当电荷被复位时，漂移扩散具有在漂移扩散之下的衬底区域中形成的扩散阱。当电荷被复位时，漂移扩散消除扩散阱中的电荷。漂移扩散电荷确定输出电势。具有本征传输门电容的传输门被放置在光电二极管和漂移扩散之间。在光电二极管之下的衬底区域和漂移扩散之下的衬底区域之间的衬底区域中传输门形成传输阱。传输阱具有比光电二极管阱和扩散阱浅的深度。当复位电荷时，在传输阱深度之上的光电二极管中的电荷流经传输阱，通过漂移扩散并且消除。在光积分期间，由入射到光电二极管的光产生的电荷流经传输阱并进入扩散阱，产生与漂移扩散电容成反比例的输出电压。一旦填充扩散阱到传输阱的深度，由入射到光电二极管的光产生的电荷填充光电二极管阱，传输阱，和扩散阱，产生与漂移扩散电容，光电二极管电容，和传输门电容的和成反比例的输出电压。双电容在电荷只积累在扩散阱中的过程中提供第一灵敏度，并且电荷积累在扩散阱，传输阱和光电二极管阱中的过程中提供第二灵敏度。第一灵敏度比第二灵敏度大。
在一个实施方案中，光传感器包括光电二极管和源电压扩散之间的反浮散门。反浮散门限定光电二极管之下的衬底区域和源电压扩散之间的衬底区域中形成的反浮散阱。反浮散阱具有比传输阱浅的深度。
当联系附图，通过下面详细描述用于执行本发明的最好方式，很容易明白本发明的上述目的和其它目的，性能以及优点。


图1示出了可体现本发明的车辆后视镜；图2是本发明一种实施方案的框图；图3是示出可用于执行本发明的光传感器的积分控制和传感器输出的时序图；图4是允许变暗逻辑和光传感器被运输积分控制和传感器输出的单线相互联系的电路图的示意图；图5是示出图4的电路图操作的计时图；
图6根据本发明实施方案的具有内部和外部后视镜的后视镜系统的框图；图7是示出变暗逻辑的实施方案的示意图；图8是示出电色(electrochromic)元件透射比控制操作的示意图；图9是示出电色元件透射比控制的计时图；图10是示出减光器(变暗元件)反射率随着减光器控制信号占空度变化的图表；图11是示出根据本发明实施方案的变暗逻辑操作的流程图；图12是示出在变暗逻辑的实施方案中执行的二进制对数近似的图表；图13是示出根据本发明实施方案的具有脉冲输出的光传感器操作的示意图；图14是示出图13中的光传感器操作的计时图；图15是示出根据本发明实施方案的具有噪声补偿的光传感器操作的示意图；图16是示出图15中的光传感器操作的计时图；图17是使用光电二极管作为光转换器的图15的光传感器执行的示意图；图18-21是光传感器封装，输出，和控制的各种实施方案的框图；图22是用于在内部确定积分期间信号的传感器逻辑的框图；图23是示出根据本发明实施方案的具有不同有效面积以得到增加动态范围的光转换器应用的框图；图24是示出根据本发明实施方案的具有不同孔径以得到增加动态范围的光转换器应用的框图；图25是示出根据本发明实施方案对不同光入射电荷数量以得到增加动态范围的不同转换器电容的示意图；图26是图25的转换器的输出电势随着积累入射光变化的图表；图27是示出根据本发明实施方案的包含反浮散门的光电二极管转换器的示意图；
图28是示出根据本发明实施方案的光传感器外壳的示意图；图29是示出光传感器视野随着光转换器与镜头的距离变化的图表；图30是示出光传感器光学增益随着光转换器与镜头的距离变化的图表；图31是示出人眼频率响应的图表；图32是示出典型光转换器频率响应的图表； 以及图33是根据本发明实施方案包含红外过滤器的外壳的附图。
具体实施例方式
现在参考图1，示出了可体现本发明的车辆后视镜。汽车20由驾驶人员22驾驶。驾驶人员22使用车内后视镜24和一个或多个车外后视镜26以观察后方的情景，后方总体以28示出。时常，驾驶人员22通过挡风玻璃30向前看。因此驾驶人员22的眼睛适应于通常来自前方的周围光线32。在后方情景28中相对明亮的光线源可产生光线，其可以从镜子24，26上反射过来，暂时在视觉上损害，干扰或使驾驶人员22目眩。相对强的光线被称为眩光34。
为减小眩光34对驾驶人员22的影响，镜子24，26的反射率要减小。优先于自动变暗镜子，内后视镜24应包含可被驾驶人员22手动转换的棱镜反射元件。自动变暗镜子包括用于眩光34，并且典型地用于周围光线32的传感器，并且应眩光34的程度变暗一个或多个镜子24，26。
现在参考图2，示出了本发明实施方案的框图。通常以40示出的变暗元件，包括可变透射率元件42和反射表面44。变暗元件40放置得使得通过可变透射率元件42观察反射表面44。变暗元件40应变暗元件控制信号46的要求显示光的可变反射率。放置周围光线传感器48以接收通常来自车辆20前方的周围光线32。周围光线传感器48产生离散周围光线信号50，该信号指示在周围光线积分期间内入射到周围光线传感器48上的周围光线32的数量。放置眩光传感器52以检测通常来自车辆20后方的眩光34，并且可选择地放置以通过可变透射率元件42观察眩光34。眩光传感器52产生离散眩光信号54，该信号指示在眩光积分期间内入射到眩光传感器52上的眩光34的数量。变暗逻辑56接收周围光线信号50并且确定周围光线程度。在周围光线32程度的基础上变暗逻辑56确定眩光积分期间。变暗逻辑56接收眩光信号54并且确定眩光34的程度。变暗逻辑56输出变暗元件控制信号46，设置变暗元件40的反射率以减小驾驶人员22感觉到的眩光34的影响。
或者眩光传感器52，周围光线传感器48，或者这两者优选为具有积分电荷收集的半导体光传感器。所述传感器包括把入射光转换为电荷的光转换器。在积分期间内收集电荷以产生由传感器48，52转换为离散输出的电势。在Nishibel等人的名称为“具有暗电流补偿的光强度探测电路”的U.S.专利No.4,916,307，Yang等人的名称为“具有阈电压探测器和带电存储电容的图象传感器阵列”的U.S.专利No.5,214,274中描述了适合该应用的设计，其每一个在此作为参考。根据下面的图13-33描述光传感器48，52的优选实施方案。
硅基传感器的一种难点是硅和人眼之间的光谱灵敏度的差异。周围光线过滤器58可放置在周围光线传感器50之前或结合在其中。相似地，眩光过滤器60可放置在眩光传感器52之前或结合在其中。过滤器58，60衰减包括可见光，红外和紫外射线在内的光谱的特定部分，使得冲击传感器48，52的光线结合传感器48，52中的光转换器的频率响应，以更加接近人眼的响应并补偿诸如挡风玻璃30的车辆视窗的着色。根据下面的图31-33描述过滤器58，60的使用以补偿传感器48，52中的光转换器的光谱灵敏度。
可使用各种器件实现可变透射率元件42。如在Jordan等人的名称为“光电控制的后视镜”的U.S.专利No.3,680,951，和Bauer等人的名称为“汽车的自动后视镜”的U.S.专利No.4,443,057中描述的，可机械地得到变暗，每一个专利在此作为参考。使用如在Ohmi等人的名称为“眩光屏蔽型反射镜”的U.S.专利No.4,632,509中描述的液晶元件，可形成可变透射率元件42，该专利在此作为参考。可变透射率元件42优选为电色元件，其应施加控制电压的要求改变透射率，诸如在Byker的名称为“单室，自清除液相电色器件，在此使用的溶液，及其应用”的U.S.专利No.4,902,108中描述的，该专利在此作为参考。可使用许多其它的电色器件执行变暗元件40，其中的一些在该申请的背景技术部分中提及过了。如本领域中的普通技术人员将认识到的，本发明不依靠变暗元件40的类型或结构。如果变暗元件40包括电色可变透射率元件42，反射表面44可结合到可变透射率元件42中或可在可变透射率元件42的外部。
每个内后视镜24和外后视镜26必须包括用于自动变暗的变暗元件40。内后视镜24优选还包括变暗逻辑56，光传感器48，52，及如果使用的话，过滤器58和60。根据下面的图6描述用于控制外后视镜26的各种实施方案。
现在参考图3，示出了一种计时图(时序图)，该图示出了可用于执行本发明的光传感器的积分控制和传感器输出。电荷积累光传感器48，52通过可变积分期间而显示增加的动态范围。总体以70示出的控制信号，被用于指定积分期间。引起总体以72示出的传感器输出，包括每个积分期间的输出脉冲。限制可被有效测量的光诱导电荷的总数。因此，在明亮光线出现时，需要短的积分时间以阻止饱和。然而，如果在弱光线情况中使用短的积分时间，电荷信号可消失在传感器48，52固有的噪声中。
控制信号70包括一序列具有不同长度的积分期间。在图3示出的实施例中，产生具有短积分期间76的短积分脉冲74。由于噪声半导体光传感器可在完全黑暗的环境中输出短脉冲。因此，忽略持续时间小于阈值的传感器输出72中的任何脉冲，诸如短脉冲78。接下来，产生具有中等积分期间82的中等积分脉冲80。引起的中等信号脉冲84具有指示中等积分期间82中入射到传感器48，52上的光的数量的持续时间。产生具有长积分期间88的长积分脉冲86。如果光传感器48，52足够明亮，将导致饱和。因此，也忽略持续时间比阈值大的长信号脉冲90。
可在光传感器48，52的外部产生控制信号70，或者通过光传感器48，52中的控制逻辑产生。如果在外部产生，控制信号70和传感器输出72可共用普通信号线或可使用各自的信号线。根据下面的图4-28描述各种选择和实施方案。
现在参考图4，示出了允许变暗逻辑和光传感器被运输积分控制和传感器输出的单线相互连接的电路的示意图。光传感器48，52包括具有允许光104入射到暴露的光转换器106上的窗口102的外壳100。外壳100接纳电源引脚108，地引脚110和信号引脚112。只使用这三个引脚108，110，112大大减小了光传感器48，52的成本。根据下面的图28描述用于实现光传感器48，52的三引脚封装。
通过光传感器48，52中的信号引脚112和变暗逻辑56中的信号引脚116之间的互相连接信号114，光传感器48，52连接到变暗逻辑56上。如下述，信号引脚112，116是允许相互连接信号114提供光传感器48，52的输入和光传感器48，52输出的三态端口。变暗逻辑56可包括连接在信号引脚116和地之间的FET Q1。FET Q1由连接到Q1基极上的控制线118控制。缓冲器120也连接到信号引脚116上。
在光传感器48，52中，FET Q2连接到信号引脚112和地之间。FET Q2由连接到Q2的门的输出脉冲122控制。恒定电源124连接到信号引脚112上使得如果Q1不开Q2也不开，相互连接信号114被升高。恒定电源124标称提供大约0.5mA，以停止相互连接信号114。Schmidt触发脉冲反相器126的输入连接到信号引脚112。Schmidt触发脉冲反相器126的后面串联有反相器128和130。反相器130的输出计时D触发器132。多路调制器134的输出连接到触发器132的D输入。多路调制器134的选择输入由输出脉冲122驱动，使得当输出脉冲122被赋值时，触发器134的D输入是未赋值的，并且当输出脉冲122未被赋值时，触发器134的D输入被赋值。NAND门136的输出连接到触发器132的下赋值复位138。触发器132的输出是积分脉冲140。积分脉冲140和反相器128的输出被输入到NAND门136。光脉冲电路142接收积分脉冲140和暴露光转换器106的输出并产生输出脉冲122。根据下面的图13-17和23-27描述光脉冲电路142的实施方案。
在优选实施方案中，光传感器48，52包括不接收光104的屏蔽光转换器144。光脉冲电路142使用屏蔽光转换器144的输出以减小暴露光转换器106中的噪声影响。
现在参考图5，示出了图4的电路图操作的计时图。最初，低赋值相互连接信号114是高的。触发器132的态必须为零，用于赋值复位138和迫使触发器132的态至零，如果态为一，到NAND门136的两个输入会高。
在时间150，变暗逻辑56赋值把晶体管Q1打开的控制线118。然后在时间152减弱相互连接信号114。反相器130的输出从低转换到高，设置触发器132的态至一，导致积分脉冲在时间154变得赋值。光脉冲电路142开始积分入射到暴露光转换器106上的光104。在时间156，降低控制线118关闭晶体管Q1。时间156和时间150之间的区别在于变暗逻辑56所需的积分期间158。由于Q1和Q2都关闭了，在时间160电源124提高相互连接信号114。由于反相器128的输出和积分脉冲140都是高的，赋值复位138，导致触发器132的态变至零并且积分脉冲140在时间162变得未赋值。这向光至脉冲电路142发信号以停止积分入射到暴露光转换器106上的光104。
在时间164，光脉冲电路142赋值输出脉冲122以开始输出光强度信息。赋值输出脉冲122把晶体管Q2打开，在时间166把相互连接信号144降低。这导致反相器130输出作为触发器132态的计时为零低至高转换。光脉冲电路142在时间168去赋值输出脉冲122。时间168和时间164的区别在于指示积分期间158内入射到暴露光转换器106上的光104的数量的光强度期间170。当输出脉冲122在时间168变低时关闭晶体管Q2。由于晶体管Q1和Q2都被关闭，在时间172提高相互连接信号114。变暗逻辑56中的缓冲器120在时间166和172检测相互连接信号114中的转换。时间172和166之间的时间区别(时间差)被变暗逻辑56使用以确定光传感器48，52接收的光104的强度。
如果屏蔽光转换器144被包括在光传感器48，52中，在时间162的积分脉冲140的去赋值和在时间164的输出脉冲122的赋值之间的时间区别(时间差)部分起因于光传感器48，52中的热噪声。该区别被表示为热噪声期间174。热噪声期间174可被变暗逻辑56使用以确定光传感器48，52的温度或更加简单地用于确定传感器48，52中的噪声程度对可靠读数是否过高。如果光传感器48，52的温度超过了预置界限时，变暗逻辑56可使变暗元件40的自动变暗失效。根据下面的图15-17，描述光传感器48，52使用屏蔽光转换器144以产生指示光传感器48，52中的热噪声数量的输出脉冲122的能力。
现在参考图6，示出了根据本发明实施方案的具有内和外后视镜的后视镜系统的框图。如根据上述根据图2描述的内后视镜24中的变暗元件40进行操作。每个外后视镜26包括具有在外反射平面184的反射之前和之后对变弱来自后面情景28中的光起作用的外可变透射率元件182的外变暗元件180。在外变暗元件控制信号186的基础上，外变暗元件180提供可变反射率。外变暗元件180可以根据变暗元件40描述的任何方式操作，并且优选为电色镜子。外镜控制188产生外变暗元件控制信号186。外镜控制188可以是外后视镜26，内后视镜24的一部分，或放置在任何镜子24，26的外部。控制外变暗元件180的各种实施方案依靠传感的数量并控制以被包括在外后视镜26中。
在一个实施方案中，在周围光线传感器48和眩光传感器52的输出的基础上，内后视镜24中的变暗逻辑56确定外变暗元件控制信号186。在变暗逻辑56中计算的并通过内镜信号190传输到外镜控制188的反射程度的基础上，变暗逻辑56可直接产生外变暗元件控制信号186或外镜控制188可产生外变暗元件控制信号186。
在另一实施方案中，外后视镜26包括外眩光传感器192，其在眩光积分期间内入射到眩光传感器192上的眩光34的数量的基础上，放置得以接收来自后面情景28中的眩光34，并对输出外眩光信号194起作用。由于具有硅基电荷积累转换器106，144的光传感器48，52具有对温度的低横向灵敏度，在车辆20外部安装光传感器48，52比光转换器的其它类型要更加实际。变暗逻辑56使用外眩光信号194和周围光线信号50以确定外变暗元件180的反射程度。再次，在包含在内镜信号190中的反射程度的基础上，外变暗元件控制信号186可由变暗逻辑56直接产生或由外镜控制188形成。和眩光过滤器60相似的外眩光过滤器196，可被放置在外眩光传感器192之前或做在外眩光传感器192中以提供具有和人眼响应接近的响应的外眩光传感器192。内镜信号190和外眩光信号194可以是脉冲宽度调制信号，脉冲密度信号，串行数据流的形式，或在诸如CAN总线的自动总线上数字化和通信。
在另一实施方案中，外眩光传感器192产生眩光信号198，其被直接发送到外镜控制188。在外眩光信号198和周围光线32程度由变暗逻辑56确定和通过内镜信号190发送到外镜控制188的基础上，外镜控制188确定变暗元件控制信号186。
在另一实施方案中，外后视镜26确定外变暗元件180的反射率，不依赖于由内后视镜24检测到的眩光34或周围光线32。在该实施方案中，外后视镜26根据上述图2描述的进行操作。
现在参考图7，示出了变暗逻辑的实施方案的示意图。该电路描述了一种对自动变暗内后视镜24有效而便宜的执行。变暗逻辑56利用以U1示出的小的低成本微控制器，诸如Microchip Technology，Inc.of Chandler，Arizona的PICI6C620。周围光线传感器48通过连接到微控制器输入RB0的相互连接信号114和微控制器U1联络。相似地，眩光传感器52通过连接到微控制器输入RB2的单独相互连接信号114a和微控制器U1联络。如根据上述图4和5所描述的，每个相互连接信号114传输从光传感器48，52到微控制器U1的积分期间158以及传输从微控制器U1到光传感器48，52的光强度期间170。连接在VDD和地之间的电阻器R29和电容器C4对光传感器48，52提供过滤过的电源。
平行电阻器R15和二极管D5被连接在VDD和节点208之间。电容器C12被连接在节点208和地之间。电阻器R6连接共同节点208到微控制器U1的输入/MCLR。元件D5，R15，R6和C12形成通电复位电路，总体以210示出。通过点火线212电源施加到变暗逻辑56。二极管D1保护点火线212上的反极性并且二极管D2固定来自点火线212的电压近似为5伏特。电容器C2，C7和C11，电阻器R3以及铁氧体元件E1形成电源调节电路，通常以214示出。当车辆20反向放置时，反向线216被赋值。电容器C10和电阻器R8，R9以及R27形成反向信号调节电路，总体以218示出。反向信号调节电路218低通滤过反向线216并对微控制器U1上的数字输入引脚RB6提供静电释放保护。只要车辆20反向放置微控制器U1使用反向线216上的信号以清除可变透射率元件42。微控制器U1由连接在OSC1引脚和VDD之间的电阻器R2形成的RC振荡器和连接在OSC1引脚和地之间的电容器C1计时。串联连接在VDD和微控制器U1的漏极开路输出RA4的电阻器R30和LED D3形成指示灯，其可被安装在内后视镜24上以警告变暗逻辑56的操作状态的驾驶人员22。开关S1和S2分别连接到微控制器U1的数字输入RB1和RB3以允许选择控制选择项。
现在参考图8，示出了电色变暗控制的操作的示意图。已重新画出变暗逻辑56的一部分，以更加清楚地示出电色可变透射率元件42的控制。在操作上电色可变透射率元件42优选相似于在Byker的名称为“单室，自清除液相电色器件，在此使用的溶液，及其应用”的U.S.专利No.4,902,108中描述的，该专利在此作为参考。电色可变透射率元件42应施加在输入节点220的控制电压的要求变暗。如果除去施加的控制电压，电色可变透射率元件42将自放电，传送光的增加数量。电色可变透射率元件42可被短输入节点220迅速清除至地。尽管描述的应用特别适合自动后视镜，本领域中的普通技术人员应当明白变暗逻辑的全部或部分可用在多种电色镜子和窗口应用中。
电阻器R17连接输入节点220到在节点222的复合晶体管对(达林顿对晶体管)Q10的发射极。通过典型为27Ω的电流限制电阻R5，Q10的集电极被连接到电源上。通过电阻器R1和R7，复合晶体管对Q10的基极连接到微控制器U1的数字输出RB4。通过电阻器R4和通过电阻器R7和电容器C16，Q10的基极也连接到地。应继续微控制器U1的软件产生的脉冲控制226的要求，由脉冲输出224驱动数字输出引脚RB4。脉冲输出224可产生例如诸如脉冲宽度可调整信号的脉冲信号。脉冲输出224优选起开关的作用，一旦在如根据下面的图9描述的每个传输期间中，设置输出引脚RB4至高电压或低电压。电容器C16和电阻器R1，R4和R7形成低通过滤器，总体以227示出，以平缓出现在数字输出RB4上的信号。该平缓导致了固定所需控制程度的在输入节点220的基本恒定的施加控制电压。另外，基极发射器二极管访问Q10连同形成在电阻器R4和设置电色可变透射率元件42的操作电压的电阻器R1和R7和之间的电压分配器。元件的标准值为R1和R4是1KΩ，R7是100Ω，C16是100μF。由于数字输出RB4在5伏特，并且由电色可变透射率元件42引起的标称电流，输入节点220近似为1.2伏特。
可通过在输入节点220施加控制电压的电色可变透射率元件42的反馈，提高变暗逻辑56的性能。微控制器U1包括比较逻辑，如果施加控制电压比所需控制程度高，以引起脉冲输出224，释放低电压否则释放高电压。典型地，高电压接近VDD，低电压接近地。通过比较代表所需控制程度的数位和使用数模转换器得到的数字化施加控制电压，可作出该比较。另一方面，使用数模转换器(DAC)228和比较器230。响应微控制器U1上运行的软件提供的DAC控制232上的所需控制程度的要求，DAC228产生模拟输出AN2上的所需电压电平。电阻器R31连接到模拟输出AN2和节点234之间，电阻器R26连接到节点234和地之间。在模拟输入AN3的比较器230的输入连接到输入节点234。在模拟输入AN0的比较器230的其他输入连接到输入节点220。比较器230的输出指示所需电压电平是否大于施加的控制电压。选择电阻器R31和R26的值，使得节点234的电压在输入节点220的期望的施加控制电压的范围内，遍及所需的DAC228的控制电压输出的范围。R31和R26的典型值分别为390KΩ和200KΩ。
通过连接电阻器R24到节点234和节点222之间得到正反馈。使用电阻器R17以探测通过电色可变透射率元件42的驱动电流，并且因此电阻器典型为低值，诸如10Ω。电阻器R24典型为高值，诸如1.3MΩ。随着通过电阻器R17的驱动电流增加，电阻器R17两端的电压增加，阻止节点234的电压。比较器230的正输入端上的电压增加具有增加脉冲输出224占空度的再生效果。当电色可变透射率元件42具有增加的电流牵拉连同最大操作电压的增加时，该再生效果提供在较高温度响应的较好系统。正反馈也补偿在电色可变透射率元件42中的内电阻效果。
现在参考图9，示出了电色可变透射率控制的计时图。在自动变暗操作中，在转变点开始微控制器U1中执行的软件，一个转变点以240示出，被固定转变期间242分开。所需控制程度244指示所需的电色可变透射率元件42的透射率程度。所需控制程度244可为模拟值，或优选为微控制器U1确定的数位。通过比较逻辑比较所需的控制程度244和施加控制电压246。比较器230接收施加控制电压246和出现在节点234的所需控制电压。比较器输出236产生差异信号248，当代表所需控制程度244的所需电压电平大于比施加控制电压246时，该信号被赋值。比较器输出236用于产生输出RB4上的控制信号250。如果所需控制程度244大于施加的控制电压246时，数字输出RB4被转换到高。如果所需控制程度244小于施加控制电压246，数字输出RB4被转换到低。低通过滤器277优选过滤控制信号250以产生施加控制电压246。
设置转换期间242的持续时间以抑制例如可被车辆驾驶人员22觉察到的电色元件42中的闪烁。转换期间242可优选在两秒和两微秒之间。对根据上述的图7和图8描述的系统，转换期间242可用5毫秒。
现在参考图10，示出了变暗反射随着施加控制电压变化的图表。曲线254绘出了作为包含电色可变透射率元件42的变暗元件40的百分比反射随着施加控制电压256变化的情况。曲线254指示随着施加控制电压从大约0.2伏特增加到大约0.9伏特，反射从大约86％减小到大约8％。图10也包括曲线256，该曲线示出典型电色可变透射率元件42的电流随着施加控制电压256变化的情况。
现在参考图7，提供另外的电路以迅速清除可变透射率电色元件40。晶体管Q11被连接在可变透射率电色元件40的两端，集电极连接在节点220，发射极连接在地。通过电阻器R23晶体管Q11的基极连接到数字输出RB7。当数字输出RB7被赋值时，晶体管Q11打开，作为一种开关，以迅速放电电色可变透射率元件42。电容器C6被连接到晶体管Q11的集电极和基极之间以减小晶体管Q11开关时产生的电磁干涉。晶体管Q12被连接到晶体管Q11的基极和地之间并且也被数字输出RB7所控制。晶体管Q11和Q12打开，以关闭晶体管Q10，从而同时阻止试图变暗和清除电色可变透射率元件42。电阻器R7被放置在电容器C16和晶体管Q12的集电极之间，以限制电容器C16通过晶体管Q12的放电电流。
现在参考图11，示出了根据本发明实施方案的变暗逻辑操作的流程图。如本领域的普通技术人员应当理解的，示出的操作不是必需的连续操作。而且，虽然该操作被微控制器U1中执行的软件优选执行，但操作可被软件，硬件，或两者的结合执行。本发明超越任何具体实施并且为容易说明，以连续流程图的方式示出了各个方面。
读取周围光线读数并且在块260中初始化平均周围光线。当自动变暗系统最初被通电时，通过使用周围光线传感器48读取周围光线32的第一读数，初始化平均周围光线程度。分别根据下面的块262和270描述周围光线读数和平均周围光线程度的获得。
读取周围光线读数并且在块262中求出周围光线读数的对数。具有积分电荷收集的半导体周围光线传感器48的使用产生对周围光线程度32的宽范围具有良好分辨率的周围光线信号50。如根据上述图3描述的，这是通过使用不同的积分期间76，82，88读取周围光线32各种读数而完成的。在优选实施方案中，使用四个单独的积分期间，例如，诸如600μs，2.4ms，9.6ms和38.4ms。这些积分期间的每一个和邻近的期间差因子4。因此，例如，2.4ms的积分期间导致周围光线传感器48对周围光线32产生的敏感性多于600μs的积分期间产生的4倍。典型地，周围光线传感器48首先使用最短的积分脉冲74以产生短信号脉冲78。变暗逻辑56测量短信号脉冲78的宽度。由于在完全黑暗中的周围光线传感器48可仍然形成宽度小于100μs的短信号脉冲78，设置最小阈值用于接收作为精确反映周围光线32程度的短信号脉冲78。该阈值典型可为300μs。如果短信号脉冲78未超过该阈值，周围光线传感器48使用下一个最长的积分期间。如果最长的积分期间未产生合适的长信号脉冲，周围光线32是在极端弱的程度并且镜子24，26可被操作在对眩光34的最大灵敏度上。
使用周围光线信号50的对数允许使用一种便宜的微控制器，例如U1，其可只具有8位内寄存器并且没有乘法指令。由于微控制器是二进位器件，以2为底的对数比以10为底的对数或自然对数需要对计算机较少的指令。为得到具有代表整数部分的最有效四位和代表小数部分的剩余有效四位的8位二进制对数，先描述一种运算法则。以最有效位开始一位一位地检查由合适积分期间产生的8位周围光线信号50，直到发现第一个二进制的1。包含第一个二进制1的位的位置变成对数的整数部分。在包含第一二进制1的位的位置后的四个最有效位变成对数的小数部分。该值增加1/16以更好接近对数。现在提供二进制对数近似的例子。假设周围光线信号50被确定为44(以2为底的00101101)。最有效赋值位是位5，因此结果值的整数部分是二进制的0101。位5后面的接下来的四位是0110，因此结果值的小数部分是0110，总值是0101.0110。增值后，二进制对数近似变成0101.0111。
现在参考图12，示出了根据上述运算法则的二进制对数近似的图表。对1和255之间的N值画出了二进制对数。曲线290示出了精确的二进制对数。曲线292示出了近似的二进制对数。
必须定标周围光线信号50以补偿不同的可能积分期间。这可通过增加比例系数到周围光线信号50的二进制对数而完成。例如，如果使用最长的积分时间(38.4ms)测量周围光线32，加入为0的比例系数。如果使用下一个最长的积分时间(9.6ms)，加入为2的比例系数。如果使用下一个最长的积分时间(2.4ms)，加入为4的比例系数。如果使用最短的积分时间(600μs)，加入为6的比例系数。由于由二进制对数近似产生的最大值为8(1000.0000)，加入比例系数没有产生溢出。
现在参考图11，在块264中比较周围光线程度和日检测程度。使用日检测程度以在诸如车辆20从隧道进入到日光中的从黑暗到明亮的快速转变中，阻止变暗元件40的变暗或更加迅速地对其清除。如果周围光线32的对数超过了预置的日检测程度，清除可变透射率元件42以在块266中设置变暗元件40到最大反射。于是在块268中处理延迟了。进入一种等待循环，该循环具有足够长的时间以使读取周围光线读数间的期间等于恒定周围光线循环延迟。例如该期间可为400ms。在块268中的等待后面，在块262中读取周围光线32的另一读数。如果周围光线32的对数未超过该日检测程度，在块270中得到一平均值。
在块270中确定周围光线程度的对数的平均值。首先转换为周围光线32对数的平均读数从显著偏移的否则黑暗周围光线32的平均读数中减小了车辆20前面的暂时的明亮光线的影响。可由诸如下面等式1描述的数字低通过滤器得到周围光线信号50的对数的连续平均值。y(n)=164x(n)+6364y(n-1)----(1)]]>其中x(n)是最近得到的对积分期间正确测量的周围光线信号50的二进制对数近似，y(n－1)是先前的过滤器输出，并且y(n)是电流过滤器输出。在Bechtel的名称为“自动后视镜的控制系统”的U.S.专利No.5,204,778中，描述具有模拟光线信号的平均对数的使用，该专利在此作为参考。
在块272中比较周围光线程度的对数的平均与阈值。如果周围光线32足够明亮，车辆驾驶人员22将不会被允许镜子24，26设置为最大反射的任何适当量的眩光34所眩目。因此，如果周围光线信号50的对数的平均不小于阈值，在块266中清除变暗元件40并且执行块268的等待。如果周围光线信号50的对数的平均小于该阈值，眩光处理在块274开始发生。典型地，用于在块272中比较的阈值小于在块264的比较中使用的日检测程度。
在块274中确定眩光积分期间。在周围光线信号50的基础上确定眩光传感器52的积分期间。如下面的等式2描述的，眩光积分期间与周围光线信号50的对数的平均值的二进制逆对数成反比例。
TG(n)＝antilog2(K1-y(n))-K2(2)其中TG(n)是在取样时间n的过滤器输出的传感器52的积分期间，K1是倍增常数，K2是附加常数。常数K1和K2由实验确定。如果周围光线信号50的对数的平均低于一特定程度，使用最大灵敏度积分期间。
在块276中设置眩光计数。该眩光计数指示周围光线读数间读取的眩光读数的数目。眩光计数和眩光循环延迟的乘积应该等于读取周围光线读数间的时间。例如，眩光计数可为3并且读取眩光读数之间的时间可为133ms。
在块278中读取眩光读数。对在块274中确定的眩光积分期间测量从眩光传感器52返回的作为眩光信号54的脉冲宽度。
在块280中设置变暗元件值。使用眩光信号54以确定设置变暗元件40反射所需的控制程度244。例如这可通过使用检视表而得到。眩光34的程度和可变透射率元件42的设置之间的精确关系依靠包括镜子24，26结构，车辆20的配置以及驾驶人员22的优选设置在内的各种因素。如根据上述图7-10描述的，所需的控制程度244可用于控制可变透射率元件42。
在块282中对眩光计数进行检查。如果眩光计数为零，在块262中读取下一个周围光线读数。如果眩光计数不为零，在块284中缩减眩光计数。然后在块286中进入等待循环。设置眩光循环延迟期间使得在正常预定的间隔读取眩光读数。
现在参考图13，示出了根据本发明实施方案的具有脉冲输出的光传感器的操作示意图。光脉冲电路300包括用于把入射到暴露光转换器106上的光104转换为积累在以CSL示出的光存储电容器304中的电荷的光转换器106。暴露光转换器106可为能够把光104转换为电荷的任何装置，例如在E.Fossum等人的名称为“具有内象素电荷迁移的有源象素传感器”的U.S.专利No.5,471,515中描述光门(photogate)传感器，该专利在此作为参考。光转换器107优选为根据下面的图25和26描述的光电二极管。除了所指出的，下面的讨论不依赖暴露光转换器106的特殊类型或结构。
在传感器逻辑306的控制下操作光脉冲电路300。传感器逻辑306产生控制连接在暴露光转换器输出312和VDD之间的开关316的复位信号308。传感器逻辑306也产生控制暴露光转换器输出312和光存储电容器304之间的开关316的取样信号314。光存储电容器304两端的电压，即光存储电容器电压318被输入到比较器320的输入中。比较器320的另一输入是斜坡电容器324两端的斜坡电压322。斜坡电容器324并联于产生电流IR的电源326。传感器逻辑306还产生控制连接在斜坡电压322和VDD之间的开关330的斜坡控制信号328。在光存储电容器电压318和斜坡电压322的相对程度(电平)的基础上，比较器320产生比较器输出332。如根据下面图18-21描述的在内产生的计时或在外产生的积分脉冲140的基础上，传感器逻辑306可产生复位信号308，取样信号314和斜坡控制信号330。
现在参考图14，示出了图13的光传感器操作的计时图。当样品信号314被赋值而复位信号308被赋值时，在时间340开始测量循环。如被光存储电容器电压318中的电压电平342指示的，关闭开关316以放电光存储电容器304到VDD。然后在时间344去赋值复位信号308，打开开关310并开始积分期间346。在积分期间346，入射到暴露光转换器106的光104产生在光存储电容器电压318中引起衰退电压348的负电荷。在时间350，斜坡控制信号328被赋值，关闭开关330并放电斜坡电容器324，使得斜坡电压322为如电压电平352指示的VDD。
在时间354去赋值取样信号314，导致打开开关316，从而结束积分期间346。在时间354之后的并在下一个测量循环前面的一些时间356，复位信号308必须被赋值关闭开关310。在时间358，斜坡控制信号328被去赋值打开开关330。这导致斜坡电容器324以恒定速率通过如斜坡电压322中的衰退电压360所指示的电源放电。最初，如电压电平362所指示的，由于斜坡电压322高于光存储电容器电压318，比较器输出332是未赋值的。在时间364，斜坡电压322中的衰退电压360下降到低于光存储电容器电压318，导致比较器输出332变得赋值。比较器输出332保持赋值直到时间366当斜坡控制信号328被赋值关闭开关330并增加斜坡电压322至VDD时。以脉冲持续时间368指示的时间366和时间364的差异与积分期间346中暴露光转换器106接收的光104的数量反向相关。
现在参考图15，示出了根据本发明实施方案的具有噪声补偿的光传感器操作的示意图。总体以380示出的光脉冲电路通过结合屏蔽光转换器144和相关的电子装置，改进光脉冲电路300。屏蔽光转换器144优选具有和暴露光转换器106相同的结构。然而，屏蔽光转换器144不接收光104。因此，由屏蔽光转换器144产生的电荷只是噪声的函数。在自然界中噪声主要是热量的。如果屏蔽光转换器144具有暴露光转换器106相同的结构，由屏蔽光转换器144产生的噪声信号将非常接近由暴露光转换器106产生的信号中的相同噪声。通过从暴露光转换器106产生的信号中减去屏蔽光转换器144产生的信号，可大大减小光转换器106中的噪声影响。
复位信号308控制连接在屏蔽转换器输出384和VDD之间的开关382。取样信号314控制连接在屏蔽转换器输出384和以CSN示出的噪声存储电容器388之间的开关386。噪声存储电容器388两端的电压，即噪声存储电容器电压390是到比较器392的一个输入。到比较器392的第二输入是斜坡电压322。比较器392的输出，噪声比较器输出394和比较器输出332充当“异-或”逻辑门396的输入。“异-或”逻辑门396产生指示光104强度的“异-或”逻辑输出398。
现在参考图16，示出了图15的光传感器操作的计时图。光脉冲电路380以光脉冲电路300关于复位信号308，取样信号314，光存储电容器电压318，斜坡电压322，斜坡控制信号328和比较器输出332相同的方式运行。在时间340，在复位信号308被赋值时，取样信号314被赋值。开关382和386都被关闭，噪声存储电容器电压390中如电压电平410所指示的，把噪声存储电容器388充电至VDD。在时间344，复位信号308被去赋值，打开开关382并引起由于噪声屏蔽光转换器144产生的电荷中导致噪声存储电容器电压390中的衰退电压412。在时间354，取样信号314被去赋值，结束噪声收集的积分期间346。在时间358，斜坡控制信号328被去赋值，在斜坡电压322中导致衰退电压360。最初，如电压电平414所指示的，由于斜坡电压322大于噪声存储电容器电压390，噪声比较器输出394未被赋值。由于比较器输出332也未被赋值，如电压电平指示的从比较器396的输出398未被赋值。在时间418，斜坡电压322下降到低于噪声存储电容器电压390的程度，引起噪声比较器输出394变得赋值。由于噪声比较器输出394和比较器输出332是不同的，从比较器396的输出398被赋值。在时间364，斜坡电压322下降到低于光存储电容器电压318的程度，引起比较器输出332变得赋值。由于现在噪声比较器输出394和比较器输出332都被赋值，从“异-或”逻辑门396的输出398现在变得未被赋值。时间364和时间418之间的差异，即输出脉冲持续420具有和入射到由屏蔽光转换器144在积分期间346内产生较少噪声的暴露光转换器106上的光104强度成比例的时间期间。时间418和时间358之间的持续，即噪声持续422直接与屏蔽光转换器144在积分期间346内形成的噪声的数量成比例。由于该噪声的多数是热噪声，噪声持续422是屏蔽光转换器144温度的指示。在时间366，斜坡控制信号328被赋值，去赋值噪声比较器输出394和比较器输出332。
现在参考图17，示出了使用作为光转换器的光电二极管的图15的光转换器执行的示意图。通过对暴露光转换器106使用暴露光电二极管430和对屏蔽光转换器144使用屏蔽光电二极管432，执行光脉冲电路380。暴露光电二极管430的阳极连接至地并且阴极通过晶体管Q20连接到VDD。复位信号308控制晶体管Q20的基极。因此，晶体管Q20起开关310的作用。晶体管Q21和Q22串联连接在VDD和地之间以形成缓冲器，总体以434示出。晶体管Q21的基极连接到暴露光电二极管430的集电极。负载晶体管Q22的基极连接到固定电压VB。缓冲器434的输出通过晶体管Q23连接到光存储电容器304。晶体管Q23的基极被取样信号314驱动，允许晶体管Q23起开关316的作用。屏蔽光电二极管432的阳极连接到地并且阴极通过晶体管Q24连接到VDD。晶体管Q24的基极被复位信号308驱动，允许晶体管Q24起开关382的作用。晶体管Q25和晶体管Q26形成缓冲器，总体以436示出，以缓冲器434隔离暴露光电二极管430相同的方式隔离光电二极管432的输出。晶体管Q27连接缓冲器436的输出到噪声存储电容器388。晶体管Q27的基极被取样信号314驱动，允许晶体管Q27起开关386的作用。光存储电容器304和噪声存储电容器388典型为2pF。典型为10pF的斜坡电容器324，通过晶体管Q28充电到VDD。晶体管Q28的基极被斜坡控制信号328驱动，允许晶体管Q28起开关330的作用。当晶体管Q28关闭时，通过电源326斜坡电容器324以接近0.1μA的恒定电流IR放电。
如果斜坡电压322下降到低于预置电压，提高传感器加电响应并且通过包括电路到抑制输出而扩充有效动态范围。光脉冲电路380包括比较斜坡电压322和初始电压(VINIT)440的比较器438。比较器输出442通过“与”门444与“异-或”逻辑输出396相与，以产生“与”门输出446。在操作中，如果斜坡电压322小于初始电压440，输出446被去赋值。比较器438和“与”门444的使用保证了输出446不是赋值的，不管光至脉冲电路380在加电后的状态。在优选实施方案中，初始电压为0.45V。
在可在内产生或从外源提供的积分脉冲140的基础上，传感器逻辑306产生控制信号308，314，328。缓冲器447接收积分脉冲140并产生取样控制314。通常作为转换器序列448示出的奇数个连续连接的变换器，接收取样控制314并产生复位控制308。通常作为反相器序列449示出的第二套奇数个连续连接的转换器，接收复位信号308并产生斜坡控制信号328。在图17中示出的电路具有至少8位的分辨率和接近每勒秒1伏特的灵敏度。最大输出脉冲持续420和积分脉冲140的持续时间提供的积分期间346无关。
现在参考图18-21，示出了光传感器封装，输出和控制的各种实施方案。如根据上述的图13-17所描述的，每个实施方案可包括光脉冲电路。在图18中，光传感器封装450具有提供电压VDD，地，积分期间信号452和输出信号454的四个引脚。积分期间信号452可为光脉冲电路380使用以产生作为输出信号454发送的输出398的积分脉冲140。在图19中，光传感器封装456只需要VDD，地和结合的积分期间和输出信号458的三个引脚。如根据上述图4和图5所描述的，结合信号458可为相互连接信号114。在图20中，光传感器封装460具有输出信号454，地和结合的VDD和积分期间信号462的三个引脚。如在本领域中所熟知的，通过使用过滤器，结合信号452可被隔离成电源电压VDD和积分期间信号452。在图21中，光传感器封装464具有VDD，地和输出信号454的三个引脚。如根据下面的图22所描述的，积分期间信号452被产生在光传感器封装464中。
现在参考图22，示出了用于在内确定积分期间信号的传感器逻辑的框图。传感器逻辑306可包括被内振荡器472驱动的空转计数器470。计数器470可具有分接头，其中的一个以474示出，连接到不同计数器位。例如，一个分接头474可连接到nth位，下一个分接头474连接到nth+2位，下一个分接头474连接到nth+4位等等，从而每个连续的分接头提供期间比先前的分接头474长四倍的脉冲。传感器控制信号发生器476控制开关478以确定将使用哪一个分接头以产生积分脉冲140。典型地，传感器控制信号发生器476通过每个分接头474重复地排序。如根据上述的图17描述的，然后传感器控制信号发生器476使用积分脉冲140以产生诸如复位信号308，取样信号314和斜坡控制信号328的控制信号。
现在参考图23，示出了具有不同有效区域以得到增加动态范围的光转换器的使用的框图。作为一种选择或加之改变积分时间，可使用几对具有不同有效面积的暴露光转换器106和屏蔽光转换器144。如果光电二极管430，432被用作光转换器106，144，有效面积是光电二极管集电极面积。小的暴露光转换器490产生由光脉冲电路492转换为电压的电荷。如根据上述图15描述的，可通过使用开关310，316和光存储电容器304，执行光电压电路492。由小屏蔽光转换器494产生的电荷被噪声电压电路496转换为电压。如根据上述图15描述的，可通过使用开关382，386和噪声存储电容器388，执行噪声电压电路496。由于小屏蔽光转换器494在电压脉冲电路498的积分期间积分的噪声，被小屏蔽光转换器494积累的电荷较少的充电，在此基础上，光电压电路492和噪声电压电路496的输出被转换为具有一定宽度的脉冲。如根据上述图15描述的，可通过使用比较器320，392，电容器324，电源326和门396，执行电压至脉冲电路498。中等的暴露光转换器500具有比小暴露光转换器490大的有效面积，导致增加的灵敏度。例如，如果中等暴露光转换器500的有效面积比小暴露光转换器490的有效面积大四倍，对光104中等暴露光转换器500将比小暴露光转换器490灵敏四倍多。中等屏蔽光转换器502具有中等暴露光转换器500相同的有效面积。在入射到中等暴露光转换器500光104的基础上，另外的光电压电路492，噪声电压电路496和电压脉冲电路498产生具有一定宽度的噪声纠正输出脉冲。相似地，通过具有更大的有效面积，大暴露光转换器504和大屏蔽光转换器506仍提供比中等暴露光转换器500和中等屏蔽光转换器502增加的灵敏度。
在传感器逻辑306控制下的开关508设置电压脉冲电路498的哪一个输出被用于输出信号454。在产生在传感器逻辑306中的信号的基础上或可在传感器逻辑306的外部提供的信号的基础上，选择输出信号454。
在另一实施方案中，只使用一个屏蔽光转换器144。在每个噪声电压电路496之前，依照暴露光转换器的不同的有效面积的比例，测量屏蔽光转换器144的输出。本领域中的普通技术人员应当认识到，虽然在图23中示出的实施例具有三对暴露光转换器106和屏蔽光转换器144，但是可使用任何对数。
现在参考图24，示出了具有不同孔径以得到增加的动态范围的光转换器使用的框图。作为一种选择或加之指定积分期间，每个具有相同有效面积的暴露光转换器106可具有对接纳光104的接纳面积的不同孔径。使用阻止光104到达一部分暴露光转换器106的部分屏蔽520，可产生不同的孔径。每个暴露光转换器106产生被相应光电压电路492转换为电压的电荷。在传感器逻辑306控制下的开关522选择光电压电路492的哪一个输出以发送到电压脉冲电路498。电压脉冲电路498产生输出信号，其补偿由屏蔽光转换器144感知和由噪声电压电路496处理的噪声。在内产生的控制信号的基础上或在传感器逻辑306的外部接收的控制信号的基础上，传感器逻辑306可选择光电压电路492的输出。
现在参考图25，示出了为得到增加的动态范围，对光诱导电荷的不同数量的不同转换器电容的示意图。通过在p-型衬底534中的n-型扩散532形成光电二极管，总体以530示出。入射到光电二极管530的光104产生可被积累在n型扩散532下的光电二极管阱538中的电荷536。光电二极管530具有本征光电二极管电容CPD。通过在衬底534中扩散n-型材料也形成漂移扩散540。漂移扩散540通过晶体管Q20连接到复位电压VRESET。晶体管Q20的门(栅)连接到传感器逻辑306的控制下的复位信号308。漂移扩散540也连接到缓冲器542的输入。缓冲器542的输出为转换器输出VOUT。当复位信号308被赋值时，漂移扩散540限定形成在衬底534区域中的扩散阱544。漂移扩散540具有本征漂移扩散电容CFD。传输门546被放置在扩散532和漂移扩散540之间。传输门546被保持在电压VTG，以在其下形成传输阱548。传输阱548具有比光电二极管阱538和扩散阱544小的深度。传输门546具有本征传输门电容CTG。
当复位信号308被赋值时，导致漂移扩散至VRESET，在扩散阱544中消除电荷。此外，当在扩散阱544中复位电荷时，在传输阱548深度上的光电二极管阱538中的任何电荷536流经传输阱548，通过漂移扩散540并且消除。在光积分期间，复位信号308是未赋值的，在扩散阱544中的电荷536数量的基础上，导致漂移扩散540的电压漂移。由于光104撞击扩散532，产生电荷536。由于在相当于传输阱548水平的光电二极管阱538中的电荷536未被电荷复位消除，由入射光104产生的另外电荷536流经光电二极管阱538，通过传输阱548并进入到扩散阱544。在电荷水平550，在传输阱水平548之下，只有扩散阱544被充满电荷536。因此，漂移扩散540的电压反比例于漂移门电容CFD。当已产生足够电荷536以填充扩散阱544在传输阱548的水平，例如水平552之上，所有的扩散阱544，传输阱548和光电二极管阱538充满电荷536。因此，现在漂移扩散540的电压反比例于漂移扩散电容CFD，传输门电容CTG和光电二极管电容CPD的和。
现在参考图26，示出了图25的转换器的输出电势随着积累入射光变化的图表。总体以554示出的曲线示出了转换器输出VOUT在积分期间内随着入射到扩散532和可能的漂移扩散540变化的情况。在急剧上升段556，电荷536正积累在单独的扩散阱544中。由于变换增益是只基于漂移扩散电容CFD的，光电二极管530显示具有对入射光104的高灵敏度。在浅段558，电荷536被积累在扩散阱544，传输阱548和光电二极管阱538中。由于变换增益现在是依靠电容CFD，CTG和CPD的并联组合，光电二极管530现在呈现出对入射光104较小的灵敏性。通过调整电压VRESET和VTG，可移动急剧上升段556和浅段558之间的弯点559，影响动态范围。例如，如果漂移扩散540的最大电压摆动是1伏特CFD对CFD，CTG和CPD之和的比为1∶100；并且弯点559被设置为0.5伏特。光电二极管530的动态范围比无双电容的相似光电二极管的动态范围增加大约50倍。
现在参考图27，示出了根据本发明实施方案的包含反浮散门的光电二极管转换器的示意图。反浮散门形成在扩散532和结合在VDD上的源极电压扩散562之间。反浮散门560被结合在反浮散电压VAB上。在光电二极管阱538和源扩散阱566之间的衬底534中反浮散门560形成反浮散阱564。反浮散电压VAB小于传输门电压VTG阱564，使得反浮散阱564比传输阱548浅。当光电二极管530产生的积累电荷超过等于反浮散阱564深度的电荷水平568时，多余电荷流经反浮散阱560之下进入源极电压扩散562中并被消除。在光脉冲电路380中，反浮散门560阻止输出电压VOUT下降到低于比较器320可探测的水平。
现在参考图28，示出了根据本发明实施方案的光传感器外壳的示意图。光传感器48，52包括具有窗口102用于接纳光的外壳100，以570示出其中的一束光线。外壳100接纳电源引脚108，地引脚110和信号引脚112。如根据上述图4-5和13-26描述的，密封在外壳100中的半导体芯片572包含光转换器106，144和相关的电子装置。引脚108，110，112可为引线键合到芯片527，如以电源引脚108的线574和信号引脚112的线576示出，或者直接连接到芯片527，如以接地引脚110示出。
外壳100优选为用于构造三端光发射二极管(LEDs)的相同类型。通常优选形式被称为T-13/4或5mm封装。在光电子生产领域中周知密封在所述外壳中的电子装置。
总体以578示出的透镜优选用于聚光至暴露光转换器106上。透镜578可放置在光传感器48，52的前面或，优选结合到如在图28中示出的窗口102中。透镜578限定光传感器48，52的视场并且通过光学增益提供提高的灵敏度。
现在参考图29，示出了光传感器视场随着光转换器到透镜的距离变换的图表。在光传感器48，52中的暴露光转换器106的视场被定义为边缘光线570关于通过暴露光转换器106的光轴580形成的视角θ。球面透镜578的半角视场以等式3表示θ=90-arccos(rR)]]>+n2n1·sin(arccos(rR)-arctan(d-(R-R2-r2)r))---(3)]]>其中r是透镜孔径半径，R是透镜578曲率半径，n2是外壳100中的材料的折射率，n1是外壳100外的材料的折射率，d是透镜578中心到暴露光转换器106的距离，并且θ以度数测量。典型地，T-13/4外壳100充满环氧树脂并且传感器48，52在空气中操作使得n，对n1的比例接近为1.5。曲线590示出了具有半径R为5.0mm的球面透镜578的T-13/4外壳的半角视场θ随着距离d变化的情况。随着光转换器106远离透镜578，视场减小。
现在参考图30，示出了光传感器光学增益随着光转换器与透镜的距离变化的图表。假定对光线570近轴近似，通过考虑由具有透镜578的光转换器106收集的附加光能量和不具有透镜578的光转换器106收集的光能量的比例，可估计透镜578的光学增益。这可通过考虑底面在透镜578的表面和顶点在透镜578的焦点的光椎计算出。那么光学增益G可表示为该光椎的横截面与光转换器106面积的比例的函数，推导为等式4G=f2(f-d)2----(4)]]>曲线600示出了具有半径R为5.0mm和焦距f为15.0mm的球面透镜578的T-13/4外壳的光学增益G随着距离d变化的情况。随着光转换器106远离透镜578，光学增益增加。
对于周围光线传感器48和眩光传感器52的光学性能可调整透镜578和光转换器106间的距离d。周围光线传感器48应具有宽的视场但不需要象眩光传感器52一样灵敏。眩光传感器52应具有较窄的视场但必须更加灵敏，因此，得益于较高的光学增益。对根据上述图29和30描述的透镜，2mm和3mm间的距离d适合周围光线传感器48并且6mm和7mm间的距离d适合眩光传感器52。除此之外，为修改透镜参数，诸如非球面，圆柱等的其它透镜类型在本发明的精神和范围内是可能的。
现在参考图31，示出了人眼的频率响应的图表。曲线610是人眼相对白昼视觉的或日光频率响应。曲线612是人眼的相对微光的或黑暗频率响应。除此之外，为对光强度更加灵敏，微光响应612比白昼视觉响应610更移向紫色。为保护夜视，其在被暴露于光尤其在微光曲线612的范围内时迅速降低，暴露光转换器106应具有和微光曲线612相似的频率响应。如果这不实际，暴露光转换器106至少应具有衰减的红外响应。这是更加重要的，如高强度放电(HID)头灯，它比白炽灯或卤素灯发出更多的青色光，更受欢迎。
现在参考图32，示出了典型光转换器的频率响应。典型光电二极管的相对频率响应示为曲线620。当与微光响应曲线612比较时，暴露光转换器106的频率响应包含相当多的红外灵敏度。如根据上述图2描述的，过滤器58，60可放置在传感器48，52之前或结合到其中，使得暴露光转换器106的输出更加接近人眼的微光频率响应612。
现在参考图33，示出了根据本发明实施方案的包含红外过滤器外壳的附图。在外壳100中的窗口102包括对衰减撞击暴露光转换器106的光线570的红外成分起作用的红外过滤器630。红外过滤器630可为从Santa Rosa，California光涂层实验室有限公司(Optical CoatingLaboratories，Inc.)得到的热镜。如根据上述图28-30描述的透镜可放置在红外过滤器630之前。在Gahan的名称为“具有过滤的光传感器的自动后视镜”的U.S.专利No.4,799,768中描述了暴露光转换器106的另外的过滤，该专利在此作为参考。
虽然已说明和描述了本发明的实施方案，但并不意味着这些实施方案说明和描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，意味着权利要求覆盖所有的修改和替换设计以及等价表述，它们都在本发明的精神和范围之内。
权利要求
1.一种光传感器，包括暴露于光的光电二极管光转换器，暴露光转换器作用为按照积分期间内入射的光的比例积累电荷；以及与暴露光转换器联系的传感器逻辑，该传感器逻辑作用为(a)在积分开始之前确定光积分期间，(b)在确定的光积分期间开始时复位积累在暴露光转换器中的电荷，(c)测量暴露光转换器在确定的光积分期间内积累的电荷，以及(d)在测量的积累的暴露光转换器电荷的基础上确定具有一定宽度的脉冲。
2.如权利要求1的光传感器，还包括比较器，其一个输入连接到暴露光转换器，另外的输入连接到开关电容器电路，该开关电容器电路可操作以在开关关闭时把电容充电至一固定电压并在开关打开时以恒定速率对电容器放电，其中该传感器逻辑还作用为在确定光积分期间关闭开关和在确定光积分期间后打开开关，从而在比较器输出产生脉冲。
3.如权利要求2的光传感器还包括第二比较器，其一个输入连接到固定电压，另外的输入连接到开关电容器电路，如果斜坡电压小于固定电压，第二比较器输出作用为抑制确定的脉冲的输出。
4.如权利要求1的光传感器，还包括屏蔽光的光电二极管光转换器，该屏蔽光转换器作用为在积分期间内与噪声成比例地积累电荷，其中该传感器逻辑还起以下作用在确定光积分期间开始时复位积累在屏蔽光转换器中的电荷；测量由屏蔽光转换器在确定光积分期间内积累的电荷；以及在测量的积累的暴露光转换器电荷和测量的积累的屏蔽光转换器电荷之间的差异的基础上，确定具有一定宽度的输出脉冲。
5.如权利要求4的光传感器，其中光传感器具有用于接收积分信号的输入，并且其中噪声依靠光传感器温度，传感器逻辑还可操作为在积分信号的基础上确定积分期间；以及在积分信号结束后的一段时间后输出输出脉冲，该时间段基于噪声水平，从而该时间段指示光传感器温度。
6.如权利要求1的光传感器，其中从传感器逻辑接收的控制信号的赋值部分确定光积分期间。
7.如权利要求1的光传感器，其中传感器控制作用为由循环通过预定时间期间的序列确定每个光积分期间。
8.如权利要求1的光传感器，还包括至少一个附加的暴露光电二极管光转换器，每个附加的暴露光转换器作用为在积分期间内以不同与其它暴露光转换器的速率与入射光成比例地积累电荷，传感器逻辑还起以下作用在确定光积分期间开始时复位积累在每个至少一个附加的暴露光转换器中的电荷；测量由每个至少一个附加的暴露光转换器在确定光积分期间内积累的电荷；以及在对每个至少一个附加的暴露光转换器的测量的积累电荷的基础上输出具有一定宽度的脉冲。
9.如权利要求8的光传感器，其中每个暴露光转换器具有不同的集电极面积从而具有不同的电荷积累速率。
10.如权利要求8的光传感器，其中每个暴露光转换器具有用于接纳入射到传感器的光线的孔径，每个传感器孔径具有不同的接纳面积从而给出每个暴露光转换器不同的电荷积累速率。
11.如权利要求1的光传感器，其中光转换器包括覆盖在衬底上的光电二极管，该光电二极管作用为在光电二极管下面的衬底区域中形成的光电二极管阱中积累入射电荷，该光电二极管具有一个本征光电二极管电容；形成在衬底中的漂移扩散，该漂移扩散具有当电荷复位时形成在漂移扩散下面的衬底区域中的扩散阱，漂移扩散作用为在电荷被复位时消除扩散阱中的电荷，漂移扩散电荷确定输出电势，漂移扩散具有一个本征漂移扩散电容；以及在光电二极管和漂移扩散之间的传输门，该传输门限定形成在光电二极管之下的衬底区域和漂移扩散之下的衬底区域间的衬底区域中的传输阱，该传输阱具有比光电二极管阱和扩散阱浅的深度，该传输门具有一个本征传输门电容；其中，当电荷复位时，在传输阱深度之上的光电二极管阱中的电荷流过传输阱，通过漂移扩散并被消除；以及其中，在确定的光积分期间，由入射到光电二极管上的光产生的电荷流经传输阱并进入到扩散阱，产生与漂移扩散电容成反比例的输出电压，直到扩散阱填充到传输阱的深度，其中由入射到光电二极管的光产生的电荷填充光电二极管阱，传输阱和扩散阱，产生与漂移扩散电容，光电二极管电容和传输门电容的和成反比例的输出电压；从而只在电荷积累在扩散阱过程中提供第一灵敏度和在电荷积累在扩散阱，传输阱和光电二极管阱过程中提供第二灵敏度，第一灵敏度大于第二灵敏度。
12.如权利要求11的光传感器，还包括光电二极管和源极电压扩散间的反浮散门，该反浮散门限定形成在光电二极管之下的衬底区域和源电压扩散间的衬底区域中的反浮散阱，该反浮散阱具有比传输阱浅的深度。
13.一种光传感器封装，包括具有用于接收光的窗口的外壳，该外壳接纳电源引脚，地引脚和输出引脚；放置在外壳中的暴露光电二极管光转换器，该暴露光转换器作用为在积分期间内与通过窗口入射到暴露光转换器的接收的光成比例地积累电荷；放置在外壳中并和暴露光转换器联系的光电压电路，该光电压电路作用为在由暴露光转换器积累的电荷基础上输出光电压信号；以及放置在外壳中并和光电压电路联系的电压脉冲电路，该电压脉冲电路作用为在输出引脚上输出脉冲，该脉冲宽度基于光电压信号。
14.如权利要求13的光传感器，还包括屏蔽光的光电二极管光转换器，该屏蔽光转换器具有暴露光转换器相同的结构，该屏蔽光转换器作用为在积分期间内与噪声成比例地积累电荷；以及放置在外壳中并和屏蔽光转换器联系的噪声电压电路，该噪声电压电路作用为在由屏蔽光转换器积累的电荷的基础上输出噪声电压信号；其中电压脉冲电路作用为在光电压信号和噪声电压信号间的差异的基础上，在输出引脚上输出具有一定宽度的脉冲。
15.如权利要求13的光传感器封装，还包括放置在外壳中并和暴露光转换器和光电压电路联系的传感器逻辑，该传感器逻辑作用为确定光积分期间；在确定光积分期间开始时复位积累在暴露光转换器中的电荷；以及在确定光积分期间由暴露光转换器控制电荷的积累。
16.如权利要求15的光传感器封装，其中传感器逻辑作用为从输出引脚上接收的控制信号的赋值部分中确定光积分期间。
17.如权利要求15的光传感器封装，其中传感器逻辑作用为由循环通过预定时间期间的序列确定每个光积分期间。
18.如权利要求15的光传感器封装，还包括至少一个附加的暴露光电二极管光转换器，每个附加暴露光转换器作用为在积分期间内以不同与其它暴露光转换器的速率与入射光成比例地积累电荷，传感器逻辑还起以下作用在确定光积分期间开始时复位积累在至少一个附加暴露光转换器中的电荷；测量由至少一个附加暴露光转换器在确定光积分期间内积累的电荷；以及在对每个至少一个附加暴露光转换器的测量的积累电荷的基础上输出具有一定宽度的脉冲。
19.如权利要求18的传感器封装，其中每一暴露光转换器具有不同的集电极面积从而具有不同的电荷积累速率。
20.如权利要求18的光传感器封装，其中每个暴露光转换器具有用于接纳入射到传感器的光的孔径，每个传感器孔径具有不同的接纳面积从而给每个暴露光转换器不同的电荷积累速率。
21.一种光传感器，包括覆盖在衬底上的光电二极管，该光电二极管作用为在形成在光电二极管之下的衬底区域中的光电二极管阱中积累入射到光电二极管的光产生的电荷，该光电二极管具有一个本征光电二极管电容；形成在衬底中的漂移扩散，该漂移扩散具有当电荷复位时形成在漂移扩散下面的衬底区域中的扩散阱，漂移扩散作用为在电荷被复位时消除扩散阱中的电荷，漂移扩散电荷确定输出电势，漂移扩散具有一个本征漂移扩散电容；以及在光电二极管和漂移扩散间的传输门，形成在光电二极管之下的衬底区域和漂移扩散之下的衬底区域之间的衬底区域中的传输阱，该传输阱具有比光电二极管阱和扩散阱浅的深度，该传输门具有一个本征传输门电容；其中，当电荷复位时，在传输阱深度之上的光电二极管阱中的电荷流经传输阱，通过漂移扩散并被消除；以及其中，在光积分期间，由入射到光电二极管上的光产生的电荷流经传输阱并进入到扩散阱，产生与漂移扩散电容成反比例的输出电压，直到扩散阱填充到传输阱的深度，其中由入射到光电二极管的光产生的电荷填充光电二极管阱，传输阱和扩散阱，产生与漂移扩散电容，光电二极管电容和传输门电容的和成反比例的输出电压；从而只在电荷积累在扩散阱过程中提供第一灵敏度和在电荷积累在扩散阱，传输阱和光电二极管阱过程中提供第二灵敏度，第一灵敏度大于第二灵敏度。
22.如权利要求21的光传感器，还包括光电二极管和源极电压扩散之间的反浮散门，该反浮散门限定形成在光电二极管之下的衬底区域和源极电压扩散间的衬底区域中的反浮散阱，该反浮散阱具有比传输阱浅的深度。
全文摘要
具有宽动态范围的光传感器被用在各种应用中。宽动态范围光传感器(48,52)包括暴露光电二极管光转换器(106),其按照入射在积分期间(158)内的光(104)的比例积累电荷。传感器逻辑(306)在积分开始之前确定光积分期间(158)并且复位电荷。测量由暴露光转换器(106)在光积分期间(158)内积累的电荷并在积累电荷的基础上确定具有一定宽度(170)的脉冲(122)。
文档编号G01J1/46GK1338042SQ00803105
公开日2002年2月27日 申请日期2000年1月11日 优先权日1999年1月25日
发明者罗伯特·H·尼克松, 埃里克·R·佛萨姆, 约汉·H·贝什泰尔 申请人:金泰克斯公司