JP2015223404A - センサおよび肌情報検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 センシング性能の高いセンサを提供する。
【解決手段】 発光素子３ａにより被験者の肌表面に光を照射し、肌表面で反射される光や体内を通過して到達した光を受光素子３ｂで受光して、肌の表面状態に応じて出力される受光素子３ｂからの出力電流に応じて、肌表面の表面状態を検出するセンサであって、基板と、基板３０の一主面に位置する発光素子３ａと、基板３０の一主面であって、発光素子３ａと異なる箇所に位置する受光素子３ｂと、基板３０の一主面と間隔を空けて配置される光学素子４と、を備え、光学素子４は、発光素子３ａからの光を肌表面に集光して導く第１レンズ４ａと、肌表面によって反射された光を受光素子３ｂに導く第２レンズ４ｂと、を含むものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、肌情報を分析するセンサおよびそれを用いた肌情報検出方法に関する。

被験者の肌に光を照射して、その反射光に基づいて、肌の状態や見え方、化粧状態等を分析する様々な手法が提案されている。

特許文献１では、皮膚内部で拡散した光の内部反射光を計測することにより、化粧塗膜や素肌の光透過性を評価する手法が提案されている。

特許文献２では、プローブを皮膚に押し当てた状態で光を照射して、皮膚内反射光強度を測定することで、皮膚の透明感を測定する手法が提案されている。

特開平７−１４３９６７号公報 特開２００２−２４８０８０号公報

上述の手法はいずれも、皮膚内部で散乱し、入射位置とは異なる位置から放射される内部反射光を検出するものである。このような内部反射光の強度は肌の外観印象と相関を有することが知られている。しかしながら、肌の外観印象には、肌の凹凸，不均一さ、塗布した化粧品による直接反射等も影響を与える可能性がある。このため、内部反射光のみによる判断では、実際の肌状態を精度よく判定できない場合もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、センシング性能の高いセンサを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係るセンサは、発光素子により被験者の肌表面に光を照射し、肌表面で反射される光や体内を通過して到達した光を受光素子で受光して、肌表面の表面状態に応じて出力される前記受光素子からの出力電流に応じて、肌の表面状態を検出するセンサであって、基板と、前記基板の一主面に位置する前記発光素子と、前記基板の一主面であって、前記発光素子と異なる箇所に位置している前記受光素子と、前記基板の前記一主面と間隔を空けて配置される光学素子と、を備え、前記光学素子は、前記発光素子からの光を肌表面に集光して導く第１レンズと、肌表面によって反射された光を前記受光素子に導く第２レンズと、を含むものである。

また、本発明の一実施形態に係る肌情報検出方法によれば、上記のいずれかのセンサを用いた肌の表面状態を検出する肌情報検出方法であって、前記発光素子を発光させて、前記センサを肌表面において移動させることで、前記センサの移動経路に沿って前記受光素子からの出力電流に応じた検出信号を得るものである。

また、本発明の一実施形態に係る肌情報検出方法によれば、上記のいずれかのセンサを用いた肌の表面状態を検出する肌情報検出方法であって、前記発光素子を発光させて、前記受光素子からの出力電流に応じた検出信号の時間的変化を計測する工程と、前記検出信
号の時間的変化から、肌表面における水分の蒸発速度を推定し肌の乾燥度合を算定する工程と、を含むものである。

本発明のセンサおよび肌情報検出方法によれば、高いセンシング性能を実現することができる。

（ａ）は、本発明のセンサの実施の形態の一例を示す断面図であり、（ｂ）は、要部上面図である。 （ａ）は、図１に示したセンサを構成する発光素子の断面図である。（ｂ）は、図１に示したセンサを構成する受光素子の断面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、図１に示すセンサの変形例を示す模式的な断面図および上面図である。 図１に示すセンサの変形例を示す模式的な断面図である。 受光素子および発光素子の配置例を示す要部上面図である。 受光素子および発光素子の配置例を示す要部上面図である。 受光素子および発光素子の配置例を示す要部上面図である。

以下、本発明のセンサの実施の形態の例について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の例は本発明の実施の形態の一例を例示するものであって、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１（ａ）および（ｂ）に示すセンサ１は、肌センサ装置に組み込まれて、肌の凹凸情報，透明度，肌に塗布した化粧塗膜等の表面情報を検出するセンサ装置として機能する。なお、図１（ｂ）において、各構成要素の位置関係が明白となるように、発光素子３ａ，受光素子３ｂを破線で示している。

センサ１は、配線基板２と、配線基板２の上面に配置された受発光素子３と、光学素子４とを有する。受発光素子３は基板３０と基板３０の一主面３０ｓに位置する発光素子３ａおよび受光素子３ｂとを有する。発光素子３ａと受光素子３ｂとは間隔を空けて配置されている。光学素子４は、基板３０の一主面３０ｓと間隔を空けて配置される。ここで、便宜上、一主面３０ｓと平行な面をＸＹ平面とし、基板３０の厚み方向をＺ方向とする。またＸ方向を第１方向，Ｙ方向を第１方向に直交する第２方向ということもある。一主面３０ｓ上において、発光素子３ａと受光素子３ｂとが並ぶ方向を第１方向（Ｘ方向）とする。

この例では、１つの発光素子３ａに対して、２つの受光素子３ｂが設けられる。すなわち、Ｘ方向において一列に、受光素子３ｂ、発光素子３ａ、受光素子３ｂの順に、２つの受光素子３ｂが発光素子３ａを挟むように配置されている。なお、便宜上２つの受光素子３ｂを受光素子３ｂ１，受光素子３ｂ２ということがある。そして、受光素子３ｂ１で被照射物からの正反射光を、受光素子３ｂ２で被照射物からの拡散（散乱）反射光を検出する。このような、受光素子３ｂ、発光素子３ａ、受光素子３ｂは、Ｙ方向における中心を揃えるようにしてＸ方向に配列されている。

このような発光素子３ａ，受光素子３ｂは、基板３０の一主面３０ｓに一体的に形成されている。このような構成とすることで、発光素子３ａと受光素子３ｂとを所定の位置に配置することが可能となり、センシング性能を高めることができる。また、発光素子３ａ
，受光素子３ｂが個別に実装される場合に比べ、両者を近接配置することができる。これにより、小型のセンサ１を提供することができる。なお、本例では発光素子３ａおよび２つの受光素子３ｂが基板３０と一体的に形成されたものを用いているが、発光素子３ａおよび受光素子３ｂがそれぞれ１個でもよいし、発光素子３ａおよび受光素子３ｂがそれぞれ個別に実装されていてもよいし、複数の発光素子３ａを一体的に形成した発光素子アレイおよび複数の受光素子３ｂを一体的に形成した受光素子アレイを配列したものであってもよいし、これらの組合せであってもよい。

光学素子４は基板３０の一主面３０ｓからＺ方向に間隔を空けて配置されている。この例では、光学素子４は、発光素子３ａ，受光素子３ｂが形成された領域を囲むような側壁を有する保持体５により保持される。保持体５は、光学素子４を介さずに外部からの光が受光素子３ｂへ入射することのないように、遮光性材料で構成してもよい。

光学素子４は、発光素子３ａからの光を被対象物に導くための第１レンズ４ａと、被対象物に反射された光を受光素子３ｂに導くための第２レンズ４ｂと、を含む。この例では、受光素子３ｂ１に対応する第２レンズ４ｂ１と、受光素子３ｂ２に対応する第２レンズ４ｂ２とを有する。第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとは、第１方向に並んで配置される。また、第１レンズ４ａを構成する曲面と第２レンズ４ｂを構成する曲面とが交差するように互いに曲面の途中で接合されてなる。この例では、第１方向に沿って、第２レンズ４ｂ１，第１レンズ４ａ，第２レンズ４ｂ２が、互いに接合されている。

このようなセンサ１を、光学素子４側を肌表面に向け配置し、発光素子３ａからの光を肌表面に照射し、その表面で反射される正反射光および拡散反射光や、肌の内部に拡散し反射される光を受光素子３ｂで検出する。なお、発光素子３ａからの光が照射される肌の領域には、発光素子３ａ以外の外部から光が照射されない環境とすることが好ましい。具体的には、遮光性を有し、かつ肌の形状に合わせ変位可能な筒状部材の内部にセンサ１を設けてもよい。

このようなセンサ１を用いることにより、肌表面に化粧塗膜がある場合には、化粧品の粒子径や顔料の種類に応じた反射光を検出したり、化粧品による皮膚の凹凸をカバーして平滑化した度合いに応じた反射光を検出したりすることができる。また、肌表面に化粧塗膜がない場合には、肌の凹凸情報や、透明度、シミの存在の有無による反射光強度の違いを検出したり、化粧水の浸透度合いを反射光強度の違いにより検出したりすることができる。なお、肌表面に化粧塗膜がある場合の測定の際に、肌表面に化粧塗膜がない場合の測定結果を基準情報として用いることにより、化粧塗膜のみの影響による外観情報をセンシング可能となる。

このようなセンサ１は、同一基板上に発光素子３ａと受光素子３ｂとを作りこんでいる。言い換えると、発光素子３ａと受光素子３ｂとは、基板３０とともに一体形成されている。このため、両者を高い位置精度で近接配置できる。すなわち、発光素子３ａと受光素子３ｂとを最適な位置で位置精度よく配置することができるので、安定して、感度よくセンシングすることができる。また、発光素子３ａと受光素子３ｂとを近接配置することにより、発光素子３ａからの光が肌表面へ照射されるときの入射角を浅くすることができ、肌表面の細かい凹凸をセンシングすることができる。また、入射角を浅くすることにより、高さ方向であるＺ方向においてセンサ１と肌表面との距離が設計値から多少変動しても、反射光のＸ方向における到達位置のずれ幅を小さくすることができ、安定した測定が可能となる。

また、発光素子３ａからの光を肌表面において集光させて照射することにより、微小領域の情報を得ることができる。かつ、センサ１を肌表面でスキャンすることで、微小領域
からのスキャン方向における連続情報を得ることができる。ここで、従来のセンサは、広範囲の領域の平均的な情報を得ていた。このため、肌表面に化粧塗膜があり、たとえばラメ成分等の、正反射光の強度がきわめて高くなる成分が存在すると、異常点となり正確な測定ができなくなっていた。これに対して、センサ１によれば、微小領域に分けて測定可能であるため、ラメ成分とその他の成分との影響を分けて測定可能であり、かつ、その分布状態を正しく測定することができるものとなる。また、肌表面の凹凸状態（ざらつき状態）の分布を確認できるものとなる。

さらに、センサ１によれば、上述の通り、微小領域の表面状態を時間的な遅延なく測定することができる。従来のセンサは、広範囲の領域の平均的な情報を得ていた。このため、肌表面に化粧水等を浸透させ、その効果を検証するときには、化粧水が浸透し、肌自体の表面状態が変化した後に初めて測定することができた。これに対して、センサ１によれば、肌表面の微小領域における化粧水の蒸発、残存量等に起因する反射光の変化を時間的に遅延なく追うことにより、浸透具合を推定し、その後の最終的な肌自体の表面状態の変化を推定すすることができる。さらに、肌表面における化粧水の蒸発の時間的な変化を肌の保水力、乾燥肌の度合い等も推測することができる。

さらに、本実施形態では、発光素子３ａ，受光素子３ｂのそれぞれに対応するレンズを互いに曲面の途中で接合した光学素子４を用いている。これにより、発光素子３ａからの光が肌表面へ照射されるときの入射角をさらに浅くすることができ、さらに高い精度で肌の細かい凹凸をセンシングすることができる。

また、本実施形態によれば、受光素子３ｂを複数設けることにより、正反射光と拡散反射光を分けて検出することができる。このような構成とすることにより、化粧塗膜による光沢度合い、マット度合い等を検出することができる。

以下、詳細に各部位について説明する。

配線基板２は、受発光素子３および外部装置とそれぞれ電気的に接続されて、受発光素子３に形成された発光素子３ａおよび受光素子３ｂにバイアスを印加したり、受発光素子３と外部装置との間で電気信号の授受を行なったりするための配線基板として機能する。

基板３０は、この例では一導電型の半導体材料からなる。一導電型の不純物濃度に限定はないが、高い電気抵抗を有することが望ましい。本例では、シリコン（Ｓｉ）基板に一導電型の不純物としてリン（Ｐ）を１×１０^１７〜２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の濃度で含むｎ型のシリコン（Ｓｉ）基板を用いている。ｎ型の不純物としては、リン（Ｐ）の他に、例えば窒素（Ｎ_２）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）などが挙げられ、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とされる。以下、ｎ型を一導電型、ｐ型を逆導電型とする。

基板３０の上面に、Ｘ方向に沿って発光素子３ａ，発光素子３ａを挟むように２つの受光素子３ｂが列状に配置されている。発光素子３ａは被照射物に照射する光の光源として機能し、発光素子３ａから発せられた光が、被照射物で反射されて受光素子３ｂに入射する。受光素子３ｂは、光の入射を検出する光検出部として機能する。

発光素子３ａは、図２（ａ）に示すように、基板３０の上面に複数の半導体層が積層されて形成されている。

まず、基板３０の上面には、基板３０と基板３０の一主面３０ｓに積層される半導体層（本例の場合は後に説明するｎ型コンタクト層３０ｂ）との格子定数の差を緩衝するバッ
ファ層３０ａが形成されている。バッファ層３０ａは、基板３０と基板３０の一主面３０ｓに形成される半導体層との格子定数の差を緩衝することによって、基板３０と半導体層の間に発生する格子歪などの格子欠陥を少なくし、ひいては基板３０の一主面３０ｓに形成される半導体層全体の格子欠陥または結晶欠陥を少なくする機能を有する。なお、バッファ層３０ａおよびその上面に形成される半導体層は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-organic Chemical Vapor Deposition）法により形成すればよい。

本例のバッファ層３０ａは、不純物を含まないガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなり、その厚さが２〜３μｍ程度とされている。なお、基板３０と基板３０の一主面３０ｓに積層される半導体層との格子定数の差が大きくない場合には、バッファ層３０ａは省略することができる。

バッファ層３０ａの上面には、ｎ型コンタクト層３０ｂが形成されている。ｎ型コンタクト層３０ｂは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）にｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度とされるとともに、その厚さが０．８〜１μｍ程度とされている。

本例では、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が１×１０^１８〜２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のドーピング濃度でドーピングされている。ｎ型コンタクト層３０ｂの上面の一部は露出しており、この露出している部分に発光素子側第１電極３１ａを介して、配線基板２とワイヤボンディングまたはフリップチップ接続などによって電気的に接続されている。ｎ型コンタクト層３０ｂは、ｎ型コンタクト層３０ｂに接続される発光素子側第１電極３１ａとの接触抵抗を下げる機能を有している。

発光素子側第１電極３１ａは、例えば金（Ａｕ）アンチモン（Ｓｂ）合金、金（Ａｕ）ゲルマニウム（Ｇｅ）合金またはＮｉ系合金などを用いて、その厚さが０．５〜５μｍ程度で形成される。それとともに、基板３０の上面からｎ型コンタクト層３０ｂの上面を覆うように形成される絶縁層８の上に配置されているため、基板３０およびｎ型コンタクト層３０ｂ以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。

絶縁層８は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）または酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの無機絶縁膜や、ポリイミドなどの有機絶縁膜などで形成され、その厚さが０．１〜１μｍ程度とされている。

ｎ型コンタクト層３０ｂの上面には、ｎ型クラッド層３０ｃが形成されており、後に説明する活性層３０ｄに正孔を閉じ込める機能を有している。ｎ型クラッド層３０ｃは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。本例では、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が１×１０^１７〜５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のドーピング濃度でドーピングされている。

ｎ型クラッド層３０ｃの上面には、活性層３０ｄが形成されており、電子や正孔などのキャリアが集中して、再結合することによって光を発する発光層として機能する。活性層３０ｄは、不純物を含まないアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）であるとともに、その厚さが０．１〜０．５μｍ程度とされている。なお、本例の活性層３０ｄは、不純物を含まない層であるが、ｐ型不純物を含むｐ型活性層であっても、ｎ型不純物を含むｎ型活性層であってもよく、活性層のバンドギャップがｎ型クラッド層３０ｃおよび後に説明するｐ型クラッド層３０ｅのバンドギャップよりも小さくなっていればよい。

活性層３０ｄの上面には、ｐ型クラッド層３０ｅが形成されており、活性層３０ｄに電子を閉じ込める機能を有している。ｐ型クラッド層３０ｅは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。本例では、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が１×１０^１９〜５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のドーピング濃度でドーピングされている。

ｐ型クラッド層３０ｅの上面には、ｐ型コンタクト層３０ｆが形成されている。ｐ型コンタクト層３０ｆは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。

ｐ型コンタクト層３０ｆは、発光素子側第２電極３１ｂを介して、配線基板２とワイヤボンディングまたはフリップチップ接続などによって電気的に接続されている。ｐ型コンタクト層３０ｆは、ｐ型コンタクト層３０ｆに接続される発光素子側第２電極３１ｂとの接触抵抗を下げる機能を有している。

なお、発光素子側第１電極３１ａが発光素子毎に個別電極として設けられていれば、発光素子側第２電極３１ｂは発光素子毎に設ける必要はなく、共通の発光素子側第１電極３１ａを少なくとも１つ設ければよい。当然のことながら、発光素子側第１電極３１ａを共通電極として、発光素子側第１電極３１ａを発光素子のそれぞれに個別電極として設けてもよい。

また、ｐ型コンタクト層３０ｆの上面には、ｐ型コンタクト層３０ｆの酸化を防止する機能を有するキャップ層を形成してもよい。キャップ層は、例えば不純物を含まないガリウム砒素（ＧａＡｓ）で形成して、その厚さを０．０１〜０．０３μｍ程度とすればよい。

発光素子側第２電極３１ｂは、例えば金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）と、密着層であるニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）とを組み合わせたＡｕＮｉ、ＡｕＣｒ、ＡｕＴｉまたはＡｌＣｒ合金などで形成されており、その厚さが０．５〜５μｍ程度とされるとともに、基板３０の上面からｐ型コンタクト層３０ｆの上面を覆うように形成される絶縁層８の上に配置されているため、基板３０およびｐ型コンタクト層３０ｆ以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。

このようにして構成された発光素子３ａは、発光素子側第１電極３１ａと発光素子側第２電極３１ｂとの間にバイアスを印加することによって、活性層３０ｄが発光して、光の光源として機能する。

本実施形態における発光素子３ａは、上述の通りＬＥＤ素子単体であることから、その光の広がりは、ディスクリート品のＬＥＤに比べシャープなものとなっている。これにより、入射光及び反射光のスポットサイズを小さくすることができ、より微小な凹凸情報や塗布膜の情報を得ることができる。入射光のスポットサイズは、たとえば、１０μｍ〜８００μｍ程度の調整可能である。このため、肌の肌理や、１００〜２００μｍの径で１００μｍ程度の高低差を有する毛穴の凹凸情報を確認するためには、その構造体の大きさ以下のスポット径となるように集光すればよい。

反対に、毛穴に左右されない、化粧塗膜等の情報を必要とするときには、その構造体の大きさを十分に超える大きさのスポット径となるように集光すればよい。例えば、５００μｍ程度としてもよい。

また、本実施形態における発光素子３ａは、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ系半導体層を積層してなるため、その発光波長は約８５０ｎｍである。このような波長の発光素子３ａとすることにより、肌内部への浸透も可能となり、白色光下での外観に近い評価をすることができる。

受光素子３ｂは、図２（ｂ）に示すように、基板３０の一主面３０ｓにｐ型半導体領域３２を設けることによって、ｎ型の基板３０とでｐｎ接合を形成して構成される。ｐ型半導体領域３２は、基板３０にｐ型不純物を高濃度に拡散させて形成されている。ｐ型不純物としては、例えば亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられ、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とされる。本例では、ｐ型半導体領域３２の厚さが０．５〜３μｍ程度となるように、ホウ素（Ｂ）がｐ型不純物として拡散されている。

ｐ型半導体領域３２は、受光素子側第１電極３３ａと電気的に接続されており、ｎ型半導体である基板３０には、図示はしないが受光素子側第２電極３３ｂが電気的に接続されている。

受光素子側第１電極３３ａは、基板３０の上面に絶縁層８を介して配置されているため、基板３０と電気的に絶縁されている。

受光素子側第１電極３３ａ、受光素子側第２電極３３ｂは、例えば金（Ａｕ）とクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）または白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）の合金などで、その厚さが０．５〜５μｍ程度となるように形成されている。

このように構成された受光素子３ｂは、ｐ型半導体領域３２に光が入射すると、光電効果によって光電流が発生して、この光電流を受光素子側第１電極３３ａを介して取り出すことによって、光検出部として機能する。なお、受光素子側第１電極３３ａと受光素子側第２電極３３ｂとの間に逆バイアスを印加すれば、受光素子３ｂの光検出感度が高くなるので好ましい。

保持体５は、配線基板２の上面に配置されている。保持体５の側壁部は、配線基板２の上面に、受発光素子３を取り囲むように接合されている。両者の接合には、接着剤を用いてもよいし、係合部を用いてもよい。そして、発光素子３ａが発した光が被照射物に向かう方向以外に散乱するのを防止したり、受光素子３ｂに被照射物で反射された光以外の光が入射するのを防止したり、配線基板２および受発光素子３を外部環境から保護する機能を有する。

このような保持体５は、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂（ＡＢＳ）などの汎用プラスチック、ポリアミド樹脂（ＰＡ）ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）などのエンジニアリングプラスチック、液晶ポリマーなどのスーパーエンジニアリングプラスチック、およびアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）などの金属材料で形成される。また複数の材料の組み合わせであってもよい。

なお、本例の保持体５の奥行および幅の寸法は配線基板２の奥行および幅の寸法と同じになっているが、必ずしも配線基板２の寸法と同じにする必要はなく、少なくとも発光素
子３ａおよび受光素子３ｂが覆われる寸法であればよい。

保持体５の上壁は、側壁部とともに配線基板２および受発光素子３を覆うように配置される。本例の上壁は側壁部に当接して配置されている。そして、後に説明する光学素子４の支持体として機能する。

上壁は、側壁部と同様の材料で形成される。なお、本実施形態の側壁部および上壁は、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）で射出成形によって一体的に形成されている。上壁には、光学素子４が配置される領域に透光部を設けている。この例では、透光部として開口部を設けている。

光学素子４は、第１レンズ４ａ，第２レンズ４ｂが互いに接合され一体的に形成されている。ここで、第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとは、お互いのレンズを構成する曲面が互いに途中で接合され一体化している。言い換えると、第１レンズ４ａを構成する曲面の曲率半径を描く仮想延長線と第２レンズ４ｂを構成する曲面の曲率半径を描く仮想延長線とが交差するものとなる。この例では、第１方向において、第１レンズ４ａの両側に第２レンズ４ｂが第２方向の中心を揃えて配置されている。このため、これらレンズ４ａ，４ｂの中心を通る厚み方向の断面視をした際に、第１レンズ４ａの両側がレンズ曲面の途中で第２レンズ４ｂとそれぞれ接続されている。両者の接合は、シリコーン樹脂等の接着剤によって行なってもよいし、複数のレンズを一体形成することで行なってもよいし、個々のレンズを切断後に互いに当接させて機械的に固定してもよい。

そして、第１レンズ４ａ，第２レンズ４ｂは、それぞれ、第２方向においては、レンズの曲面が他のレンズと接合されることがないように形成されている。すなわち、第１レンズ４ａ，第２レンズ４ｂは、それぞれ、第２方向におけるレンズの有効径が、第１方向におけるレンズの有効径に比べ大きくなっている。さらに言い換えると、第１レンズ４ａ，第２レンズ４ｂは、第１方向と第２方向とで非対称の形状となっている。

このように構成することにより、第１レンズ４ａ，第２レンズ４ｂにより光量を確保しつつ、発光素子３ａと受光素子３ｂとを近接配置することができる。そして、発光素子３ａと受光素子３ｂとを近接配置することにより、発光素子３ａからの出射光の被対象物への入射角を小さく（浅く）することができる。具体的には１５°以下とすることができる。この値は、一般的な、個別の発光素子と受光素子とを基準面に対して角度をつけて実装する場合の角度（３０°程度）に比べて極めて小さいものである。このように入射角を小さくすることにより、微小な領域の表面状態を確認することができるようになり、センシング性能を高めることができる。

また、本実施形態によれば、発光素子３ａとしてＬＥＤを用い、光学素子４により光を絞り肌表面に照射するため、肌に照射される光の広がりは非常に狭くなる。具体的には、光学素子４により肌表面に焦点を合わせるように光を集光している。このため、化粧品の顔料の粒子の情報等、ミクロな情報の解析も可能となり、より高精度にセンシング可能とすることができる。

また、発光素子３ａと受光素子３ｂとを近接配置することにより、センサ１を小型化することができる。さらに、上述の通り、入射角を小さくすることができるので、被対象物（肌表面）までの距離を長くすることも可能となる。

このような、第１レンズ４ａ，第２レンズ４ｂの材質は、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂ならびにエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、またはポリカーボネート樹脂ならびにアクリル樹脂などの熱可塑性樹脂などのプラスチック、あるいはサファイアおよび無機ガラス
などが挙げられる。

本例の第１レンズ４ａ，第２レンズ４ｂは、シリコーン樹脂で形成されたシリンドリカルレンズ，球面レンズ、フレネルレンズ等を用いることができる。このようなレンズ４ａ，４ｂは保持体５の上壁に、シリコーン樹脂などの有機接着剤などにより取り付ければよい。また、この例では、第１レンズ４ａ，第２レンズ４ｂとの接合部は、Ｚ方向からの上面視で、Ｙ方向に平行な直線状に延びている。

なお、この例では、Ｚ方向（基板３０の厚み方向）から透視状態でみたときに、第１レンズ４ａの中心と発光素子３ａの中心とをずらしている。例えば、発光素子３ａの中心を起点としてＺ方向（法線方向）から１０°〜２０°傾けた仮想線上に第１レンズ４ａの中心が位置するように互いの位置を調整してもよい。このように配置することにより、発光素子３ａからの光のうち、発光強度の高い角度領域の出射光を効率よく取り出すとともに、被対象物に対して入射角をつけて光を照射することができる。

（変形例１：アパーチャーガイド）
図３に示すセンサ１Ａのように、光学素子４と発光素子３ａおよび受光素子３ｂとの間にアパーチャーガイド６を配置してもよい。アパーチャーガイド６は、発光素子３ａと第１レンズ４ａとの間に位置する開口部である第１アパーチャー６ａと、受光素子３ｂと第２レンズ４ｂとの間に位置する開口部である第２アパーチャー６ｂとを有している。なお、図３（ｂ）において、各構成要素の位置関係を明白にするために、発光素子３ａ，受光素子３ｂ，第１アパーチャー６ａおよび第２アパーチャー６ｂを破線で記している。

アパーチャーガイド６は、保持体５と別体で設け、保持体５に接合してもよいし、図３に示すように、保持体５Ａをアパーチャーガイド６とし、保持体５Ａの上壁に第１アパーチャー６ａ，第２アパーチャー６ｂとなる開口を形成してもよい。

ここで、第１方向における第１アパーチャー６ａおよび第２アパーチャー６ｂの大きさは、それぞれ、第１方向における第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂの大きさよりも小さくしている。言い換えると、第１アパーチャー６ａおよび第２アパーチャー６ｂは独立して存在し、アパーチャーガイド６は、第１アパーチャー６ａおよび第２アパーチャー６ｂという開口部以外で遮光することで、発光素子３ａ，受光素子３ｂが配置された側の空間と光学素子４との間を分離する役割をなす。このようなアパーチャーガイド６により、発光素子３ａから第１レンズ４ａに向かう光と、第２レンズ４ｂから受光素子３ｂに向かう光とを分離することができる。これにより、発光素子３ａと受光素子３ｂとを近接配置した場合であっても、意図せぬ発光素子３ａからの光，受光素子３ｂへの光の影響を抑制することができる。

また、第１アパーチャー６ａおよび第２アパーチャー６ｂは、入射光および反射光の分布径を狭めシャープなものとする働きもある。これにより、肌表面とセンサ１との距離が変動しても、受光量の変動が少ないものとすることもできる。

さらに、この例では、第１アパーチャー６ａは、第１方向に延びる大きさに比べ第２方向に延びる大きさが大きくなっている。すなわち、第１レンズ４ａの第１方向における有効径に比べ第２方向における有効径が大きいため、これに合わせて、第１アパーチャー６ａの大きさを調整することにより、発光素子３ａからの光を多く第１レンズ４ａに導くことができる。このような、第１アパーチャー６ａの形状は矩形状であってもよいし、楕円状であってもよい。また、第２アパーチャー６ｂは、多くの光を受光素子３ｂに導くよう、第２レンズ４ｂの有効径に対応させて可能な限り大きくしてもよい。

なお、この例において、Ｚ方向から透視状態でみたときに、第１レンズ４ａの中心と発光素子３ａの中心と第１アパーチャー６ａの中心とは、互いに一致しない。具体的には、発光素子３ａの中心を起点としてＺ方向から１０°〜２０°傾けた仮想線上に第１アパーチャー６ａの中心が位置するように互いの位置を調整すればよい。

（変形例２：光学素子４）
上述の例では、発光素子３ａ，受光素子３ｂのそれぞれに対応するレンズを互いに曲面の途中で接合した光学素子４を用いているが、図４に示すセンサ１Ｂのように、それぞれ独立したレンズからなる光学素子４Ｂを用いてもよい。

（変形例３：発光素子３ａ，受光素子３ｂ）
上述の例では、発光素子３ａを基板３０の一主面３０ｓにエピタキシャル成長させてなる半導体層により形成した場合を例に説明したが、この例に限らない。

例えば、基板３０の一主面３０ｓにエピフィルムを貼付した後にパターニングすることで発光素子３ａを形成してもよい。また、図４に示すように、アパーチャーガイド６から下方向に延びる遮光壁を設けてもよい。

（変形例４：基板３０）
上述の例では、基板３０として半導体材料を用い、基板３０の一部に受光素子３ｂを作りこんだ例を用いて説明したが、基板３０Ｃを有するセンサ１Ｃとしてもよい。基板３０Ｃは半導体材料に限定されず、ＳＯＩ基板、ＳＯＳ基板、絶縁性材料からなる基板、樹脂基板等を用いてもよい。この場合には、別基板に形成した受光素子３ｂ，発光素子３ａを貼り合わせることにより、同一基板上に発光素子３ａ，受光素子３ｂを備えたセンサ１Ｃとすることができる。

この場合には、基板３０Ｃとして放熱性の高い材料を用いた場合には、放熱性の高いセンサ１Ｃを提供することができる。内部配線を施した配線基板を用いた場合には、電気配線の取り回しが容易となり、集積性の高いものとすることができる。その場合には基板３０Ｃが配線基板２を兼ねることも可能となる。また、最適条件で形成した発光素子３ａ，受光素子３ｂを基板３０Ｃに貼り合わせることで、各素子の性能を高めることができる。

（第２実施形態）
上述の例では発光素子３ａと受光素子３ｂとが一方向に配列した例を用いて説明したが、図５に示すように、発光素子３ａを取り囲むように受光素子３ｂを配置したセンサ１Ｄとしてもよい。この場合には、発光素子３ａと受光素子３ｂとの配置に合わせ、光学素子４も形成すればよい。このような構成により、特に肌表面に化粧塗膜があるときに、顔料の種類、顔料の粒径により異なる散乱反射を正確に測定することができるため、顔料の分布に基づく化粧映え等の外観情報を正確にセンシングすることが可能となる。

発光素子３ａと複数の受光素子３ｂとの配置は、図５に示すように、発光素子３ａを取り囲むように受光素子３ｂを配置すれば、全方位における光の分布をセンシングすることができる。また、発光素子３ａに対しての受光素子３ｂの距離を変化させて配置すれば、様々な顔料の種類，粒径に応じてセンシングすることができる。

（第３実施形態）
上述の例では、１つの発光素子３ａに対して、複数の受光素子３ｂを有する例を用いて説明したが、図６に示すセンサ１Ｅのように、１つの受光素子３ｂに対して複数の発光素子３ａを設けてもよい。この場合には、発光素子３ａと受光素子３ｂとの配置に合わせ、光学素子４も形成すればよい。このような構成により、複数の発光素子３ａを順次発光さ
せて、それぞれの発光素子３ａに応じた反射光を時分割で受光素子３ｂで検出することにより、様々な顔料の種類・その粒径をセンシングしたり、肌表面における光の反射具合の面方向における分布をセンシングしたりすることができる。

（第４実施形態）
図７に示すように、発光素子３ａ及び受光素子３ｂがアレイ状に配置されているセンサ１Ｆとしてもよい。具体的には、図７においては、発光素子３ａを複数個一方向に配列した発光素子アレイ３５と、発光素子３ａの配列方向と同じ方向に複数個の受光素子３ｂを配列した受光素子アレイ３６と、を並列配置している。また、複数の発光素子３ａの配置間隔と、複数の受光素子３ｂの配置間隔とを同一としている。

このような構成とすることにより、肌の面情報を広範囲にわたり得ることができる。また、アレイ化することにより、１つの発光素子３ａに対して、距離の徐々に異ならせた受光素子３ｂが配列されているものとなる。この構成に着目すると、１つの発光素子３ａを発光させたときに、複数の受光素子３ｂにおける出力電流を比較することにより、肌に侵入した光が距離が離れるに従いどのように減衰していくかを確認できる。これにより、肌の透明感等、美肌度を確認することができる。

なお、肌の透明感を検出するためであれば、１つの発光素子３ａに対して、複数の受光素子３ｂがアレイ状に配列したものを、一列に配列したものを用いてもよい。

（第５実施形態）
上述の例では、発光素子３ａおよび受光素子３ｂを同一基板に作りこんでいる場合を例に説明したが、発光素子部品，受光素子部品を基板３０の一主面３０ｓに実装して構成してもよい。その場合には、図３で示すように、光学素子４とアパーチャーガイド６とを備えることにより、光を肌表面に集光することができる。また、同一の基板３０の一主面３０ｓ上に実装することにより、一定の位置精度を実現することも可能である。

（変形例：その他）
上述の各実施形態では、受光素子３ｂはｐｎ型のフォトダイオードとしたが、ＰＩＮ型としてもよい。さらに、複数の受光素子３ｂで受光素子３ｂ１，３ｂ２で大きさ、形状を異なるものとしてもよい。

さらに、上述の構成により従来技術に比べ十分被照射物への入射角を小さくすることができるが、光学素子４の上方にプリズムを設けることにより、さらに入射角度を小さくすることが可能となる。

以上、本発明の具体的な実施の形態の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

＜肌情報検出方法−１＞
上述のセンサ１を用いて、肌の面方向における連続した表面情報を得ることができる。具体的には、上述のセンサ１を用いて、発光素子３ａを発光させ、それに応じた反射光を受光素子３ｂで検出しながら、センサ１を肌表面において移動させる。

センサ１をこのように駆動させることにより、センサ１の移動経路に沿って、受光素子３ｂの出力電流に応じた検出信号を得ることができる。すなわち、発光素子３ａからの光を肌表面において集光させて照射することにより得ることのできる微小領域の情報を、スキャン（移動；走査）方向における連続情報として得ることができる。

ここで、従来のセンサは、広範囲の領域の平均的な情報を得ていた。このため、肌表面に化粧塗膜があり、たとえばラメ成分等の、正反射光の強度がきわめて高くなる成分が存在すると、異常点となり正確な測定ができなくなっていた。これに対して、センサ１によれば、微小領域に分けて測定可能であるため、ラメ成分とその他の成分との影響を分けて測定可能であり、かつ、その分布状態を正しく測定することができるものとなる。

＜肌情報検出方法―２＞
上述のセンサを用いて、発光素子３ａを発光させ、受光素子３ｂからの出力電流に応じた検出信号の時間的変化を計測する工程と、検出信号の時間的変化から、肌表面における水分の蒸発速度を推定し肌の保水力を算定する工程とを設けてもよい。

具体的には、たとえば、肌表面に化粧水を塗布し、計測を開始する。これにより、肌表面の微小領域における化粧水の蒸発、残存量等に起因する反射光の変化を時間的に遅延なく追うことができる。

そして、この反射光に応じた検出信号の時間的変化から、肌表面における水分の蒸散速度を、蒸散のごく初期の変化で確認し、外挿的に肌の保水力を算定する。例えば、肌の保水力から、被験者の肌の乾燥性を瞬時に判定できるものとなる。また、化粧水が被験者の肌に浸透しやすいかどうかを判断できる。

これに対して、従来のセンサは、広範囲の領域の平均的な情報を得ていた。このため、肌表面に化粧水等を浸透させ、その効果を検証するときには、浸透し、肌自体の表面状態が変化した後に初めて測定することができた。

このため、センサ１を用いることにより、肌の保水力、乾燥性、化粧水との肌適合等を瞬時に測定可能となる。

１ センサ
２ 配線基板
３ 受発光素子
３ａ 発光素子
３ｂ 受光素子
４ 光学素子
４ａ 第１レンズ
４ｂ 第２レンズ
５ 保持体
６ アパーチャーガイド
６ａ 第１アパーチャー
６ｂ 第２アパーチャー
８ 絶縁層
３０ 基板
３０ｓ 一主面
３０ａ バッファ層
３０ｂ ｎ型コンタクト層
３０ｃ ｎ型クラッド層
３０ｄ 活性層
３０ｅ ｐ型クラッド層
３０ｆ ｐ型コンタクト層
３１ａ 発光素子側第１電極
３１ｂ 発光素子側第２電極
３２ ｐ型半導体領域
３３ａ 受光素子側第１電極
３３ｂ 受光素子側第２電極

Claims (9)

1. 発光素子により被験者の肌表面に光を照射し、肌表面で反射される光や体内を通過して到達した光を受光素子で受光して、肌の表面状態に応じて出力される前記受光素子からの出力電流に応じて、肌表面の表面状態を検出するセンサであって、
   基板と、前記基板の一主面に位置する前記発光素子と、前記基板の一主面であって、前記発光素子と異なる箇所に位置する前記受光素子と、前記基板の前記一主面と間隔を空けて配置される光学素子と、を備え、
   前記光学素子は、前記発光素子からの光を肌表面に集光して導く第１レンズと、肌表面によって反射された光を前記受光素子に導く第２レンズと、を含む、肌センサ。
2. 前記発光素子および前記受光素子は、前記基板とともに一体形成されている、請求項１記載のセンサ。
3. 前記光学素子と、前記発光素子および前記受光素子との間に配置されるアパーチャーガイドをさらに有し、
   前記アパーチャーガイドは、前記発光素子と前記第１レンズとの間に位置する第１アパーチャーと、前記受光素子と前記第２レンズとの間に位置する第２アパーチャーとを有する、請求項１または２に記載のセンサ。
4. 前記第１レンズを通過後の前記発光素子からの出射光は、前記基板の前記一主面の法線に対して、５°〜１５°の範囲である、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ。
5. 複数個の前記発光素子を一方向に配列してなる発光素子アレイと、複数個の前記受光素子を一方向に配列してなる受光素子アレイと、を備え、前記発光素子アレイと前記受光素子アレイとを配列方向と直交する方向に間隔を空けて並べて配置されている、請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサ。
6. 前記基板は、半導体材料からなり、前記発光素子は、前記基板の前記一主面に複数の半導体層が積層されて形成されてなり、前記受光素子は、前記基板の前記一主面に不純物がドーピングされて形成されている、請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサ。
7. 前記基板がＳｉ単結晶からなり、前記半導体層はＧａＡｓ系半導体材料からなる、請求項６記載のセンサ。
8. 請求項１乃至７に記載のいずれかのセンサを用いた肌の表面状態を検出する肌情報検出方法であって、
   前記発光素子を発光させて、前記センサを肌表面において移動させることで、前記センサの移動経路に沿って前記受光素子からの出力電流に応じた検出信号を得る、肌情報検出方法。
9. 請求項１乃至７に記載のいずれかのセンサを用いた肌の表面状態を検出する肌情報検出方法であって、前記発光素子を発光させて、前記受光素子からの出力電流に応じた検出信号の時間的変化を計測する工程と、前記検出信号の時間的変化から、肌表面における水分の蒸発速度を推定し肌の乾燥度合を算定する工程と、を含む、肌情報検出方法。

Images