JP2016034322A - 透過型光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光検出部の光電変換機能を用いて光検出を行う場合に、応答速度の低下をきたすことのない光検出装置を提供する。
【解決手段】 被験者４の眼の前側に光透過型の光検出部２が配置されるように構成され、光検出部２の各光検出素子２ａが検出する入射光の光強度に応じて、光検出部２全体としての検出を行う光検出装置であって、光検出部２の他に少なくとも可視光を透過する２次元の信号読出回路（１９、１６ａ）を備えるとともに、各光検出素子２ａが少なくとも可視光を透過する有機光導電膜１５を備えてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、メガネ型等のウェアラブル端末に用いられるアレイ状光検出部を備えた透過型光検出装置に関し、詳しくは、アレイ状光検出部を構成する各画素毎に薄膜トランジスタを備えた透過型光検出装置に関するものである。

近年、スマートフォンに代表される携帯電話端末は急速に高機能化している。

このような、携帯電話端末の重要な機能として、入力操作を高精度に検出する機能がある。このような入力操作の検出機能においては、入力操作の主体である人間が直感的に理解できる手法であること、入力操作検出の遅延によるストレスを与えない手法であること、等が求められる。

このような観点から、上記のような携帯電話端末に対する入力操作の手法としては、手指によるタッチパネル操作が主流となっている。

一方、メガネ型や時計型等の、いわゆるウェアラブル端末も急速な立ち上がりをみせている。

このうち、メガネ型端末においては、端末上に別途設置されたカメラや光センサーによって視線を非接触により検出する手法が知られており、光センサーを色素増感素子により構成したものがよく知られている（下記特許文献１〜３）。

特開２００７‐１９５７７５号公報 特開２００９‐２９１３９１号公報 特開２０１０‐１９４６８７号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載されているような有機色素増感素子を用いたセンサーは、２つの対向する電極間に電解質溶液を封入して光電変換を行うことが前提となる。このように電解質溶液を用いて光電変換を行った場合、入力操作に対する応答速度が遅くなるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、光検出部の光電変換機能を用いて光検出を行う場合に、応答速度の低下をきたすことのない透過型光検出装置を提供することを目的とするものである。

本発明の光検出装置は、
被験者の眼の前側に光透過型の光検出部が配置されるように構成され、該光検出部を構成する光検出素子の各々が検出した入射光の光強度に応じて、該光検出部全体としての検出を行う透過型光検出装置において、
前記光検出部が、少なくとも可視光を透過する２次元の信号読出回路を備えるとともに、前記光検出素子の各々が、互いに対向する電極間に、少なくとも可視光を透過する有機光導電膜を備えたことを特徴とするものである。

また、前記光検出部に外部側から入射した光を透過させ、この入射した光の眼球部分からの反射光の強度の変化に応じて、瞳位置を検出し、視線方向を特定する視線方向特定手段を備えることが好ましい。

また、前記光検出部に外部側から入射する光が該光検出部の前側において遮光された場合に、この遮光により生じた入射光の強度の変化に応じて、入力操作の内容を判断する入力操作判断手段を備えることが好ましい。

また、前記有機光導電膜が、導電性ポリマーを含む透明導電性材料からなることが好ましい。
また、前記有機光導電膜は、透明の画素電極と透明の対向電極に挟持されるように形成することができる。
さらに、前記光検出装置を、メガネ型のウエラブル端末として構成することができる。

本発明の光検出装置によれば、光検出部に設けられた２次元の信号読出回路を可視光が透過し得るように形成されているとともに、各光検出素子の対向する電極間に設けた有機光導電膜を可視光が透過するように形成されているので、非接触で高精度に光検出を行うことができるとともに、従来技術のような電解質溶液を用いることがないので、応答速度の低下をきたすことがない。

また、光検出部に設けられた信号検出回路や有機光導電膜が、少なくとも可視光を透過するように形成されているので、メガネ型端末として用いた場合にも、使用者の視野を遮ることなく、視線の検出や手指によるモーション（ジェスチャー）検出が可能となる。

本発明の実施形態に係る透過型光検出装置を示す概念図である。 図１に示す透過型光検出装置の１画素分の素子の断面を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る透過型光検出装置を視線検出装置として用いた場合の模式図である。 本発明の実施形態に係る透過型光検出装置をモーション（ジェスチャー）検出装置として用いた場合の模式図である。

以下、本発明の実施形態に係る透過型光検出装置について、図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態を非接触型のメガネ型端末器１に用いた適用例を示すものである。
すなわち、メガネ型端末器１の枠内にアレイ状光検出部２の各光検出素子２ａが配置され、この各光検出素子２ａにおいて受光した光の強度に基づき、瞳位置検出回路部３にて瞳位置が算出され、この算出値に基づいて視線検出操作が行われる。

なお、このメガネ型端末器１は、図示するように、アレイ状光検出部２が、丁度被験者４の眼（瞳６ｂを含む眼球５）の前側に位置せしめられるように設けられるものであり、所定位置に止まるように、通常のメガネの部材と同様の弦や鼻当てを備えていてもよい。

ここで、アレイ状光検出部２の光検出素子２ａ（１画素）について、図２を用いて説明する。この図２は、１画素分の光検出素子２の断面を模式的に表したものである。
この光検出素子２ａの一部には、有機光導電膜１５で発生した信号を増幅させたり、その信号を外部に送出するためのトランジスタ部１９およびその信号を出力する配線である信号出力線１６ａが設けられている（以下、トランジスタ部１９および信号出力線１６ａを併せて信号読出回路と称することがある）。

図２に示すように、本実施形態においては、トランジスタ部１９は、透明基板１１上に、所定の金属（Mo等）よりなるゲート電極１２、SiOxなどからなる絶縁層１３ａ、非晶質IGZOに代表される非晶質酸化物半導体等からなるチャネル部１４、SiOxなどからなる絶縁層１３ｂ、画素電極１６および信号出力線１６ａ、ならびにSiOxなどからなる絶縁層１３ｃを積層して構成されている。

なお、このトランジスタ部１９に用いられるチャネル部１４の半導体材料は単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSiなどのシリコン系材料やIGZOやZnOなどの酸化物半導体、ペンタセンなどの有機半導体が挙げられる。

このような構成とされた、トランジスタ部１９および画素電極１６の上には、可視光の光透過性の高い有機光導電膜１５が設けられている。
この有機光導電膜１５としては、可視光以外の光を吸収する有機材料から構成することが一般的である。

すなわち、有機膜は特定の波長の光のみを吸収する性質をもつことが知られているが、紫外光や赤外光を吸収する有機光導電膜１５を用いれば、可視光に対して透明性の高い光検出装置となり、使用者にアレイ状光検出部２を視覚的に意識させることなく、アレイ状光検出部２越しに外部の様子を見ることができる。

また、可視光の一部の波長域を吸収する有機光導電膜１５を用いた場合、アレイ状光検出部２は使用者の目には吸収光の補色に着色したものとして観察される。このアレイ状光検出部２への着色効果を利用すれば、デザイン化された光検出装置として用いることが可能である。

また、有機光導電膜１５に光が吸収されることによって発生した電荷は、画素電極１６、トランジスタ部１９および信号出力線１６ａを介して外部に電気信号として出力される。

具体的には、有機光導電膜１５は、導電性ポリマーを含んで構成される。
この導電性ポリマーは、形成した有機光導電膜１５に導電性を付与するための配合物であり、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリフェニレンビニレン、ポリナフタレン、これらの誘導体、および、これらとドーパントとの複合体等を用いることができる。

また、特に、ポリチオフェンとドーパントとの複合体からなるポリチオフェン系導電性ポリマーが好適であり、ポリチオフェン系導電性ポリマーとしては、ポリ（３，４−ジアルコキシチオフェン）またはポリ（３，４−アルキレンジオキシチオフェン）とドーパントとの複合体がより好適である。

また、有機光導電膜１５は、上記導電性組成物を用いて形成された被膜であり、上記導電性組成物を基材に塗布し、乾燥および熱硬化させることにより形成する。

上記導電性組成物の塗布方法としては特に制限はなく、種々の周知の手法を用いることができ、例えば、スピンコーティング、ディップコーティング、グラビアコーティング、バーコーティング、ダイコーティング、スプレーコーティング、カーテンコーティング等を用いることができる。また、スクリーン印刷、スプレー印刷、インクジェット印刷、凸版印刷、凹版印刷、平版印刷等の印刷法も適用できる。

また、有機光導電膜１５に低分子材料の薄膜を用いることも可能である。具体的には、Alq3（トリス(8-キノリノラト)アルミニウム）、クマリン誘導体、ポルフィリン誘導体、ペリレン誘導体、キナクリドン誘導体、フタロシアニン誘導体等が挙げられるが、有機光導電膜１５を構成する有機材料は、これらのものに限定されるものではない。なお、これらの低分子有機薄膜は、塗布法の他に真空蒸着法により形成することが可能である。
なお、Alq3は紫外光のみを吸収し、可視光をほぼ透過する有機光電膜である。また、クマリン誘導体やポルフィリン誘導体には青色の波長域の光を選択的に吸収するものがある。また、ペリレン誘導体、キナクリドン誘導体には緑色の波長域の光を選択的に吸収するものがある。さらに、フタロシアニン誘導体には、赤色〜赤外の波長域の光を選択的に吸収するものがある。

また、図２に示すように、有機光導電膜１５上には電源１８に接続された対向電極１７が設けられ、この対向電極１７と画素電極１６との間に所定のバイアス電圧が印加されるように構成される。

なお、対向電極１７は、光の透過率が高いことが望ましく、ITO、IZOなどの透明導電膜や、厚みが数nm〜数十nm程度に薄く形成されたAl、Mg、Auなどからなる半透明金属膜から構成することが好ましい。

このように、光電変換膜として機能する有機光導電膜１５と、トランジスタ部１９および信号出力線１６ａからなる信号読出回路と、を組み合わせたアレイ状の検出素子（アレイ状光検出部２）を形成することにより、高精度かつ高速な検出が可能となる。

なお、基板１１としては、光透過性の高いガラス、プラスチック、石英、サファイア等により形成することが望ましい。

これにより、上方（対向電極１７側）からの入射光および下方（基板１１側）からの入射光のいずれもが、有機光導電膜１５において光電変換され、入射光の強度に応じた電気信号が画素電極１６、トランジスタ部１９および信号出力線１６ａを介して、外部に出力される。

外部に出力された電気信号は、瞳位置検出回路部３において、各光検出素子２ａからの信号毎に所定のしきい値と比較され、信号値が低いと判断された光検出素子２ａの領域を瞳６ｂに対応する位置として特定する。

図３は、本発明の実施形態に係る透過型光検出装置のメガネ型端末器１を視線検出装置として用いる場合の適用例を示す概略図である。
なお、図３に示す適用例においては、基本的に、図１に示す実施形態のものを用いているので、図１の各部材と対応する部材については、図１のその部材の符号に１００を加えた符号を付すものとし、各部材の構造的な説明は省略する。

外光が、眼の前側に位置する視線検出装置１０１を透過し被験者（使用者）の眼球１０５に入射すると、その光の一部は眼球１０５により反射される。眼球１０５では、白目１０６ａの部分と瞳１０６ｂの部分で反射率が異なるため、アレイ状検出部１０２において、瞳１０６ｂに対応する領域の光検出素子１０２ａ（画素）では、反射率の高い白目１０６ａに対応する領域の光検出素子１０２ａ（画素）と比べて光強度が低下し、検出される信号値が減少する。

瞳位置検出回路部３においては、このように信号値の大小の変化に基づき、信号値が小さく現れる光検出素子１０２ａの部分を瞳１０６ｂに対応する領域であるとして特定する。

この特定された瞳１０６ｂの位置と、この視線検出装置１０１に取り付けた、例えば小型カメラにより撮像された視界映像に基づき、図示されない制御部（視線検出部）において視線方向を特定することになる。
なお、小型カメラにより撮像された視界映像を用いて視線検出を行う上記手法は、例えば、前述した特許文献２、３等にも記載されている周知の技術である。
これにより２次元的に瞳位置および視線を容易に検出することが可能である。

図４は、本発明の実施形態に係る透過型光検出装置のメガネ型端末器１を、非接触のモーション（ジェスチャー）検出装置２０１として用いる場合の適用例を示す概略図である。

なお、図４に示す適用例においては、基本的に、図１に示す実施形態のものを用いているので、図１の各部材と対応する部材については、図１のその部材の符号に２００を加えた符号を付すものとし、各部材の構造的な説明は省略する。

モーション検出装置２０１に手指２０７を近づけた場合、アレイ状検出部２０２において、手指２０７に対応する領域の光検出素子２０２ａ（画素）に入射する光の強度は手指２０７に遮られ減少するため、手指２０７の位置を２次元的に検出することが可能である。

このモーション検出装置２０１の位置検出手法を用いれば、例えば、モーション検出装置２０１のアレイ状検出部２０２において、所望の位置の表面近くをなぞるように手指２０７を動かすことで、例えば、スマートフォン端末に用いられている接触式タッチパネルと同様の入力操作が可能である。この場合、アレイ状検出部２０２と透過型液晶パネルを互いに重ね合せて貼り合せるようにして、アレイ状検出部２０２上に透過型液晶パネルに表示された所定の入力画面を映出させるようにしてもよい。

なお、メガネ型端末器１においては、レンズを有する一般のメガネのレンズ部や上述した透過型液晶パネルと、アレイ状光検出部２とを貼り合せる場合は、例えば、透明な接着剤を用いればよい。

また、瞳位置検出回路部３はメガネ型端末器１の弦等の部分に取り付けられていてもよいが、多画素化やコンパクト化を図るために微小なチップ形状、あるいはフイルム形状として、メガネ型端末器１の部材中に埋め込むようにしてもよい。

なお、本発明の透過型光検出装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様のものを採用し得る。例えば、上記実施形態においては、光検出素子として、図２に示すような構成のものについて説明しているが、本発明の透過型光検出装置としてはこれに限られるものではなく、少なくとも可視光を透過する、２次元の信号読出回路部および有機光導電膜を備えていれば、種々のタイプの積層構成とされたものを採用可能である。

また、透過型光検出装置の装着手法としても、メガネ型に限定されるものではなく、例えば、ゴーグル型やヘッドアップディスプレイ型等に形成することも可能である。

また、上記実施形態装置において、例えば紫外光を吸収する有機膜を有機光導電膜１５として用いれば、可視光および赤外光を透過させて検出することができ、例えば赤外光を吸収する有機膜を有機光導電膜１５として用いれば、可視光および紫外光を透過させて検出することができる。

１ メガネ型端末器
２、１０２、２０２ アレイ状光検出部
２ａ、１０２ａ、２０１ａ 光検出素子
３ 瞳位置検出回路部
４ 被験者
５、１０５、２０５ 眼球
６ａ、１０６ａ、２０６ａ 白目
６ｂ、１０６ｂ、２０６ｂ 瞳
１１ 基板
１２ ゲート電極
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 絶縁層
１４ チャネル部
１５ 有機光導電膜
１６ 画素電極
１６ａ 信号出力線
１７ 対向電極
１８ 電源
１９ トランジスタ部
１０１ 視線検出装置
２０１ モーション（ジェスチャー）検出装置
２０７ 手指

Claims (6)

1. 被験者の眼の前側に光透過型の光検出部が配置されるように構成され、該光検出部を構成する光検出素子の各々が検出した入射光の光強度に応じて、該光検出部全体としての検出を行う透過型光検出装置において、
   前記光検出部が、少なくとも可視光を透過する２次元の信号読出回路を備えるとともに、前記光検出素子の各々が、互いに対向する電極間に、少なくとも可視光を透過する有機光導電膜を備えたことを特徴とする透過型光検出装置。
2. 前記光検出部に外部側から入射した光を透過させ、この入射した光の眼球部分からの反射光の強度の変化に応じて、瞳位置を検出し、視線方向を特定する視線方向特定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の透過型光検出装置。
3. 前記光検出部に外部側から入射する光が該光検出部の前側において遮光された場合に、この遮光により生じた入射光の強度の変化に応じて、入力操作の内容を判断する入力操作判断手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の透過型光検出装置。
4. 前記有機光導電膜が、導電性ポリマーを含む透明導電性材料からなることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の透過型光検出装置。
5. 前記有機光導電膜は、透明の画素電極と透明の対向電極に挟持されるように形成することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の透過型光検出装置。
6. 前記光検出装置が、メガネ型のウェアラブル端末であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の透過型光検出装置。