JP2021515275A - コリメータフィルタ - Google Patents

Abstract

コリメータフィルタ（１０）は、異なる入射角（θｉ、θｉ’）で入射光（Ｌｉ、Ｌｉ’）を受け取る為の入射面（１１）、出射光（Ｌｏ）が該コリメータフィルタ（１０）から出ることを許す出射面（１２）を備えている。該入射面（１１）と該出射面（１２）との間にあるフィルタ構造は、閾値角度（θｍａｘ）を下回る入射角（θｉ）を有する該入射光（Ｌｉ）の少なくとも一部を透過する。該フィルタ構造が、カーボンナノチューブ（１）のパターン化されたアレイを備え、該ナノチューブ（１）が、該入射面（１１）と該出射面（１２）との間を該主透過方向（Ｚ）に延びるように整列されている。該ナノチューブ（１）が、該主透過方向（Ｚ）を横切る２次元のパターン（Ｐ）を形成するように配置されている。該パターン（Ｐ）のうちナノチューブ（１）のない空いた領域が、該フィルタ構造を通して該出射光（Ｌｏ）を透過する為の微小開口（Ａ）を該ナノチューブ（１）間に形成する。【選択図】図１Ｃ

Description

本開示は、コリメータフィルタ及びコリメータフィルタを製造する方法に関する。

様々な応用例、例えば移動電話のロック解除及び支払い、に対して、偽称者ではなく登録された使用者が認証されることを確実にする為に、指紋スキャナが使用されることができる。高分解能の指紋スキャナを表示領域内に一体化することに関心が集まっており、従って移動デバイスの上面からホームボタンが除去又は除外されることができ、いわゆる全面ディスプレイが実現される。しかしながら、ディスプレイの応用例では、多くのコーティング、フィルム、及びカバーガラスが、光検出器と指との間の距離を事実上増大させうる。ガラスカバーがなければ、指から反射された光が、谷及び隆起の詳細な特徴を示しうる。これらの特徴は、カバーガラスが加えられたとき、信号処理後でも、劣化され、例えばぼかされ、指紋画像の分解能を事実上低下させうる。

米国特許第９，８２９，６１４（Ｂ２）号明細書は、指紋センサにおける光学撮像の為のシステム及び方法を記載している。光指紋センサは、画像センサアレイ、画像センサアレイの上に配置され、開口のアレイを有するコリメータフィルタ層、及びコリメータフィルタ層の上に配置された照射層を含む。コリメータフィルタ層は、反射光ビームのうちのいくらかのみが画像センサアレイ内の光感知素子に到達するように、反射光を濾過する。コリメータフィルタ層を用いることで、ぼけを防止しながら、より低プロファイルの画像センサを可能にする。

改善されたコリメータフィルタ及び製造方法を提供することが、依然として必要とされている。

本開示の観点は、コリメータフィルタ及び製造方法を提供する。コリメータフィルタでは、入射面が、異なる入射角で入射光を受け取りうる。出射面は、出射光がコリメータフィルタから出ることを可能にしうる。入射面と出射面との間のフィルタ構造は好ましくは、主透過方向に対して閾値角度を下回る入射角を有する入射光の少なくとも一部を出射光として透過し、該閾値角度を上回る入射角を有する入射光がフィルタ構造を通過することを阻止する。本明細書に記載されているように、フィルタ構造は、入射面と出射面との間で主透過方向に延びるナノチューブのパターン化されたアレイを備えうる。ナノチューブは好ましくは、主透過方向を横切る２次元のパターンを形成するように配置される。従って、パターンのうちナノチューブのない空いた領域が、該フィルタ構造を通して該出射光を選択的に透過する為の微小開口を該ナノチューブ間に形成しうる。

本発明者等は、カーボンナノチューブがコリメータフィルタを構築する目的で特に好適となることができることを見出した。理論に拘束されることなく、ナノチューブは、顕微鏡的な特徴、特にコリメーションの為に開口径と開口長さとの小さいアスペクト比を有する微小開口を正確且つ再現可能に製造しながら、それでもなお非常に薄いコリメータフィルタを提供する為に長さを非常に小さく抑え、より大きい入射角で開口の壁に当たる全てのコリメートされていない光を本質的に吸収する為に使用されることができ、従ってこの光は、開口を通って誤って反射されないことが見出された。

本開示の装置、システム、及び方法のこれら及び他の特徴、観点、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面からよりよく理解されよう。

図１Ａは、ナノチューブを表す概略側面図である。 図１Ｂは、カーボンナノチューブのアレイに対する実施態様の概略上面図である。 図１Ｃは、コリメータフィルタに対する実施態様の概略斜視図である。 図２は、コリメータフィルタに対する実施態様の概略断面図である。 図３Ａは、コリメータフィルタを有する表示デバイスに対する実施態様の概略断面図である。 図３Ｂは、コリメータフィルタを有する表示デバイスに対する実施態様の概略断面図である。 図４Ａは、例示的なフィルタ構造の画像である。 図４Ｂは、例示的なフィルタ構造の画像である。 図４Ｃは、例示的なフィルタ構造の画像である。 図４Ｄは、例示的なフィルタ構造の画像である。 図５Ａは、カバーガラスなしで指紋を測定する影響を示す図である。 図５Ｂは、カバーガラスありで指紋を測定する影響を示す図である。 図５Ｃは、異なる状況における測定の比較グラフである。

特定の実施態様について記載する為に使用される術語は、本発明を限定することが意図されたものではない。本明細書では、文脈上別途明白に記載しない限り、単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、複数形も同様に包含することが意図される。「及び／又は」という語は、関連する列挙された項目のうちの１以上のあらゆる組合せを包含する。「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は、記載の特徴の存在を指定するが、１以上の他の特徴の存在又は追加を除外しないことが理解されよう。別途指定されない限り、方法の特定のステップが別のステップの後続であると言及されるとき、該ステップは上記他のステップに直接続くことができ、又は特定のステップを実施する前に１以上の中間のステップが実施されうることが更に理解されよう。同様に、別途指定されない限り、構造又は構成要素間の接続について記載されるとき、この接続は、直接、又は中間の構造若しくは構成要素を介して、確立されうることが理解されよう。

本発明は、以下、本発明の実施態様が示されている添付の図面を参照して、より詳細に記載される。図面では、システム、構成要素、層、及び領域の絶対及び相対サイズは、見やすいように強調されうる。実施態様は、本発明の理想化される可能性のある実施態様及び中間構造の概略及び／又は断面図を参照して記載されうる。説明及び図面では、同様の数字は全体にわたって同様の要素を指す。相対的な語並びにその派生語は、そこに記載されている又は議論中の図面に示されている向きを指すと解釈されるべきである。これらの相対的な語は、説明を便利にする為であり、別途記載されない限り、システムが特定の向きで構築又は動作されることを求めるものではない。

図１Ａは、多数のナノチューブ１を描く概略側面図を示す。典型的には、ナノチューブ１は、円筒形のナノ構造によって形成され、ナノ構造は例えば、最大１００ナノメートルの比較的小さい直径、及び十、百、又は千マイクロメートルのオーダー（１ミリメートル以上）の比較的大きい長さを有する。好ましくは、ナノ構造は本質的に、炭素原子（「Ｃ」によって示されている）からなる。このようにして、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が形成されうる。ＣＮＴは、例えば光学的及び構造的特性並びに製造可能性の観点で、非常に好ましいが、原則的に本教示はまた、ナノチューブを形成する他の材料にも適用可能である。該図は単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）を示すが、多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）もまた、意図されることができる。概して、個々のナノチューブは、自然に整列される。例えばそれらは、ファンデルワールス力及び／又はｐｉスタッキングによって互いに保持されることができる。好ましい実施態様では、示されているように、ナノチューブ１は主に、主方向に沿う長さ方向またはチューブ方向「Ｚｔ」で整列される。最も好ましくは、ナノチューブの主整列方向は、コリメータフィルタ１０の主透過方向「Ｚ」と一致する。

図１Ｂは、カーボンナノチューブ１のアレイに対する実施態様の概略上面図を示す。いくつかの実施態様では、ナノチューブ１は、互いに、たとえば隣り合って束にされて、より大きい構造、例えば壁「Ｗ」、を形成する。例えば、多くのナノチューブ１の壁「Ｗ」が、顕微鏡的サイズの区画開口（「Ａ」）を画定するように配置されることができる。壁「Ｗ」は、典型的には、互いに整列されたナノチューブ１の複数の層（Ｎｗ）又は列によって決定される厚さ「Ｄｗ」を有しうる。ナノチューブ１のより厚い壁又はより多くの層を使用することで、壁「Ｗ」の構造的一体性及び／又は整列を改善しうる。典型的には、壁「Ｗ」を形成するナノチューブ層「Ｎｗ」の数は、少なくとも３、５、１０、２０、又はそれ以上である。

いくつかの実施態様では、ナノチューブ１は、セル「Ｅ」のパターンを形成するように、壁「Ｗ」内に配置される。例えば、各セルＥは、それぞれの微小開口「Ａ」を、該開口を取り囲むその壁「Ｗ」間で囲みうる。例えば、図１Ｂは、単一のセルＥの実施態様を示し、該単一のセルＥは、同じ又は異なる形状の隣接セルによって繰り返されることができる。好ましくは、壁「Ｗ」は、複数の相互接続されたセル「Ｅ」を形成するように、パターン「Ｐ」で配置され、例えばセル「Ｅ」間の共通の壁を共有する。好ましい実施態様では、該パターンは、繰り返された単位セルから形成され、各セルは、実質的又は本質的に同じ形状及び／又はサイズを有する。例えば、図１Ｃは、繰り返されたセル「Ｅ」のパターン「Ｐ」を示す。

一実施態様では、例えば図１Ｂに示されているように、セルＥは、略六角形の形状を有しうる。そのような形状は、例えば該形状がフィルタの表面を覆うように効率的な充填ファクタによって繰り返されることができる故に、好ましくありうる。あるいは、または加えて、他の形状、例えば三角形又は方形、のセルもまた、意図されることができる（図示せず）。あるいは、または加えて、全て同一のセル、若しくは、２つ以上の繰返し形状から選択されたセルを有するパターン、若しくは概して異なるセル、又は微小開口を形成する壁を有する他の構造を含む、他の形状及びパターンが、意図されることができる。好ましくは、該セルは、例えば異なる横断方向に異なる長さを有しうる細長い方形セルと比較すると、少なくとも３重回転対称を有し、細長い方形セルは、場合により異方性コリメーション（例えば、ＹでよりもＸでコリメートされる）を引き起こす。

いくつかの実施態様では、それぞれのセル「Ｅ」内に形成される微小開口「Ａ」は、角を落とされ又は円形である。言い換えれば、微小開口「Ａ」の内径「Ｄａ」は、例えば２０％、１０％、５％、又はそれ以下の範囲内で、実質的に一定であり、例えば実質的に円形の開口に置けるように本質的に一定でありうる。これは、等方性コリメーション特性の更なる改善を提供しうる。例えば、図１Ｃに示されているように、（極）閾値角度θｍａｘは、好ましくは一定であり、又は光が入射する方位角Φｉに最小の依存を有する。例えば、好ましいパターン「Ｐ」は、図４Ａ及び図４Ｃに特に見られるように、繰り返されるセル「Ｅ」の六角形の配置に従いＣＮＴを備えており、セル「Ｅ」の壁「Ｗ」内に形成される微小開口「Ａ」は、円形であり又は角を落とされている。円形の内側は、六角形パターンの単位セルに最も効率的に適合するが、原則的に、角を落とされた内側もまた、他の配置、例えば正方形又は三角形（隅部で壁がより厚くなる犠牲を払い）で備えられることができる。

図１Ｃは、コリメータフィルタ１０のための好ましい実施態様の概略斜視図を示す。示されている実施態様では、コリメータフィルタ１０は、コリメータフィルタ１０の主透過方向「Ｚ」に対して異なる入射角（θｉ及びθｉ’）で入射光（それぞれＬｉ及びＬｉ’）を受け取る為の入射面１１を備える。出射面１２（この図で示されているが、見えない）は、出射光Ｌｏがコリメータフィルタ１０から出ることを可能にするように、入射面１１に対してコリメータフィルタ１０の反対側に配置されうる。主透過方向「Ｚ」に対して閾値角度θｍａｘを下回る入射角θｉを有する入射光Ｌｉの少なくとも一部を出射光Ｌｏとして透過し、閾値角度θｍａｘを上回る入射角θｉ’を有する入射光Ｌｉ’の実質的に全て（例えば、９９％超）がフィルタ構造を通過することを阻止する為に、入射面１１と出射面１２との間にフィルタ構造が配置されうる。

本明細書に記載されているように、フィルタ構造は、ナノチューブ１、例えばＣＮＴ、のパターン化されたアレイを備える。好ましくは、ナノチューブ１は、入射面１１と出射面１２との間を主透過方向「Ｚ」で本質的又は優勢に延びるチューブ長さ「Ｚｔ」で整列される。好ましくは、ナノチューブ１は、主透過方向「Ｚ」を横切る２次元のパターン「Ｐ」を形成するように、直径を横並びにして配置される。好ましい実施態様では、パターン「Ｐ」の空いた領域、すなわちナノチューブ１のないフィルタ構造を通る空いた体積すなわちチューブが、フィルタ構造を通って出射光Ｌｏを透過するように、ナノチューブ１間に微小開口「Ａ」を形成する。

好ましい実施態様では、図１Ｃに点線によって示され、図２の断面図に更に示されているように、フィルタ構造は、透明マトリックス２内に封入されうる。例えば、ナノチューブを封入するマトリックスは、物質の硬いブロック又はシートを形成しうる。有利には、透明マトリックス２は、ナノチューブ１を本質的に固定し且つ／又はナノチューブ１を環境の影響から保護しうる。該固定はまた、例えば製造後に、基材（図示せず）からコリメータフィルタを任意的に除去するのに役立ちうる。

好ましくは、透明マトリックス２は、少なくともフィルタが使用される波長範囲内で、光学的に透明の材料から本質的になる。例えば、透明マトリックス２は、可視波長（例えば、４００〜７００ｎｍ）及び／又は赤外波長（例えば、７００ｎｍ〜１ｍｍ）の範囲又は少なくとも部分範囲に対して透明である。いくつかの用途の為に、透明マトリックス２は、追加的に又は代替的に、少なくともいくらかのＵＶ光（４００ｎｍ未満）が通過することを許す。例えば、透明マトリックス２は、そのような光の５０パーセント超、好ましくは８０パーセント超、より好ましくは９０パーセント超、又は更には光の実質的に全て、例えば９５〜１００パーセント、を透過する。

好ましくは、例えばナノチューブ壁「Ｗ」内へ散乱されることなく微小開口「Ａ」を通って、コリメートされた光を透過し、且つ／又は主透過方向「Ｚ」における偶発的な散乱によって、コリメートされていない光が微小開口「Ａ」を誤って通過することを防止する為に、透明マトリックス２は最小の散乱特性を有する。例えば、透明マトリックス２は、通過光の３０パーセント未満、好ましくは１０パーセント未満、又はそれ以下、を散乱し、最も好ましくは、光の本質的に０、例えば０〜５パーセントが、透明マトリックス２によって散乱される。

いくつかの実施態様では、可撓性又は弾性の材料を使用して透明マトリックス２を形成することが好ましくありうる。材料が破断なく屈曲することを可能にすることで、頑健性を改善しうる。これはまた、封入後にフィルタを基材から除去、例えば剥離、するのを助けることができる。いくつかの実施態様では、フィルタ、例えばフォイル、は、比較的低い曲げ剛性、例えば５００Ｐａ・ｍ^３未満、１００Ｐａ・ｍ^３未満、又は更には１０Ｐａ・ｍ^３未満、を有する場合に、可撓性であると見なされうる。他の又は更なる実施態様では、フィルタが本質的な光学的機能を失うことなく、１０センチメートル未満、又は５センチメートル未満、又はそれ以下の曲率半径で丸められる又は曲げられることができる場合に、フィルタは可撓性であると見なされうる。

一実施態様では、透明マトリックス２は、ポリマー状有機ケイ素化合物を含む。例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）は、現在の目的のために様々な有利な特性を有する。また、他の、例えば類似の、材料は、（任意的な）透明マトリックスとして使用されることができる。いくつかの実施態様では、透明マトリックス２は、液体状前駆体から形成され、液体状前駆体は、適用後に固化される。

いくつかの実施態様では、例えば図２に示されているように、微小開口「Ａ」は、透明マトリックス２の材料２ａによって少なくとも部分的に充填されることが好ましい。他の又は更なる実施態様では、透明マトリックス２は、入射面１１及び／又は出射面１２の少なくとも一部を覆うように、カバー層２ｔを形成しうる。一実施態様では、透明マトリックス２は、光学に平坦な入射面１１及び／又は出射面１２を形成するように、製造（又は後に研削、研磨、若しくはラップ仕上げ）される。特に、光入射面１１は、入射光Ｌｉの散乱を防止又は最小化する為に、比較的平滑でありうる。例えば、１以上の表面が、用途に応じて、１マイクロメートル未満、５００ナノメートル未満、３００ナノメートル未満、１００ナノメートル未満、５０ナノメートル未満、又はそれ以下の表面偏りを有する光学的平坦でありうる。好ましくは、表面偏りのサイズは少なくとも、開口の直径すなわちサイズ「Ｄａ」より小さい。あるいは、またはナノチューブ１の上に厚さを有する透明カバー層２ｔに加えて、カバー層は省略されうるものであり、又はカバー層の厚さは、最小、例えば１００ナノメートル未満、５０ナノメートル未満、若しくは更には１０ナノメートル未満、に低減されることができる。例えば、ナノチューブは、透明マトリックスの端部（ここでは図示せず）にまで到達しうる。

例えば図２に示されているように、特定の方向に平行又はほぼ平行に進む線、例えば光線、のみが通ることを許されるように、コリメータフィルタは線、例えば光線、をフィルタするために使用されることができる。例えば、これは、コリメータの底の検出器によって検出される、コリメータの上端での像の分解能を増大させる用途に、有利であることができ、しかしそれに限定されない。本明細書では、線が通ることが許される主方向は、フィルタの主透過方向と呼ばれる。コリメータフィルタ１０は、主透過方向「Ｚ」に対する入射光Ｌｉの入射角θｉに応じて、光を選択的に透過しうる。好ましい実施態様では、図示されているように、主透過方向「Ｚ」は、入射面１１の法線ベクトルＮと整列される。これは、入射の法線又は近法線角θの光Ｌｉだけがコリメータフィルタ１０を通って透過され、より大きい角度の光は阻止されることを意味する。例えば、コリメータフィルタ１０は、主透過方向「Ｚ」に対して１０度未満、５度未満、２度未満、又は更には１度未満の入射角（平面角）の光のみを透過させうる。閾値角度θｍａｘが小さければ小さいほど、光がより良好にコリメートされる（しかしながら、これは、より多くの非コリメートされない光の阻止という犠牲を払って）。

より大きい入射角の光Ｌｉ’は好ましくは、ナノチューブ１によって、例えば微小開口「Ａ」内で、吸収される。好ましい実施態様では、ナノチューブの壁「Ｗ」は、少なくとも微小開口「Ａ」内で、大きい吸光度「Ｌａ」を有し、例えば壁に当たる（使用された）光の９０％超、好ましくは９９％超、を吸収する。例えば、ＣＮＴは、光の９９．９％超を吸収しうる。例えば、物体「Ｆ」を照射する光Ｌｓは、コリメータフィルタ１０を使用するデバイス、例えば指紋検出器、内の光源（ここでは図示せず）から発生しうる。例えば、可視又は赤外光が使用されうる。光のほとんど又は全てを吸収することによって、ナノチューブの壁「Ｗ」に当たるコリメートされなかった光Ｌｉ’が、例えば反射によって、それでもなお開口を通過することができることが、防止されることができる。

微小開口「Ａ」は、閾値角度θｍａｘを画定するように寸法設定されることができることが理解されよう。例えば、微小開口「Ａ」は、主透過方向「Ｚ」を横切る（最大又は平均）開口径「Ｄａ」、及び主透過方向「Ｚ」に沿う（最小又は平均）開口長さＨａを有する。例えば、閾値角度θｍａｘは、開口径「Ｄａ」を開口長さすなわち高さ「Ｈａ」で割った値の正接関数の逆数（ｔａｎ^−１）、すなわちｔａｎ（θｍａｘ）＝Ｄａ／Ｈａとして定義されうる。例えば、１０度未満の閾値角度θｍａｘは、Ｄａ／Ｈａ＜０．１７、すなわちｔａｎ（１０）又は約１：５未満のアスペクト比で実現されうる。例えば、５度未満の閾値角度θｍａｘは、Ｄａ／Ｈａ＜０．０８７、すなわちｔａｎ（５）又は約１：１０未満のアスペクト比で実現されうる。例えば、１度未満の閾値角度θｍａｘは、Ｄａ／Ｈａ＜０．０１７、すなわちｔａｎ（１）又は約１：５０未満のアスペクト比で実現されうる。アスペクト比Ｄａ／Ｈａが低ければ低いほど、濾過光がよりコリメートされる。例えば、微小開口「Ａ」は、０．１〜２０μｍ、好ましくは１〜１０マイクロメートル、の断面径「Ｄａ」を有しうる。同時に、微小開口「Ａ」は例えば、少なくとも１０マイクロメートル、好ましくは少なくとも５０若しくは少なくとも１００マイクロメートル、又はそれ以上、例えば最高１、又は更には数ミリメートル、の長さすなわち高さ「Ｈａ」を有しうる。

好ましい実施態様では、ナノチューブ１は、相互接続された壁「Ｗ」のパターンを形成するように、互いに束にされ、微小開口「Ａ」はそれぞれ、壁「Ｗ」のそれぞれの部分によって取り囲まれる。いくつかの実施態様では、開口径「Ｄａ」は、ナノチューブ１のパターンによって形成される微細構造間の（最大）距離、例えば壁「Ｗ」間の間隙、によって画定される。例えば、開口長さＨａは、壁「Ｗ」の高さ「Ｈｗ」又は主透過方向「Ｚ」におけるナノチューブ１の長さと同じになりうる。例えば、図４Ｂの壁「Ｗ」は、１００マイクロメートル超の高さを有する。

いくつかの実施態様では、壁「Ｗ」は、１マイクロメートル程度、例えば１００ナノメートル〜１０マイクロメートル、好ましくは０．５マイクロメートル〜２又は５マイクロメートル、の厚さ「Ｄｗ」を有する。例えば、単一のナノチューブは、１０〜１００ナノメートル、典型的には２０〜５０ナノメートル、の（有効）直径を有しうる。例えば、約５０ナノメートルのそれぞれの直径を有するナノチューブの約２０層は、約１マイクロメートルの平均壁厚さを形成しうる。当然ながら、他のサイズも使用されることができる。

好ましい実施態様では、壁厚さ「Ｄｗ」は、開口径「Ｄａ」より少なくとも１のファクターで小さく（すなわち、少なくとも同じサイズ）、好ましくは少なくとも２のファクターで小さく（すなわち、直径は壁厚さの２倍である）、より好ましくは少なくとも３、４、１０、２０、またはより大きいファクターで小さい。例えば、図４Ａに示されているように、壁厚さは約１マイクロメートルであり、壁の直径は４マイクロメートルである。他のサイズも可能である。開口径「Ｄａ」が壁厚さ「Ｄｗ」に対して大きければ大きいほど、（コリメートされた）光のより多くが、壁の上部ではなくて、微小開口「Ａ」に当たりうる。好ましくは、微小開口「Ａ」によって覆われるフィルタの総表面積は、壁の構造的完全性を維持しながら、例えばナノチューブ１によって覆われる面積に対して、可能な限り大きい。例えば、微小開口「Ａ」は、面積の少なくとも３０パーセント、少なくとも４０パーセント、少なくとも５０パーセント、少なくとも６０パーセント、又はそれ以上を覆いうる。フィルタ面積のより多くが微小開口「Ａ」によって覆われるほど、可能な（コリメートされた）光透過が大きくなる。

いくつかの実施態様では、図２に示されているように、壁「Ｗ」の上部は、反射層３によって覆われる（開口は開いたままにする）。これは、光効率を改善しうるものであり、例えば壁の上部に当たった光は後方反射され、従って（透明）カバー３０上の撮像されるべき物体、例えば指又は他の物体「Ｆ」、の別の部分を照射する為に再使用されることができる。例えば、金属スパッタリングによって、壁「Ｗ」上に反射性のトップコートが施される。

本開示の観点はまた、画像検出器に関係しうる。例えば、図２に示されているように、光検出器２０は、近くの物体「Ｆ」の画像を形成する為に、光Ｌｏを検出する為の感光検出器画素のアレイ２１を備えうる。任意的に、画像検出器は、透明カバー板３０を有し、ここで透明カバー板３０は、厚さ「Ｈｇ」を有することが示されている。すでに説明されたように、（最小）距離「Ｈｇ」は、物体の撮像を悪化させうる。これを軽減する為に、画像検出器は、本明細書に記載されているコリメータフィルタ１０を組み込みうる。例えば、示されているように、コリメータフィルタ１０は、検出器画素２１上の撮像された物体「Ｆ」の画像分解能（許容される最大の広がりΔＸによって示される）を改善する為に、物体「Ｆ」からの入射光Ｌｉのうち、コリメータフィルタ１０の入射面１１の法線方向「Ｎ」又はその付近で受け取られた部分のみを通過させるように、透明カバー板３０と光検出器２０との間に配置される。好ましくは、コリメータフィルタ１０は、検出器画素２１に可能な限り近くに位置し、例えば検出器画素２１に接触する。任意的に（ここでは図示せず）、検出器画素２１とコリメータフィルタ１０との間に、（好ましくは薄い）透明カバー層が在ることもできる。

好ましくは、コリメータフィルタ１０は、検出器画素２１に可能な限り近く、例えば１ミリメートルの範囲内、１００マイクロメートルの範囲内、１０マイクロメートルの範囲内、１マイクロメートルの範囲内、又はそれ以下の範囲内、に配置され、例えば画素に接触する。好ましくは、セル「Ｅ」のピッチ即ち周期は、検出器画素２１の画素サイズ「Ｘｐ」以下である。コリメータフィルタの厚さもまた、物体と画素との間の距離に寄与しうる故に、コリメータフィルタ１０の厚さを低減させることで、より良好な性能を提供しうることが理解されよう。従って、フィルタの厚さが低減される場合、これは、壁「Ｗ」の高さ「Ｈｗ」が低減されることを意味し、従って特定の閾値角度θｍａｘを維持する為に、直径が低減されうる。従って、いくつかの実施態様では、検出器画素２１のそれぞれが、複数の微小開口「Ａ」によって覆われることが好ましいことができる。例えば、検出器画素２１は、５０マイクロメートルのサイズを有しうるものであり、対応するセル「Ｅ」は、５マイクロメートルのピッチを有し、従って約１０個のセルが、１つの画素上で隣り合って嵌り、又は約１００個のセルが、正方形の画素を覆う。当然ながら、他の相対的な対応も意図されることができる。

示されている実施態様では、撮像されるべき物体「Ｆ」は、透明カバー板３０に近く、又は透明カバー板３０に押し付けられる。例えば、画像検出器は、透明カバー板３０の側から光源光Ｌｓで物体「Ｆ」を照射する為に、光源、例えばバックライト（ここでは図示せず）、を備える。本開示の特定の応用例は例えば、記載されている画像検出器を備える指紋検出器に関係しうるものであり、物体「Ｆ」は、透明カバー板３０に押し付けられた指である。任意的に、指紋検出器は、画像検出器から指の指紋の画像を受け取って画像を処理し、例えば所定の参照指紋と比較することによって指紋を認識する為に、画像処理回路（図示せず）を備えうる。指紋検出ではなく、他の（高分解能の）撮像も意図されることができる。

いくつかの実施態様では、示されている透明カバー板３０は、不在としうるものであり、又は例えば上から下へ、（限定されるものではないが）、保護用デバイスカバー（例えば、厚さ約２００μｍ）、可能なカバーガラス（例えば、厚さ約０．６ｍｍ）、タッチパネル（例えば、厚さ約１５０μｍ）、偏光子（例えば、厚さ約１５０μｍ）のうちの１以上を含む、異なる層のスタック（図示せず）に置き換えられうる。これは、約１ｍｍの総厚さに到達しうるものであり、そのような厚さは、例えば検出された指紋の品質を悪化する可能性があるが、これはコリメータフィルタ１０を使用して軽減されうる。

本開示の代替の又は更なる観点はまた、記載されている指紋又は他の画像の検出器を備える表示デバイスに、応用例を見出しうる。例えば、図３Ａ及び図３Ｂは、表示スクリーン４３を有する表示デバイスに対する可能な実施態様を示し、表示スクリーン４３は、画像の表示と、物体、例えば表示スクリーン４３に押し付けられた又はその近傍の指、の検出又は撮像との両方を行うように構成される。典型的には、表示スクリーンは、例えば透明カバー板３０を介して、表示スクリーン４３上に画像を表示するために光Ｌｄを放出するように、表示画素４１を備える。

一実施態様では、図３Ａに示されているように、表示画素４１は、コリメータフィルタ１０の正面、すなわちコリメータフィルタ１０と表示スクリーン４３（の観察側）との間、に配置される。例えば、表示画素４１は、物体からの入射光Ｌｉ、Ｌｉ’の少なくともいくらかを通過させるように、間隔を置いて分布されうる。いくつかの実施態様では、延在するコリメータフィルタ１０が、コリメートされていない光Ｌｉ’を阻止しながら、コリメートされた光Ｌｉのみが通ることを可能にするように、下の検出器画素２１を覆う為に使用されうる。

別の又は更なる実施態様では、図３Ｂに示されているように、表示画素４１は、検出器画素２１の間に一列に、部分的に又は全体的に、配置されうる。例えば、ディスプレイ及び検出器画素は、同じマトリックスの一部であることができ、又は２つのマトリックスが、部分的に重ねられることができる。更に好ましい実施態様では、示されているように、コリメータフィルタ１０のコリメートする部分は、局所化されことができ、あるいは検出器画素２１を排他的に覆いうる。例えば、コリメータフィルタ１０は、検出器画素２１上でのみ局所的に成長されることができ、又はコリメータフィルタ１０は、表示画素４１の光Ｌｄを通過させる為の開口を備えうる。このようにして、隣接する表示画素４１は、妨げられることなく表示スクリーン４３に到達するように、光Ｌｄを自由に放出しうる。

いくつかの実施態様では、図３Ａ及び図３Ｂに示されているように、検出器（表示画素あり又はなし）は、バックライト４２を備えうる。例えば、バックライト４２は、検出器画素２１及び／又は表示画素４１の後ろに配置される。好ましい実施態様では、バックライト４２は、検出器画素２１によって検出可能な可視スペクトルの範囲外の波長の光源光Ｌｓ、例えば（近）赤外光、を放出するように構成される。これは、物体を照射及び撮像する為の光によって使用者が邪魔されないという利点を有しうる。バックライトから放出された光源光Ｌｓは、画素の格子を通過しうる。任意的に、１以上の波長フィルタ（図示せず）が、照射される物体Ｆと検出器画素２１（表示画素ではない）との間に配置されることができ、従って光源光Ｌｓの波長以外の波長は濾過除外され、検出器画素２１は、例えば表示画素４１からの光ではなく、意図される光源光をもっぱら受け取る。いくつかの実施態様では、マトリックス材料自体が、波長フィルタとして作用する。例えば、波長吸収性の分子が、さもなくば透明であるマトリックスに追加されることができ、又はマトリックス材料は、バックライトに対応する選択的な波長のみを透過するように事前に選択される。例えば、バックライトは、マトリックス材料によって通される可視光源光を放出しながら、（外部の）赤外波長を吸収しうる。一実施態様では、マトリックス材料は、可視波長範囲内のほとんどの光（光源光Ｌｓに対応する）を実質的に通しながら、（近）赤外光波長範囲内のほとんどの光を吸収するように適合される。例えば、マトリックス材料は、６００ナノメートルを超える波長を有する光の少なくとも９０パーセント以上を阻止する。このマトリックス材料自体を波長フィルタとして使用することで、更に小型の設計を提供しうる。当然ながら、光源光に応じて、他の波長の遮断も使用されることができる。

物体Ｆを照射する為に専用のバックライト４２を使用することの代わりに、あるいは追加して、物体はまた、表示画素４１自体によって照射されうる。いくつかの実施態様では、物体を照射する為に、例えば赤外線を放出する、追加の画素が、表示画素の間に含まれうる。任意的に、画像検出器又は表示スクリーンはまた、表示スクリーン４３上の１以上の物体、例えば指、の存在を検出する為に、タッチインターフェースを備えうる。いくつかの実施態様では、画像検出器自体が、タッチインターフェースとして作用しうる。例えば、１つの応用例は、本明細書に記載されている指紋検出器を有する表示スクリーンを備える移動デバイス、例えばスマートフォン、であることができる。

本教示はまた、本明細書に記載されているコリメータフィルタ１０を製造する方法を包含する。好ましい実施態様では、該方法は、基材上に主透過方向「Ｚ」でナノチューブ１のパターン「Ｐ」を成長させる又は他の方法で備えることを含む。例えば、Joshi et al [J. Mater. Chem., 2010, 20, 1717-1721]は、極めて長いカーボンナノチューブのパターン化された成長について記載している。例えば、Hasegawa et al. [arXiv:0704.1903 (cond-mat.mtrl-sci)]は、厚さ１ミリメートルの単層カーボンナノチューブフォレストの成長窓及び可能な機構について記載している。例えば、米国特許第９，２２１，６８４（Ｂ２）号明細書は、階層的なカーボンナノ及びマイクロ構造について記載している。

一実施態様では、基材には、パターン「Ｐ」に従ってシード又は触媒層が備えられ、ナノチューブ１が、上記層の上で選択的に成長される。別の又は更なる実施態様では、成長は、マスクパターンによってもたらされる。いくつかの実施態様では、シード又はマスクパターンは、リソグラフィを使用して備えられる。

好ましい実施態様では、該方法は、ナノチューブ１を透明マトリックス２内に封入することを含む。例えば、フィルタ構造は、液状前駆体を施与し、液体前駆体が固化されることによって封入される。例えば、液状前駆体が開口内へ流れ、且つ／又はフィルタ構造の少なくとも１つの表面を覆いうる。いくつかの実施態様では、基材は、封入後に除去される。別法として、基材は、残ることができる。例えば、ナノチューブは、透明な基材の上で成長されることができる。例えば、ナノチューブは、光検出器の正面の透明層のうちの１つの上に直接成長されることができる。あるいは、または加えて、光検出器の光活性部分自体が、基材として働きうる。例えば、ナノチューブは、一体化されたコリメートされた光の検出器を形成する為に、光検出器、例えば１以上の画素、上に直接成長されることができる。

図４Ａ〜図４Ｄは、得られたフィルタ構造の画像を異なる倍率で示す。図４Ａは、斜視拡大電子顕微鏡画像を示し、個々のＣＮＴは、セル「Ｅ」、壁「Ｗ」、及び開口「Ａ」の例示的な測定によって、それでもなお区別されうる。図３Ｂは、壁「Ｗ」の例示的な高さを示す側面図の、より拡大された画像を示す。図４Ｃは、図４Ａに類似しているが、更に拡大されており、繰り返されたセル「Ｅ」のより大きいパターン「Ｐ」を示す。図３Ｄは、コリメータフィルタ１０の規則的な顕微鏡画像上面図を示し、より明るい点は、コリメータフィルタ１０を通過する光Ｌｏを示す。

図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれカバーガラスなし（ＮＣＧ）及びカバーガラスあり（ＣＧ）の指紋の画像を示す。図５Ｃは、異なる状況における測定の比較を示す。具体的には、該図は、横方向分解能に対する変調伝達関数（ＭＴＦ）の測定グラフを、１ミリメートル当たりの線の対（ｌｐ／ｍｍ）単位で示す。カバーガラスなし（ＮＣＧ）の状況で、ＭＴＦは最善になり、例えば１ｌｐ／ｍｍでほぼ９９％のＭＴＦを提供する。０．６ｍｍのカバーガラス（ＣＧ）を導入することで、状況は１ｌｐ／ｍｍで約１０％のＭＴＦへ大幅に悪化する。しかしながら、カーボンナノチューブを含むことで（＋ＣＮＴ）、状況を大きく改善し、わずか２０μｍのＣＮＴ厚さにおいて１ｌｐ／ｍｍで約３０％のＭＴＦ、及び１５０μｍのＣＮＴ厚さにおいて１ｌｐ／ｍｍで９０％超のＭＴＦをもたらす。

別途具体的に記載されない限り、添付の特許請求の範囲を解釈する際、「備える」または「含む」（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は、所与の特許請求の範囲内に列挙されたもの以外の他の要素又は動作の存在を排除せず、要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」という単語は、複数のそのような要素の存在を排除せず、特許請求の範囲内のあらゆる参照符号は、特許請求の範囲を限定せず、いくつかの「手段」は、同じ又は異なる１以上の物品又は実施される構造若しくは機能によって表されうるものであり、開示されるデバイス又はデバイスの部分はいずれも、互いに組み合わされ又は更なる部分へと分離されうることを理解されたい。１つの請求項が、別の請求項を引用する場合に、これは、それぞれの特徴の組合せによって実現される相乗的利点を示しうる。しかし、特定の方策が、相互に異なる請求項で言及されるという単なる事実は、これらの方策の組合せが有利に使用されることができないことを示すものではない。従って、本実施態様は、請求項の全ての機能する組合せを包含しうるものであり、各請求項は原則的に、文脈によって明白に排除されない限り、先行するいずれの請求項でも指すことができる。

Claims (15)

1. コリメータフィルタ（１０）であって、
   該コリメータフィルタ（１０）の主透過方向（Ｚ）に対して異なる入射角（θｉ、θｉ’）で入射光（Ｌｉ、Ｌｉ’）を受け取る為の入射面（１１）、
   該入射面（１１）に対して該コリメータフィルタ（１０）の反対側にあり、出射光（Ｌｏ）が該コリメータフィルタ（１０）から出ること許す出射面（１２）、及び
   該入射面（１１）と該出射面（１２）との間にあり、該主透過方向（Ｚ）に対して閾値角度（θｍａｘ）を下回る入射角（θｉ）を有する該入射光（Ｌｉ）の少なくとも一部を該出射光（Ｌｏ）として透過し、該閾値角度（θｍａｘ）を上回る入射角（θｉ’）を有する該入射光（Ｌｉ’）がフィルタ構造を通過することを阻止するフィルタ構造を備え、
   該フィルタ構造は、カーボンナノチューブ（１）のパターン化されたアレイを備え、該ナノチューブ（１）が、該入射面（１１）と該出射面（１２）との間で該主透過方向（Ｚ）に延びるように整列され、該ナノチューブ（１）が、該ナノチューブに当たる該入射光（Ｌｉ’）を吸収するように、該主透過方向（Ｚ）を横切る２次元のパターン（Ｐ）を形成するように配置され、該パターン（Ｐ）のうちナノチューブ（１）のない空いた領域が、該フィルタ構造を通して該出射光（Ｌｏ）を透過する為の微小開口（Ａ）を該ナノチューブ（１）間に形成する、
   前記コリメータフィルタ（１０）。
2. 該フィルタ構造が、該ナノチューブ（１）を固定する為に、透明の固体マトリックス（２）内に封入されている、請求項１に記載のコリメータフィルタ（１０）。
3. 該微小開口（Ａ）が、該透明マトリックス（２）の材料（２ａ）によって少なくとも部分的に充填されている、請求項２に記載のコリメータフィルタ（１０）。
4. 該透明マトリックス（２）が、該入射面（１１）を覆うように、光学的に平坦なカバー層（２ａ）を形成する、請求項２又は３に記載のコリメータフィルタ（１０）。
5. 該微小開口（Ａ）が、１〜１０マイクロメートルの断面径（Ｄａ）を有し、該微小開口（Ａ）が、該開口径（Ｄａ）の少なくとも５０倍の開口高さ（Ｈａ）を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のコリメータフィルタ（１０）。
6. 該フィルタ構造が、０．５ミリメートル未満の厚さを有するシートとして形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のコリメータフィルタ（１０）。
7. 該ナノチューブ（１）が、相互接続された壁（Ｗ）のパターンを形成し、該微小開口（Ａ）がそれぞれ、該壁（Ｗ）のそれぞれの部分によって取り囲まれ、該壁（Ｗ）が、０．５マイクロメートル〜２マイクロメートルの厚さ（Ｄｗ）を有し、該壁厚さ（Ｄｗ）が、該開口径（Ｄａ）より少なくとも３のファクターで小さく、該微小開口（Ａ）によって覆われる該フィルタ構造の総表面積が、少なくとも４０パーセントである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のコリメータフィルタ（１０）。
8. 該ナノチューブ（１）が、該微小開口（Ａ）を取り囲む相互接続された壁（Ｗ）のパターンを形成し、該壁（Ｗ）の上部が、反射層（３）によって覆われる、一方、該微小開口（Ａ）には該反射層（３）がなく、該ナノチューブ（１）が、該微小開口（Ａ）内の該壁に当たる該閾値角度（θｍａｘ）を上回る入射角（θｉ’）の光を吸収することを可能にする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のコリメータフィルタ（１０）。
9. 該ナノチューブ（１）が、六角形のパターンで配置されたセル（Ｅ）のパターンを形成するように、壁（Ｗ）内に配置され、それぞれのセル（Ｅ）内に形成された該微小開口（Ａ）が、円形である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のコリメータフィルタ（１０）。
10. 近くの物体（Ｆ）の画像を形成する為に、光（Ｌｏ）を検出する為の感光検出器画素（２１）のアレイを備える光検出器（２０）、
    厚さ（Ｈｇ）を有する透明カバー板（３０）、及び
    請求項１〜９のいずれか１項に記載のコリメータフィルタ（１０）を備え、該コリメータフィルタ（１０）は、該検出器画素（２１）上の該撮像された物体（Ｆ）の画像分解能（ΔＸ）を改善する為に、該物体（Ｆ）からの入射光（Ｌｉ）のうち、該コリメータフィルタ（１０）の入射面（１１）の法線方向（Ｎ）又はその付近で受け取られた部分のみを通過させるように、該透明カバー板（３０）と該光検出器（２０）との間に配置される、
    画像検出器。
11. 該検出器画素（２１）がそれぞれ、複数の微小開口（Ａ）によって覆われる、請求項１０に記載の画像検出器。
12. 請求項１０又は１１に記載の画像検出器、ここで撮像されるべき該物体（Ｆ）が、該透明カバー板（３０）に押し付けられた指である、及び
    該画像検出器から該指の指紋の画像を受け取って該画像を処理し、参照指紋と比較することによって該指紋を認識する為の画像処理回路
    を備える指紋検出器。
13. 表示デバイスであって、
    該表示デバイスの表示スクリーン（４３）に押し付けられた指を検出する為の、請求項１２に記載の指紋検出器、及び
    光（Ｌｄ）を放出して該表示スクリーン（４３）上に画像を表示するように構成された表示画素（４１）を備え、該表示画素（４１）が、検出器画素（２１）の間に一列に配置され、コリメータフィルタ（１０）が、該検出器画素（２１）をもっぱら覆うように局所化されて、該表示画素（４１）が、該コリメータフィルタ（１０）によって妨げられることなく該表示スクリーン（４３）へ光（Ｌｄ）を自由に放出する、前記表示デバイス。
14. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のコリメータフィルタ（１０）を製造する方法であって、
    主透過方向（Ｚ）で基材の上部にナノチューブ（１）のパターン（Ｐ）を成長させること、及び
    該ナノチューブ（１）を透明マトリックス（２）内に封入すること
    の工程を含む前記方法。
15. 該封入されたナノチューブが、該基材から剥離され、該透明マトリックス（２）が、該剥離を容易にする為に、可撓性の材料を含む、請求項１４に記載の方法。
    

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