JP4097839B2

JP4097839B2 - Photostimulus detection method, photostimulus detection element using liquid crystalline charge transport material, and sensor using this detection element

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Publication number: JP4097839B2
Application number: JP09171199A
Authority: JP
Inventors: 博己前田; 恭子古後; 純一半那
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000283710A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶性電荷輸送材料を用いた光刺激検出方法および光刺激検出素子に関し、特に、ラインセンサや二次元光センサなどに利用することができる光刺激検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ラインセンサや二次元光センサなどの光センサは、あらゆる分野の産業機器に広く利用されている。従来から一般的に利用されているこれらの光センサは、１画素を構成する検出素子をマトリックス状に多数配列し、個々の検出素子ごとに受光した光刺激を電気信号に変換する機能を有する。検出素子を一次元に配列すればラインセンサが形成され、二次元に配列すれば二次元光センサが形成されることになる。現在、商業的に利用されている光センサのほとんどは、半導体基板上に光伝導性を有する固体素子を配置したものであり、特に、ＣＣＤをはじめとする固体撮像素子の需要は益々増大する傾向にある。
【０００３】
一方、最近になって、液晶のもつ光伝導性が注目を集めている。液晶は、その光学的な異方性というあまりにも顕著な性質により、専らディスプレイの分野で利用される材料との認識が長い間なされてきたが、１９９３年に、トリフェニレン系ディスコティック液晶において、１０^−３ｃｍ^２／Ｖｓにも達する高い電子移動度が報告されて以来、あらためて液晶のもつ光伝導性の応用技術が議論されるようになってきた。たとえば、日本液晶学会刊行の論文誌「液晶」第１巻第１号（１９９７）第３３頁には、「光伝導性液晶材料〜新しい有機電子材料の可能性〜」と題して、液晶の光伝導性に着目した応用技術が述べられている。また、特開平１０−３１２７１１号公報には、液晶性電荷輸送材料を用いた表示素子、ＥＬ素子、光変調素子などが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、現在利用されている光センサのほとんどは、光伝導性を有する固体素子をマトリックス状に配置したものであり、配置する固体素子の密度を高めれば高めるほど、解像度の高い検出結果を得ることができる。現在では、半導体集積回路における集積技術を利用して、かなり高解像度の光センサを量産することができるようになってきている。しかしながら、このような固体素子を用いた光センサは、同一仕様の製品を量産するには適しているが、多品種小ロットの光センサを生産する場合には、膨大なコストがかかることになる。また、半導体基板上に固体素子を配置する構造を採るため、ある程度画一的な形態にならざるを得ず、任意の形態をもったセンサを実現することが困難である。
【０００５】
そこで本発明は、小ロット生産を行う場合であってもコストを低く抑えることができ、しかも形態の自由度が高い光センサを実現することが可能な光刺激検出素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、第１の電極板と第２の電極板との間に液晶性電荷輸送材料を充填し、第１の電極板の個々の部分ごとに、それぞれ第２の電極板に対する距離が異なるように構成し、両電極板間に所定の電圧を印加した状態で一方の電極板の所定部分にパルス状の刺激光が照射されたときに生じる光電流を観測し、この光電流のピーク持続時間に基づいて刺激光の照射位置を検出するようにしたものである。
【０００７】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る光刺激検出方法において、
第１の電極板の液晶性電荷輸送材料側の表面に、光刺激により電荷を生成する機能をもった電荷生成層を形成するようにしたものである。
【０００８】
(3) 本発明の第３の態様は、第１の電極板と、これに対向するように配置された第２の電極板と、両電極板間に充填された液晶性電荷輸送材料と、両電極板間に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、一方の電極板の所定部分にパルス状の刺激光が照射されたときに生じる光電流を測定する電流測定手段と、測定された光電流のピーク持続時間を認識するピーク持続時間認識手段と、によって光刺激検出素子を構成し、しかも、第１の電極板の個々の部分ごとに、それぞれ第２の電極板に対する距離が異なるように構成し、認識されたピーク持続時間に基づいて刺激光の照射位置を検出できるようにしたものである。
【０００９】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る光刺激検出素子において
第１の電極板の液晶性電荷輸送材料側の表面に、光刺激により電荷を生成する機能をもった電荷生成層を形成するようにしたものである。
【００１０】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第３または第４の態様に係る光刺激検出素子において、
第１の電極板および第２の電極板の少なくとも一方に、複数の段差構造を有する電極板を用いるようにし、この段差構造の段差に基づいて、第１の電極板の個々の部分ごとに、それぞれ第２の電極板に対する距離を異ならせるように構成したものである。
【００１１】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第３または第４の態様に係る光刺激検出素子において、
第１の電極板および第２の電極板の少なくとも一方に、表面が曲面をなす電極板を用いるようにし、この電極板の曲面構造に基づいて、第１の電極板の個々の部分ごとに、それぞれ第２の電極板に対する距離を異ならせるように構成したものである。
【００１２】
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第３または第４の態様に係る光刺激検出素子において、
第１の電極板および第２の電極板をくさび型に配置することにより、第１の電極板の個々の部分ごとに、それぞれ第２の電極板に対する距離を異ならせるように構成したものである。
【００１３】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第３〜第７の態様に係る光刺激検出素子において、
複数の刺激光が第１の電極板の異なる部分に照射された場合に、ピーク持続時間認識手段が、測定された光電流波形に基づいて複数通りのピーク持続時間を認識する機能を有し、各ピーク持続時間に基づいて複数の刺激光の照射位置をそれぞれ検出できるようにしたものである。
【００１４】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第３〜第８の態様に係る光刺激検出素子において、
第１の電極板の個々の部分のうち、第２の電極板に対する距離が最も大きな部分に刺激光が照射された場合に生じる光電流のピーク持続時間よりも長い所定の周期Ｔをもって、連続光をパルス光に変換するチョッパ装置を更に設け、このチョッパ装置によって変換されたパルス光を第１の電極板に照射することにより、連続光として与えられた光刺激の検出を行えるようにしたものである。
【００１５】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第３〜第９の態様に係る光刺激検出素子において、
導電性をもった透明材料からなる透明電極を、第１の電極板および第２の電極板として用いるようにしたものである。
【００１６】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第３〜第１０の態様に係る光刺激検出素子において、
Ｌ個の６π電子系芳香環、Ｍ個の１０π電子系芳香環、Ｎ個の１４π電子系芳香環（ただし、Ｌ，Ｍ，Ｎはそれぞれ０〜４の整数を表し、Ｌ＋Ｍ＋Ｎ＝１〜４とする）を含むコアを有し、スメクチック液晶相を呈する液晶を、液晶性電荷輸送材料として用いるようにしたものである。
【００１７】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第３〜第１１の態様に係る光刺激検出素子を用いたラインセンサにおいて、
長手方向がＹ軸方向を向いた細長い一対の電極板を第１の電極板および第２の電極板として用い、両電極板間の距離がＹ軸方向に沿って徐々に変化するような光刺激検出素子を形成し、測定された光電流のピーク持続時間に基づいて、照射された刺激光のＹ軸方向に関する位置を検出できるようにしたものである。
【００１８】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１２の態様に係るラインセンサを、所定ピッチでＸ軸方向に複数配列し、照射された刺激光のＸ軸方向に関する位置およびＹ軸方向に関する位置を検出できるようにし、二次元ＸＹ平面上に照射された刺激光のＸＹ座標値を認識できる二次元光センサを構成するようにしたものである。
【００１９】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第３〜第１１の態様に係る光刺激検出素子を用いた二次元光センサにおいて、
ＸＹ平面上に配置された絶縁性の第１の基板と、この第１の基板に対向するように配置された導電性層を有する第２の基板と、をくさび型に配置することにより、両基板間の距離がＹ軸方向に沿って徐々に変化するように構成し、第１の基板上に、長手方向がＹ軸方向を向いた複数Ｋ個の細長い導電層を所定ピッチでＸ軸方向に配列し、第１の基板上の導電層と第２の基板上の導電層とを、それぞれ第１の電極板および第２の電極板として用いることにより、合計Ｋ個の光刺激検出素子を形成するようにし、二次元ＸＹ平面上に照射された刺激光のＸＹ座標値を認識できるようにしたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２２】
§１．液晶性電荷輸送材料を用いた素子における基本的現象
ここでは、本発明に係る光刺激検出素子の動作原理を説明する前に、図１（側断面図および回路図）に示すような液晶性電荷輸送材料を用いた素子における基本現象を述べておく。この素子は、透明な一対の電極板間に液晶性電荷輸送材料（光伝導性を有する液晶材料、以下、単に液晶材料という）を充填することにより構成される。具体的には、ＩＴＯなどの透明な導電性材料層を有する第１の電極板１０および第２の電極板２０を、所定間隔ｄ（以下、セル間隔という）をおいて対向させ、両電極板間に液晶材料３０を充填することにより、この素子が構成されている。なお、実際には、両電極板間から材料３０が漏れ出さないように、図示されている構成要素の他にも何らかのシーリング要素が必要になるが、ここでは、そのようなシーリング要素についての説明は省略する。
【００２３】
両電極板１０，２０の間には、電圧印加手段４０によって所定の電圧Ｅが印加されており、液晶材料３０内には、この印加電圧Ｅに基づく電界が生成されることになる。また、この電圧Ｅを印加するための導電路上には、電流測定手段５０が設けられており、この導電路上を流れる電流値を測定することができる。
【００２４】
いま、図示のように、第１の電極板１０の所定位置に対して、何らかの刺激光ｈν（この例では、窒素レーザ光）を照射したとする。第１の電極板１０はＩＴＯ層を有する透明電極であるから、この刺激光ｈνは液晶材料３０にまで到達する。ここで、液晶材料３０が、光伝導性を有する液晶性電荷輸送材料であったとすると、刺激光ｈνの照射により発生したキャリア（電子またはホール）が、印加電圧Ｅに基づいて移動し、電流測定手段５０によって光電流が測定されることになる。たとえば、刺激光ｈνの照射によって第１の電極板１０側に発生した電子は、液晶材料３０内を通って第２の電極板２０側へと移動することになる。このようなキャリアの移動現象は、光電流として電流測定手段５０によって測定されることになる。
【００２５】
ここでは、図２に示すような化学式で示される「８ＰＮＰＯ１２」なる液晶材料（正式名：2-(4'-Octylphenyl)-6-dodecyloxynaphthalene）を液晶材料３０として用いており、かつ、温度を８０〜１２０度Ｃとし、この液晶材料がスメクチック相を維持するような条件で用いるようにしている。一般に、液晶はスメクチック相において高い電荷輸送特性（電荷移動度）を示すことが知られており、また、スメクチック相では、イオン伝導に比べて電子伝導が支配的になり、移動度が温度によらず一定となるメリットが得られる。このため、本発明では、できるだけ高いキャリア移動度を有する液晶材料をスメクチック相で用いるのが好ましい。ここでは、「８ＰＮＰＯ１２」なる液晶材料を用いているが、一般に、Ｌ個の６π電子系芳香環、Ｍ個の１０π電子系芳香環、Ｎ個の１４π電子系芳香環（ただし、Ｌ，Ｍ，Ｎはそれぞれ０〜４の整数を表し、Ｌ＋Ｍ＋Ｎ＝１〜４とする）を含むコアを有する液晶材料は比較的高い移動度を示す。したがって、本発明を実施する上では、このような液晶材料をスメクチック相で用いるのが好ましい。
【００２６】
なお、上述した液晶材料の多くは、紫外域に吸収スペクトルを有しているため、刺激光ｈνとしては紫外光（たとえば、窒素レーザ光）を用いるのが好ましいが、可視光を刺激光として用いる必要がある場合には、可視波長領域に吸収スペクトルを有する色素を増感材として添加するとよい。
【００２７】
ところで、刺激光ｈνとして、パルス状の刺激光を用いた場合、電流測定手段５０によって測定される光電流の波形は、図３のグラフに示すような形態をとる。このグラフの時間軸の原点０は、刺激光ｈνの照射時点を示しており、刺激光ｈνの照射直後から時間ｔｐに至るまでのしばらくの期間にわたって、ほぼ一定のピーク値Ｐをもった光電流が継続して観測され、やがて時間ｔｐが経過すると、ショルダーＳを経て光電流は急激に減衰する現象がみられる。このような現象は、パルス状の刺激光ｈνの照射によって発生したキャリアがセル間隔ｄの距離を所定の移動度で移動するために生じるものと考えられる。光伝導性を有する液晶材料中におけるキャリア移動のメカニズムについては、現在のところ十分な解析はなされていないが、いわゆるバンド理論に基づく半導体バルク中でのキャリア移動メカニズムではなく、個々の分子をホッピングサイトとするホッピング伝導モデルによる移動メカニズムに近いものではないか、と本願発明者は考えている。
【００２８】
このような観点から図３のグラフに示された現象を説明すると、時間ｔｐは、第１の電極板１０側で発生したキャリアが、セル間隔ｄをもった液晶材料３０中の分子間をホッピング伝導し、第２の電極板２０側に到達するまでの時間とみることができ、この時間ｔｐ中は光電流のピーク値Ｐが維持されることになる。以下、この時間ｔｐをピーク持続時間と呼ぶことにする。なお、ピーク持続時間ｔｐの経過後もある程度の光電流が観測される理由は、刺激光ｈνが有限のパルス幅を有しており、また、移動中のキャリアが空間的にある程度分散する性質を有しているためと考えられる。
【００２９】
いずれにせよ、電流測定手段５０によって光電流を測定すると、図３のグラフに示すような特性をもった波形が得られることになり、この波形からショルダーＳ（光電流値が急激な減少を示すポイント）を認識すれば、ピーク持続時間ｔｐを決定することができる。具体的には、たとえば、ピーク値Ｐの値が９５％にまで減衰したポイントをショルダーＳと認識し、刺激光ｈνの照射時点からショルダーＳに至るまでの時間をピーク持続時間ｔｐと決定すればよい。こうして決定されたピーク持続時間ｔｐは、キャリアがセル間隔ｄを移動するのに要した時間ということができる。なお、図３に示すグラフでは、時間０〜ｔｐの間、同一のピーク値Ｐが維持される例が示されているが、厳密に言えば、光電流値は時間０におけるピーク値Ｐから徐々に減少する。したがって、時間０〜ｔｐの間のグラフは、厳密に言えば、水平にはならず、なだらかな右下がりのグラフになる。ただ、時間ｔｐを越えると光電流値は急俊な立ち下がりを示すので、ショルダーＳは明確に認識することができ、時間ｔｐを決定することが可能である。このように、本願における「ピーク持続時間」という文言は、「光電流値が急俊な立ち下がりを示すまでの時間」という意味で用いており、「光電流が最大値Ｐをそのまま維持する時間」という厳密な意味で用いているわけではない。なお、以下の説明で用いる各グラフにおいても、説明の便宜上、図３に示すグラフと同様に、ショルダーＳに至るまでの部分を水平なグラフで示すことにするが、実際には、いずれもやや右下がりのグラフになる。
【００３０】
本願発明者は、図１に示すような素子を、セル間隔ｄを変えることにより３通り用意し、それぞれに対して同一の刺激光ｈνを照射した場合の光電流波形を測定する実験を行ってみた。図４は、このような実験結果を示すグラフであり、横軸は対数尺度の時間軸、縦軸は対数尺度の光電流値を示す軸となっている。電圧印加手段４０としては、印加電圧Ｅ＝１０Ｖを供給する直流電源を用いており、刺激光ｈνとしては、半値幅１００ｐｓ程度の窒素レーザによるパルス光（光強度３０μＪ／ｐｕｌｓｅ）を用いている。この図４において、ｄ＝９μｍ，ｄ＝１５μｍ，ｄ＝２５μｍと付記されたグラフは、それぞれセル間隔ｄが、ｄ＝９μｍ，ｄ＝１５μｍ，ｄ＝２５μｍの素子について得られた結果を示している。すなわち、セル間隔ｄ＝９μｍの素子の場合、ピーク値Ｐ１をもった光電流がショルダーＳ１に至るまで流れ続け、光電流はその後に急激に減衰し、セル間隔ｄ＝１５μｍの素子の場合、ピーク値Ｐ２をもった光電流がショルダーＳ２に至るまで流れ続け、光電流はその後に急激に減衰し、セル間隔ｄ＝２５μｍの素子の場合、ピーク値Ｐ３をもった光電流がショルダーＳ３に至るまで流れ続け、光電流はその後に急激に減衰する。ここで、各ショルダーに至るまでのピーク持続時間ｔｐに着目すると、セル間隔ｄが大きくなるほど長くなっていることがわかる。
【００３１】
図５は、上述した３通りの素子について、それぞれ刺激光ｈνとして照射するレーザ光強度を変化させた場合の光電流ピーク値を示すグラフである。いずれの場合も、刺激光ｈνの強度が大きくなればなるほど、観測される光電流のピーク値も大きくなる。これは、強い刺激光ｈνを照射すれば、生成されるキャリアの数も多くなることから、むしろ当然の結果である。ただ、ここで留意すべき点は、刺激光ｈνの強度を変えた場合、光電流のピーク値自身は変化するが、ショルダーの位置、すなわち、ピーク持続時間ｔｐには変化はみられないという結果が得られた点である。これは、刺激光ｈνの強度を変えても、キャリアの移動度には影響がないことを示している。もっとも、実際には、刺激光ｈνの強度があるしきい値を越えると、ショルダーの位置、すなわち、ピーク持続時間ｔｐに変化が生じた。これは、発生するキャリアの数がある程度以上になると、キャリア移動が空間電荷の制限を受けるようになるためと考えられる。
【００３２】
図６は、スメクチックＡ相（ＳｍＡ）を呈する液晶材料と、スメクチックＢ相（ＳｍＢ）を呈する液晶材料とを用い、セル間隔ｄを変えた場合のキャリア移動度の変化を調べる実験を行った結果を示すグラフである。図示のとおり、いずれの液晶相においても、セル間隔ｄを変えても移動度には変化は生じていない。
【００３３】
そもそも移動度μは、キャリアの移動速度をｖ、電界強度をＵとした場合に、ｖ＝μ・Ｕとして定義されるパラメータである。そして、電荷輸送材料として機能する液晶中での移動度μは、所定のしきい値以内のキャリア密度（別言すれば、キャリアが空間電荷の制限を受けない状態で移動しうる密度）では一定となることがわかった。特に、スメクチック相では、この移動度μの温度依存性も極めて小さい。したがって、キャリアの移動速度ｖは、ほぼ電界強度Ｕに比例すると考えてよい。いま、図１に示すように、両電極板１０，２０の間に所定の電圧Ｅを印加したとすると、液晶材料中の電界強度Ｕは、セル間隔ｄに反比例することになる。すなわち、電極板間に印加する電圧Ｅが一定である以上、セル間隔ｄが大きくなればなるほど、電界強度Ｕは小さくなる。したがって、キャリアの移動速度ｖは、セル間隔ｄに反比例することになり、セル間隔ｄが大きくなればなるほど、キャリアは遅く移動し、ピーク持続時間ｔｐも長くなる。実際には、ピーク持続時間ｔｐは、ほぼセル間隔ｄの２乗に比例した値となる。これは、「セル間隔ｄが大きくなればなるほど、キャリアの移動速度ｖが小さくなる」というファクターと、「セル間隔ｄが大きくなればなるほど、キャリアの全移動行程が大きくなる」というファクターとの相乗効果により、キャリアがセル間を移動するのに必要な時間が長くかかるようになるためである。
【００３４】
§２．本発明に係る光刺激検出素子の基本原理
さて、§１では、図１に示すような素子について、パルス状の刺激光ｈνを照射した場合に観測される光電流波形の特性について述べた。実は、この図１に示す素子は、この光電流波形の特性を説明するために用いた素子であって、本発明に係る光刺激検出素子そのものではない。本発明に係る光刺激検出素子は、この図１に示す素子における第１の電極板１０もしくは第２の電極板２０の形態を若干変更することにより実現することができる。
【００３５】
図７は、本発明の一実施形態に係る光刺激検出素子の基本構成を示す図であり、上半分には主たる構成要素の側断面図が示されており、下半分には主たる構成要素の回路図が示されている。ここで、第１の電極板１１および第２の電極板２１が互いに対向するように配置され、両電極板間に液晶性の電荷輸送材料３０（たとえば、前掲の「８ＰＮＰＯ１２」なる液晶材料のスメクチック相）が充填されている点は、図１に示す素子と同様であり、各電極板１１，２１がＩＴＯなどの透明電極から構成されている点も、図１に示す素子と同様である。更に、両電極板１１，２１間に所定の電圧Ｅを印加する電圧印加手段４０と、第１の電極板１１の所定部分にパルス状の刺激光が照射されたときに生じる光電流を測定する電流測定手段５０、が設けられている点も、図１に示す素子と同様である。
【００３６】
しかしながら、図１に示す素子における両電極板１０，２０が平行平板であったのに対し、図７に示す素子における両電極板１１，２１は、いずれも複数の段差構造を有する階段状の電極板となっている。このような段差構造の段差に基づいて、第１の電極板１１および第２の電極板２１は、それぞれが５つの部分に分けられており、対向する各部分ごとに、両電極板１１，２１間の距離、すなわちセル間隔ｄは異なっている。電圧印加手段４０によって加えられた電界は、図の横方向を向いているため、刺激光ｈνの照射によって生じたキャリアもほぼ横方向に移動することになる。このため、もし図示の刺激光ｈν１が照射された場合は、キャリアの全移動行程は短いのに対し、もし図示の刺激光ｈν５が照射された場合は、キャリアの全移動行程は長くなる。このように、第１の電極板１１上への刺激光ｈνの照射位置によって、キャリアの全移動行程の長さに変化が生じるような構造を採っている点が、本発明に係る光刺激検出素子の大きな特徴である。
【００３７】
図８は、図７に示す光刺激検出素子に対して、パルス状の刺激光ｈν１〜ｈν５のうちのいずれかが照射された場合に、電流測定手段５０によって測定される光電流波形を示すグラフであり、グラフＧ１〜Ｇ５は、それぞれパルス状の刺激光ｈν１〜ｈν５が照射された場合に得られる光電流波形を示している。たとえば、グラフＧ１は、刺激光ｈν１が、図７に示すように、第１の電極板１１の最下段位置に照射された場合に、電流測定手段５０によって測定される光電流の波形を示しており、ショルダーＳ１に至るまではピーク値Ｐ１が維持され、以後、急速に減衰する特性が示されている。また、グラフＧ２は、刺激光ｈν２が第１の電極板１１の下から２段目位置に照射された場合の波形を示しており、ショルダーＳ２に至るまではピーク値Ｐ２が維持され、以後、急速に減衰する。以下、グラフＧ３〜Ｇ５についても同様である。
【００３８】
結局、刺激光ｈν１〜ｈν５が照射された場合のピーク持続時間は、それぞれ図８の時間軸上に示された時間ｔ１〜ｔ５となる。このように、刺激光の照射位置が上へゆくほど、ピーク持続時間が伸びるのは、照射位置が上になるほど、両電極板１１，２１間の間隔（セル間隔）が長くなるためである（§１で述べた現象）。このような現象が生じることを逆に利用すれば、光電流のピーク持続時間を認識することにより、照射位置を検出することができるようになる。たとえば、電流測定手段５０による測定の結果、図８に示すグラフＧ４が得られ、ピーク持続時間がｔ４であると認識された場合、図７に示す刺激光ｈν４が照射されたものと判断することができ、照射位置は上から２段目であることが検出できる。図７において、電流測定手段５０に接続されたピーク持続時間認識手段５５は、得られた光信号波形を解析し、ピーク持続時間を認識する処理を行う機能を有する。具体的には、たとえば、光電流のピーク値が９５％にまで減衰したポイントをショルダーと認定し、光電流の立上がり時点（刺激光の照射時点に相当）からショルダーまでの時間をピーク持続時間と認識するような処理を行えばよい。
【００３９】
なお、図８に示す５つのグラフＧ１〜Ｇ５は、刺激光ｈν１〜ｈν５のうちのいずれか１つが照射された場合に得られる５通りのグラフであるが、実際には、複数の位置に刺激光が照射された場合でも、個々の照射位置を検出することは可能である。たとえば、図７において、２つの刺激光ｈν２，ｈν５が同時に照射された場合、電流測定手段５０で測定される光電流波形は、図８に示すグラフＧ２，Ｇ５を重畳した波形となり、図９に示すグラフＧ２５のようになる。このグラフＧ２５を解析すれば、２か所にショルダーが存在することが認識できる（ショルダーＳ２，Ｓ５）。これら各ショルダーの位置に基づいて、２通りのピーク持続時間ｔ２，ｔ５を認識することができるので、２つの刺激光ｈν２，ｈν５が同時に照射されたと判断することができ、照射位置が、下から２段目と最上段とであることが認識できる。３つ以上の刺激光が同時に照射された場合も同様の手法により、個々の刺激光の照射位置を特定することが可能である。
【００４０】
既に§１で述べたように、照射された刺激光の強度は、測定される光電流の大きさに影響を与えるが、ショルダーの位置（ピーク持続時間）には影響は及ばない。厳密に言えば、キャリアの移動が空間電荷の制限を受ける程度にまでキャリア密度が高まると、ピーク持続時間にも影響が出ることになるが、刺激光の強度を所定のしきい値以下に保つようにして利用する限りは、影響はなしと考えてよい。このため、たとえ種々の強度の刺激光が照射される場合であっても、正しい位置検出が可能である。なお、種々の強度をもった複数の刺激光が同時に照射された場合、電流測定手段５０で得られた光電流波形から、複数のピーク持続時間を認識するための信号処理が若干複雑にならざるを得ないが、理論的には、個々のショルダーを認定し、個々のピーク持続時間を認識する処理は可能である。
【００４１】
ところで、図７には、複数の段差構造を有する階段状の電極板１１，２１を用いた例を示したが、本発明に係る光刺激検出素子は、必ずしも階段状の電極板を用いる必要はない。本発明では、要するに、第１の電極板と第２の電極板とを対向させるように配置し、両電極板間に液晶性電荷輸送材料を充填した構造とし、第１の電極板の個々の部分ごとに、それぞれ第２の電極板に対する距離が異なるような構成となっていればよい。このような構成であれば、刺激光の照射によって得られる光電流のピーク持続時間に基づいて刺激光の照射位置を検出することが可能になる。
【００４２】
図１０は、本発明に係る光刺激検出素子の別な実施形態を示す図である。図７に示す実施形態との相違点は、第１の電極板１２および第２の電極板２２の構成である。これらの電極板はいずれもＩＴＯからなる透明な平板電極であるが、その配置がくさび型になるような構造となっているため、やはり刺激光の照射位置によって、セル間隔が異なるようになっている。すなわち、図の下方位置に刺激光ｈν１が照射された場合は、セル間隔が短いため、ピーク持続時間も短くなるが、図の上方位置に刺激光ｈν５が照射された場合は、セル間隔が長いため、ピーク持続時間も長くなる。したがって、ピーク持続時間認識手段５５によってピーク持続時間を認識することができれば、刺激光の照射位置（図の上下方向に関する位置）を検出することができる。
【００４３】
図７に示す実施形態の場合、セル間隔が階段状に変化するため、照射位置に関する情報は離散的な値としてしか得られないが、図１０に示す実施形態の場合、セル間隔が連続的に変化するため、照射位置に関する情報は連続的な値として得ることが可能になる。ただし、複数の刺激光が非常に近接した位置に照射された場合、光電流波形から複数のショルダーを分別することは困難になるため、実用上は、ある有限の分解能の範囲内で照射位置の特定が可能になる。
【００４４】
図１１は、本発明に係る光刺激検出素子の更に別な実施形態を示す側断面図である。図１１(a) に示す実施形態は、平板型の第１の電極板１０と階段型の第２の電極板２１とを組み合わせた例である。また、図１１(b) に示す実施形態は、表面が曲面をなす一対の電極板１３，２３を組み合わせ、これら電極板の曲面構造に基づいて、第１の電極板１３の個々の部分ごとに、それぞれ第２の電極板２３に対する距離を異ならせるように構成したものである。もちろん、一方を平板型の電極板、他方を曲面型の電極板とすることもできるし、その他、種々の組み合わせが可能である。ここに図示する実施形態は、あくまでも参考構成例として示したものであり、この他にも種々のバリエーションを採ることが可能である。
【００４５】
本発明に係る光刺激検出素子を実用化する際の大きなメリットは、液晶性の電荷輸送材料を用いているために、電極板がどのような形状、構造を有していても、何ら支障が生じない点にある。もちろん、光伝導性にのみ着目すれば、シリコンなどの半導体を用いた固体素子の方が、はるかに効率が高い。しかしながら、電荷輸送材料として固体素子を用いた場合、その形状や構造が大きく制限されることになる。特に、シリコン単結晶基板を用いた素子の場合、その脆弱性が問題となり、ある程度以上の厚い基板を用いることは困難である。これに対して、液晶は、シリコンなどの無機半導体に比べれば、光伝導性効率は落ちるものの、有機材料としては比較的高い光伝導性を有しており、しかも形状や構造上の問題は一切生じることがない。すなわち、液晶は、その流動性によって、一対の電極板がどのような形状、構造のものであっても、両電極板間に充填させることが極めて容易である。このため、本発明を利用すれば、小ロット生産を行う場合であってもコストを低く抑えることができ、しかも形態の自由度が高い光センサを実現することが可能になる。
【００４６】
本発明の基本原理は、パルス状の刺激光を照射したときに得られる光電流波形から、ピーク持続時間を認識し、照射位置を検出する点にあるので、第１の電極板側に照射される刺激光は、パルス光であることが前提となる。しかも、ショルダーの認定を容易にするためには、ショルダーとなるポイントを経過した後の電流値の減衰を急峻にする必要があり、そのためには、できるだけパルス幅の短い刺激光を照射するのが好ましい。ただし、本発明に係る光刺激検出素子は、必ずしもパルス光の検出しかできないわけではなく、工夫次第で連続光の検出も可能である。すなわち、連続光の検出を行う場合には、連続光をパルス光に変換するチョッパ装置を更に設け、このチョッパ装置によって変換されたパルス光を第１の電極板に照射するようにすればよい。
【００４７】
もっとも、１回目のパルス光照射に基づく光電流がすべて減衰した後に、２回目のパルス光照射が行われる必要があるので（さもないと、１回目のパルス光照射に基づく光電流に、２回目のパルス光照射に基づく光電流が重畳して観測されるため、ただしい解析を行うことが困難になる）、チョッパ装置によって変換されるパルス光の周期は、ある程度の長さを確保しておく必要がある。具体的には、第１の電極板の個々の部分のうち、第２の電極板に対する距離が最も大きな部分に刺激光が照射された場合に生じる光電流のピーク持続時間よりも長い所定の周期Ｔをもって、連続光がパルス光に変換されるようなチョッパ装置を用いるようにすればよい。たとえば、図７に示すような構造をもった光刺激検出素子の場合、セル間距離が最も大きくなる刺激光は刺激光ｈν５であるから、図８において、ピーク持続時間ｔ５よりも長い所定の周期（たとえば、図示のｔｅ）をもって、連続光をパルス光に変換するようにすれば、１回目のパルス光照射に基づく光電流に、２回目のパルス光照射に基づく光電流が重畳することはなくなる。
【００４８】
§３．本発明に係るセンサ
さて、上述した§２では、本発明に係る光刺激検出素子をいくつかの実施形態に基づいて説明したが、ここでは、この光刺激検出素子を利用した種々のセンサを述べることにする。もちろん、§２で述べた光刺激検出素子は、そのままでも光センサとして用いることができるが、ここでは、本発明をより実用的なセンサとして適用した例をいくつか述べる。
【００４９】
図１２は、本発明に係る光刺激検出素子を、ラインセンサ、すなわち一次元の光センサとして利用する場合の構成例を示す斜視図である。ここでは、説明の便宜上、図示のようなＸＹＺ三次元座標系を定義する。第１の電極板１２および第２の電極板２２は、いずれも長手方向がほぼＹ軸方向を向いた細長い平板状の電極板であり、ＩＴＯなどの透明な導電性材料層を有する透明基板から構成されている。これら２枚の電極板１２，２２は、両電極板間の距離がＹ軸方向に沿って徐々に変化するように、くさび型に配置されており、両電極板間には液晶性電荷輸送材料（図示されていない）が充填されることになる。このような構造を有するラインセンサは、図１０に示す光刺激検出素子と同等のものであり、測定された光電流のピーク持続時間に基づいて、照射された刺激光のＹ軸方向に関する位置を検出することが可能になる。
【００５０】
図１３は、このようなラインセンサを、シート状材料の穴あき検査装置として利用した例を示す斜視図である。巻取状態で供給されたシート状材料１００は、たとえば、紙やフィルムなどであり、欠陥孔Ｈが存在していた場合、何らかの措置（たとえば、欠陥孔Ｈの近傍部分は、製品加工には利用しない、というような措置）を採る必要がある。上述したラインセンサを用いれば、このような欠陥孔Ｈの有無とともに、その位置を検出することが可能になる。図示の例では、シート状材料１００を引き出して矢印Ａの方向（Ｘ軸方向）に搬送しながら、Ｙ軸方向に伸びる２枚の電極板１２，２２を、搬送途中のシート状材料１００の下面側に設けている。２枚の電極板１２，２２は、前述したように、互いにくさび型となるように対向配置されており、両電極板の間隔（セル間隔）は、図の手前側ほど小さく、図の奥へゆくほど大きくなっている。
【００５１】
ここで、図の上方から何らかのパルス光（たとえば、ストロボライト）を所定周期で照射（すくなくとも、第１の電極板１２の検出有効部分の全面に当たるように照射）すると、欠陥孔Ｈが第１の電極板１２上を通過するときに、この欠陥孔Ｈを通してパルス光が第１の電極板１２の所定位置に照射されることになる。この照射位置（欠陥孔ＨのＹ軸方向に関する位置）は、既に述べたとおり、ピーク持続時間認識手段５５によって認識されたピーク持続時間に基づいて決定できる。また、欠陥孔ＨのＸ軸方向に関する位置は、搬送速度を考慮することにより、光電流が観測されたタイミングに基づいて決定することができる。
【００５２】
このようなシート状材料の穴あき検査装置として利用する上では、一次元方向（図示の例の場合、Ｙ軸方向）の位置検出ができれば十分であるが、二次元方向の位置検出を行う二次元光センサを構成する必要がある場合には、上述したラインセンサを、所定ピッチでＸ軸方向に配列すればよい。図１４は、このようにして構成した二次元光センサの一例を示す上面図である。個々のラインセンサはそれぞれ独立して動作をし、いずれもＹ軸方向に関する光刺激の位置を検出する機能を有している。最終的に、各ラインセンサからの検出信号を合成すれば、照射された刺激光のＸ軸方向に関する位置およびＹ軸方向に関する位置を検出することができる。
【００５３】
もっとも、実用上は、次のような構成をもった二次元光センサの方が、コストパフォーマンスにすぐれている。まず、図１５に示すように、絶縁性の第１の基板６０を用意し、その上に、複数Ｋ個（図示の例では、Ｋ＝７）の細長い導電層６１〜６７を形成する。図１５(a) は、絶縁性の第１の基板６０の上面図、図１５(b) はその正面図である。この実施例では、絶縁性の第１の基板６０はガラス基板であり、細長い導電層６１〜６７は、ＩＴＯなどの透明な導電性材料層である。各導電層６１〜６７は、図の上下方向に細長い導電層であり、図の横方向に所定ピッチで配列されている。一方、図１６に示すような、第２の基板７０を用意する。この実施例では、第２の基板７０はガラス基板であり、その上面全面に、ＩＴＯなどの透明な導電性材料層７１が形成されている。図１６(a) は、第２の基板７０の上面図、図１６(b) はその正面図である。この第２の基板７０自身を、何らかの導電性基板で構成してもかまわない。
【００５４】
こうして、２枚の基板６０，７０が用意できたら、これらを図１７に示すように、くさび型に配置する。ここで、図示のようにＸＹＺ三次元座標系を定義すると、第１の基板６０はＸＹ平面上に配置されており、その上には、長手方向がＹ軸方向を向いた複数Ｋ個の細長い導電層６１〜６７が所定ピッチでＸ軸方向に配列されていることになる。ここで、第２の基板７０側の導電性材料層７１は接地され、各導電層６１〜６７には、それぞれ独立した電流測定手段および電圧印加手段が接続されている。両基板６０，７０は、くさび型に配置されているため、両基板６０，７０間の距離（セル間隔）は、Ｙ軸方向に沿って徐々に変化するような構成となっている（Ｘ軸方向に関してはセル間隔は一定である）。ここで、両基板６０，７０間に、液晶性電荷輸送材料を充填すれば、このセンサは、図１４に示す二次元光センサと同等の機能を果たすことになる。また、光電流波形として得られる出力信号に対して、所定の信号処理を施すようにすれば、この二次元光センサを撮像素子として応用することも可能である。このように本発明を用いれば、現在、一般的に利用されているＣＣＤなどの固体撮像素子に比べて、構造が極めて単純な撮像素子を実現することができる。
【００５５】
以上、本発明に係る光刺激検出素子を、光センサとして利用した例をいくつか示したが、本発明の応用範囲は、必ずしも光刺激を検出するセンサに限定されるものではない。たとえば、図１８には、本発明の基本原理を、電気刺激を検出するセンサに利用した一例が示されている。このセンサは、いわば信号検出素子として機能する。第１の基板８０および第２の基板９０は、ガラスなどの絶縁性の基板であり、両基板は図示のとおりくさび型に配置されており、両基板間には、液晶性電荷輸送材料（図示されていない）が充填されることになる。第１の基板８０上には、Ｋ個（図示の例では、Ｋ＝４）の局在電極８１〜８４が形成されており、第２の基板９０上には、全面に共通電極（図では裏側になるため、示されていない）が形成されている。また、各局在電極８１〜８４には、それぞれ入力端子Ｔ１〜Ｔ４が接続されており、これらの入力端子Ｔ１〜Ｔ４には、それぞれパルス状の電圧信号が供給される。一方、第２の基板９０側に形成された共通電極には、電流測定手段５０が接続されている。
【００５６】
このような構成をもった素子において、入力端子Ｔ１〜Ｔ４のいずれかにパルス状の電圧信号が供給されると、この電圧信号によって第１の基板８０側に生成したキャリアが、液晶性電荷輸送材料中を移動し、第２の基板９０側へと向かうことになり、電流測定手段５０によって、共通電極に流れる電流が測定される。ところが、セル間隔（キャリアの移動距離）は、個々の局在電極ごとに異なっているため、いずれの入力端子に電圧信号が供給されたかによって、電流測定手段５０で測定される電流波形のピーク持続時間が異なってくる。したがって、この電流波形を解析し、ピーク持続時間を認識することにより、いずれの入力端子に電圧信号が供給されたかが特定できる。複数の入力端子に同時に電圧信号が与えられた場合であっても、複数のピーク持続時間を認識することにより、電圧信号が供給された個々の入力端子を特定することができる。
【００５７】
このような信号検出素子の具体的な用途については、現時点では未知数であるが、たとえば、４ビットのデジタル信号を各入力端子Ｔ１〜Ｔ４に与えれば、このデジタル信号を所定の電流波形というアナログ信号に変換する素子が実現できる。
【００５８】
§４．電荷生成層を付加する変形例
最後に、電極板の内側に電荷生成層を付加して感度を増強する変形例を述べておく。図１９は、このような変形例を示す側断面図および回路図である。この変形例の基本構成は、図１０に示す光刺激検出素子の基本構成とほぼ同じであるが、第１の電極板１２の内側（液晶性電荷輸送材料側）表面に、光刺激により電荷を生成する機能をもった電荷生成層１５が形成されている。第１の電極板１２を透明にしておけば、外部からの光刺激が電荷生成層１５に与えられ、ここで生成された電荷が、液晶性電荷輸送材料３０内を図の右方へと移動することになる。このような電荷生成層１５を設けるメリットは、可視波長に対しても感度をもった光刺激検出素子を実現することができる点にある。一般的な液晶性電荷輸送材料は、紫外光の波長域にしか感度をもっていないため、可視波長域の光を直接検出することができない。図１９に示す変形例において、電荷生成層１５を、可視波長域の光に対して感度を有する材料で形成しておけば、可視波長域の光刺激によって電荷が発生し、光電流が観測されるので、可視波長域の光刺激検出素子を実現できる。
【００５９】
たとえば、図１９に示す構成において、第１の電極板１２をＩＴＯ層を有する透明電極板とし、その内側に、セレン（Ｓｅ）層からなる電荷生成層１５を形成し、第２の電極板２２をＩＴＯ層を有する透明電極板（あるいは、こちらは不透明でもよいので、たとえば、アルミニウムの電極板でもよい）で構成すれば、可視波長域の光刺激検出素子を実現できる。セレン層は、可視波長域の光照射によって電荷を生成する機能を有しており、可視波長域の刺激光ｈν１〜ｈν５の位置を検出することができるようになる。
【００６０】
なお、これまでの実施形態では、いずれも第１の電極板側から入射した刺激光を検出する例を示したが、第２の電極板側から入射した刺激光を検出するような構成を採ることも可能である。たとえば、図１９に示す構成において、第１の電極板１２を不透明なアルミニウム電極板とし、その内側に、セレン層からなる電荷生成層１５を形成し、第２の電極板２２をＩＴＯ層を有する透明電極板とすれば、第１の電極板１２側から入射した刺激光（図示のとおり、左から右へ向けて照射されている刺激光ｈν１〜ｈν５）は、不透明なアルミニウム電極板１２によって遮断されてしまうが、逆に、第２の電極板２２側から入射した刺激光（図とは逆に、右から左へ向けて照射される刺激光）は、透明な第２の電極板２２および透明な液晶性電荷輸送材料３０を透過して、セレンからなる電荷生成層１５にまで到達することになる。その結果、この電荷生成層１５において生成された電荷が、第２の電極板２２側へと移動し、光電流が観測されることになる。
【００６１】
このように、電荷生成層は特定の波長域の光に対する感度を増強する効果を奏することができ、この電荷生成層として用いる材料を適宜選択することにより、所望の波長域に感度をもった光刺激検出素子を実現できるようになる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のとおり本発明によれば、小ロット生産を行う場合であってもコストを低く抑えることができ、しかも形態の自由度が高い光センサを実現することが可能な光刺激検出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】液晶性電荷輸送材料を用いた素子における基本現象を説明するための図である。
【図２】本発明に用いる液晶性電荷輸送材料の一例を示す図である。
【図３】図１に示す素子に対して、パルス状の刺激光を照射した場合に得られる光電流波形の一般的な形態を示すグラフである。
【図４】図１に示す素子を、セル間隔ｄを変えることにより３通り用意し、それぞれに対して同一の刺激光ｈνを照射した場合の光電流波形を測定する実験結果を示すグラフである。
【図５】セル間隔ｄの異なる３通りの素子について、それぞれ刺激光ｈνとして照射するレーザ光強度を変化させた場合の光電流ピーク値を示すグラフである。
【図６】スメクチックＡ相（ＳｍＡ）を呈する液晶材料と、スメクチックＢ相（ＳｍＢ）を呈する液晶材料とを用い、セル間隔ｄを変えた場合のキャリア移動度の変化を調べる実験を行った結果を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態に係る光刺激検出素子の基本構成を示す図であり、上半分には主たる構成要素の側断面図が示されており、下半分には主たる構成要素の回路図が示されている。
【図８】図７に示す光刺激検出素子に対して、パルス状の刺激光ｈν１〜ｈν５のうちのいずれかが照射された場合に、電流測定手段５０によって測定される光電流波形を示すグラフである。
【図９】図７において、２つの刺激光ｈν２，ｈν５が同時に照射された場合に、電流測定手段５０で測定される光電流波形を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る光刺激検出素子の別な実施形態を示す側断面図および回路図である。
【図１１】本発明に係る光刺激検出素子の更に別な実施形態を示す側断面図である。
【図１２】本発明に係る光刺激検出素子を、ラインセンサとして利用する場合の構成例を示す斜視図である。
【図１３】図１２に示すラインセンサを、シート状材料の穴あき検査装置として利用した例を示す斜視図である。
【図１４】図１２に示すラインセンサを複数配列することにより構成した二次元光センサの一例を示す上面図である。
【図１５】本発明に係る二次元光センサの一部を構成する第１の基板の上面図および正面図である。
【図１６】本発明に係る二次元光センサの一部を構成する第２の基板の上面図および正面図である。
【図１７】図１５に示す第１の基板および図１６に示す第２の基板をくさび型に配置することにより構成される二次元光センサの斜視図である。
【図１８】本発明の一利用形態に係る信号検出素子の斜視図である。
【図１９】図１０に示す実施形態において、第１の電極板側に電荷生成層を設けるようにした変形例を示す側断面図および回路図である。
【符号の説明】
１０，１１，１２，１３…第１の電極板
１５…電荷生成層
２０，２１，２２，２３…第２の電極板
３０…液晶性電荷輸送材料
４０…電圧印加手段
５０…電流測定手段
５５…ピーク持続時間認識手段
６０…第１の基板
６１〜６７…導電層
７０…第２の基板
７１…共通導電層
８０…第１の基板
８１〜８４…導電層
９０…第２の基板
１００…シート状材料
Ａ…搬送方向
ｄ…セル間隔
Ｅ…印加電圧
Ｇ１〜Ｇ５，Ｇ２５…光電流波形を示すグラフ
Ｈ…欠陥孔
ｈν，ｈν１〜ｈν５…刺激光
Ｐ，Ｐ１〜Ｐ５，Ｐ２５…ピーク電流値
Ｓ，Ｓ１〜Ｓ５…ショルダー
Ｔ１〜Ｔ４…入力端子
ｔ１〜ｔ５，ｔｐ…ピーク持続時間
ｔｅ…パルス光の周期[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light stimulus detection method and a light stimulus detection element using a liquid crystalline charge transport material, and more particularly to a light stimulus detection element that can be used for a line sensor, a two-dimensional light sensor, and the like.
[0002]
[Prior art]
Optical sensors such as line sensors and two-dimensional optical sensors are widely used in industrial equipment in all fields. Conventionally, these optical sensors generally used have a function of arranging a large number of detection elements constituting one pixel in a matrix and converting the light stimulus received for each detection element into an electrical signal. If the detection elements are arranged one-dimensionally, a line sensor is formed, and if the detection elements are arranged two-dimensionally, a two-dimensional photosensor is formed. Currently, most of the optical sensors that are commercially used are those in which a solid element having photoconductivity is arranged on a semiconductor substrate, and in particular, the demand for solid-state imaging elements such as CCDs is increasing. It is in.
[0003]
On the other hand, recently, the photoconductivity of liquid crystals has attracted attention. Liquid crystals have long been recognized as a material used exclusively in the field of display due to its remarkable optical anisotropy, but in 1993, in a triphenylene-based discotic liquid crystal, 10^-3cm²Since the high electron mobility reaching / Vs has been reported, the photoconductive application technology of liquid crystals has been discussed again. For example, the paper “Liquid Crystal” Vol. 1, No. 1 (1997), p. 33, published by the Japanese Liquid Crystal Society, entitled “Photoconductive Liquid Crystal Materials: Potential of New Organic Electronic Materials”, Application technology focusing on conductivity is described. Also,Japanese Patent Laid-Open No. 10-312711Discloses a display element, an EL element, a light modulation element, and the like using a liquid crystalline charge transport material.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, most of the currently used photosensors are solid elements having photoconductivity arranged in a matrix, and the higher the density of the arranged solid elements, the higher the detection result. Can be obtained. At present, it has become possible to mass-produce photosensors having a considerably high resolution by utilizing integration technology in semiconductor integrated circuits. However, an optical sensor using such a solid element is suitable for mass production of products having the same specifications, but entails enormous costs when producing optical sensors of various types and small lots. . In addition, since a structure in which solid elements are arranged on a semiconductor substrate is adopted, it must be in a uniform form to some extent, and it is difficult to realize a sensor having an arbitrary form.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a light stimulus detection element that can reduce the cost even when small-lot production is performed and can realize a light sensor having a high degree of freedom in form. To do.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
(1) In the first aspect of the present invention, a liquid crystalline charge transport material is filled between the first electrode plate and the second electrode plate, and the first electrode plate is divided into each first portion. Configure the distance between the two electrode plates to be different, and observe the photocurrent generated when pulsed stimulation light is applied to a predetermined part of one electrode plate with a predetermined voltage applied between both electrode plates. The irradiation position of the stimulation light is detected based on the peak duration of the photocurrent.
[0007]
(2) According to a second aspect of the present invention, in the light stimulus detection method according to the first aspect described above,
A charge generation layer having a function of generating charges by light stimulation is formed on the liquid crystal charge transport material side surface of the first electrode plate.
[0008]
(3) According to a third aspect of the present invention, there is provided a first electrode plate, a second electrode plate disposed so as to face the first electrode plate, a liquid crystalline charge transport material filled between the two electrode plates, Voltage applying means for applying a predetermined voltage between both electrode plates, current measuring means for measuring a photocurrent generated when a pulsed stimulus light is irradiated on a predetermined portion of one electrode plate, and measured light The light stimulus detecting element is configured by the peak duration recognizing means for recognizing the peak duration of the current, and the distance from the second electrode plate is different for each part of the first electrode plate. It is configured so that the irradiation position of the stimulation light can be detected based on the recognized peak duration.
[0009]
(4) A fourth aspect of the present invention is the optical stimulus detection element according to the third aspect described above.
A charge generation layer having a function of generating charges by light stimulation is formed on the liquid crystal charge transport material side surface of the first electrode plate.
[0010]
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the light stimulus detection element according to the third or fourth aspect described above,
For at least one of the first electrode plate and the second electrode plate, an electrode plate having a plurality of step structures is used, and based on the steps of the step structure, for each individual portion of the first electrode plate, Each is configured to have a different distance from the second electrode plate.
[0011]
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the light stimulus detection element according to the third or fourth aspect described above,
For at least one of the first electrode plate and the second electrode plate, an electrode plate having a curved surface is used, and based on the curved surface structure of the electrode plate, for each individual part of the first electrode plate, Each is configured to have a different distance from the second electrode plate.
[0012]
(7) According to a seventh aspect of the present invention, in the light stimulus detection element according to the third or fourth aspect described above,
By disposing the first electrode plate and the second electrode plate in a wedge shape, each portion of the first electrode plate is configured to have a different distance from the second electrode plate. .
[0013]
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the light stimulus detection element according to the third to seventh aspects described above,
The peak duration recognition means has a function of recognizing a plurality of peak durations based on the measured photocurrent waveform when different portions of the first electrode plate are irradiated with a plurality of stimulation lights; A plurality of stimulation light irradiation positions can be detected based on each peak duration.
[0014]
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the light stimulus detection element according to the third to eighth aspects described above,
Of the individual portions of the first electrode plate, continuous light having a predetermined period T longer than the peak duration of the photocurrent generated when the stimulating light is irradiated to the portion having the largest distance to the second electrode plate. Is further provided with a chopper device that converts the light into pulsed light, and the first electrode plate is irradiated with the pulsed light converted by the chopper device so that the light stimulus given as continuous light can be detected. is there.
[0015]
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the light stimulus detection element according to the third to ninth aspects described above,
A transparent electrode made of a transparent material having conductivity is used as the first electrode plate and the second electrode plate.
[0016]
(11) An eleventh aspect of the present invention is the photostimulation detection element according to the third to tenth aspects described above,
L 6π-electron aromatic rings, M 10π-electron aromatic rings, N 14π-electron aromatic rings (where L, M, and N each represent an integer of 0 to 4, L + M + N = 1 to 4 A liquid crystal having a core including a smectic liquid crystal phase is used as a liquid crystalline charge transporting material.
[0017]
(12) According to a twelfth aspect of the present invention, in the line sensor using the light stimulus detection element according to the third to eleventh aspects described above,
Light stimulation in which a pair of elongated electrode plates whose longitudinal direction is directed to the Y-axis direction is used as the first electrode plate and the second electrode plate, and the distance between the two electrode plates gradually changes along the Y-axis direction. A detection element is formed so that the position of the irradiated stimulation light in the Y-axis direction can be detected based on the measured peak duration of the photocurrent.
[0018]
(13) In a thirteenth aspect of the present invention, a plurality of line sensors according to the twelfth aspect described above are arranged in the X-axis direction at a predetermined pitch, and the position of the irradiated stimulation light in the X-axis direction and the Y-axis direction The two-dimensional optical sensor can be configured to recognize the XY coordinate value of the stimulation light irradiated on the two-dimensional XY plane.
[0019]
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the two-dimensional photosensor using the light stimulus detection element according to the third to eleventh aspects described above,
By disposing the first insulating substrate disposed on the XY plane and the second substrate having the conductive layer disposed so as to face the first substrate in a wedge shape, The distance between the substrates is configured to gradually change along the Y-axis direction, and a plurality of K elongated conductive layers whose longitudinal directions face the Y-axis direction are arranged on the first substrate at a predetermined pitch in the X-axis direction. And using the conductive layer on the first substrate and the conductive layer on the second substrate as the first electrode plate and the second electrode plate, respectively, a total of K photostimulation detection elements are provided. It is formed so that the XY coordinate value of the stimulation light irradiated on the two-dimensional XY plane can be recognized.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
[0022]
§1. Basic phenomena in devices using liquid crystalline charge transport materials
Here, before explaining the operating principle of the light stimulus detecting element according to the present invention, the basic phenomenon in the element using the liquid crystalline charge transport material as shown in FIG. 1 (side sectional view and circuit diagram) will be described. . This element is configured by filling a liquid crystal charge transport material (a liquid crystal material having photoconductivity, hereinafter simply referred to as a liquid crystal material) between a pair of transparent electrode plates. Specifically, the first electrode plate 10 and the second electrode plate 20 having a transparent conductive material layer such as ITO are opposed to each other with a predetermined interval d (hereinafter referred to as cell interval), and both electrode plates are arranged. This element is configured by filling the liquid crystal material 30 between them. In practice, some sealing element is required in addition to the illustrated components so that the material 30 does not leak between the two electrode plates. Here, description of such a sealing element will be given. Is omitted.
[0023]
A predetermined voltage E is applied between the electrode plates 10 and 20 by the voltage applying means 40, and an electric field based on the applied voltage E is generated in the liquid crystal material 30. Further, a current measuring means 50 is provided on the conductive path for applying the voltage E, and the value of the current flowing on the conductive path can be measured.
[0024]
Now, as shown in the figure, it is assumed that a certain position of the first electrode plate 10 is irradiated with some stimulation light hν (in this example, nitrogen laser light). Since the first electrode plate 10 is a transparent electrode having an ITO layer, the stimulation light hν reaches the liquid crystal material 30. Here, when the liquid crystal material 30 is a liquid crystalline charge transport material having photoconductivity, carriers (electrons or holes) generated by irradiation with the stimulating light hν move based on the applied voltage E, and current measurement is performed. The photocurrent is measured by means 50. For example, electrons generated on the first electrode plate 10 side by irradiation with the stimulation light hν move through the liquid crystal material 30 to the second electrode plate 20 side. Such a carrier movement phenomenon is measured by the current measuring means 50 as a photocurrent.
[0025]
Here, the liquid crystal material “8PNPO12” (formal name: 2- (4′-Octylphenyl) -6-dodecyloxynaphthalene) represented by the chemical formula as shown in FIG. 2 is used as the liquid crystal material 30, and the temperature is set to 80. The liquid crystal material is used under the condition that the liquid crystal material maintains a smectic phase. In general, liquid crystals are known to exhibit high charge transport properties (charge mobility) in the smectic phase, and in the smectic phase, electron conduction is dominant compared to ion conduction, and the mobility depends on temperature. A constant merit is obtained. For this reason, in the present invention, it is preferable to use a liquid crystal material having as high a carrier mobility as possible in the smectic phase. Here, a liquid crystal material “8PNPO12” is used, but in general, L 6π-electron aromatic rings, M 10π-electron aromatic rings, and N 14π-electron aromatic rings (where L, M, N represents an integer of 0 to 4, and L + M + N = 1 to 4), and a liquid crystal material having a core exhibits relatively high mobility. Accordingly, in implementing the present invention, it is preferable to use such a liquid crystal material in a smectic phase.
[0026]
Since most of the liquid crystal materials described above have an absorption spectrum in the ultraviolet region, it is preferable to use ultraviolet light (for example, nitrogen laser light) as the stimulating light hν, but visible light is used as the stimulating light. If necessary, a dye having an absorption spectrum in the visible wavelength region may be added as a sensitizer.
[0027]
By the way, when pulse-like stimulation light is used as the stimulation light hν, the waveform of the photocurrent measured by the current measuring means 50 takes a form as shown in the graph of FIG. The origin 0 of the time axis in this graph indicates the irradiation time of the stimulation light hν, and the photocurrent having a substantially constant peak value P over a period of time from immediately after the irradiation of the stimulation light hν to the time tp. Is observed continuously, and when the time tp elapses, a phenomenon that the photocurrent rapidly attenuates through the shoulder S is observed. Such a phenomenon is considered to occur because the carriers generated by the irradiation of the pulsed stimulation light hν move with a predetermined mobility over the distance of the cell interval d. Although the mechanism of carrier movement in liquid crystal materials with photoconductivity has not been analyzed enough at present, it is not a carrier movement mechanism in the semiconductor bulk based on the so-called band theory, but individual molecules are hopped sites. The inventor of this application thinks that it is close to the movement mechanism by the hopping conduction model.
[0028]
From the above viewpoint, the phenomenon shown in the graph of FIG. 3 will be described. During the time tp, carriers generated on the first electrode plate 10 side hop between molecules in the liquid crystal material 30 having the cell interval d. It can be regarded as a time until it reaches the second electrode plate 20 side, and the peak value P of the photocurrent is maintained during this time tp. Hereinafter, this time tp will be referred to as a peak duration. The reason why a certain amount of photocurrent is observed after the lapse of the peak duration tp is that the stimulating light hν has a finite pulse width and the moving carriers are dispersed to some extent spatially. It is thought that it has.
[0029]
In any case, when the photocurrent is measured by the current measuring means 50, a waveform having the characteristics shown in the graph of FIG. 3 is obtained. From this waveform, the shoulder S (photocurrent value shows a sharp decrease). If the point) is recognized, the peak duration tp can be determined. Specifically, for example, a point where the peak value P is attenuated to 95% is recognized as the shoulder S, and the time from the irradiation time of the stimulation light hν to the shoulder S is determined as the peak duration tp. Good. The peak duration tp thus determined can be said to be the time required for the carrier to move the cell interval d. The graph shown in FIG. 3 shows an example in which the same peak value P is maintained during time 0 to tp. Strictly speaking, the photocurrent value gradually increases from the peak value P at time 0. To decrease. Therefore, strictly speaking, the graph between the time 0 and tp does not become horizontal but becomes a gentle downward-sloping graph. However, since the photocurrent value shows a sharp fall when the time tp is exceeded, the shoulder S can be clearly recognized and the time tp can be determined. Thus, the term “peak duration” in the present application is used to mean “time until the photocurrent value shows a sharp fall”, and “time for which the photocurrent maintains the maximum value P as it is”. Are not used in the strict sense. In each graph used in the following description, for convenience of explanation, as in the graph shown in FIG. 3, the portion up to the shoulder S is shown as a horizontal graph. The graph goes down to the right.
[0030]
The inventor of the present application prepared three kinds of elements as shown in FIG. 1 by changing the cell interval d, and conducted an experiment to measure the photocurrent waveform when the same stimulation light hν was irradiated to each of them. saw. FIG. 4 is a graph showing the results of such an experiment. The horizontal axis is a logarithmic scale time axis, and the vertical axis is a logarithmic scale photocurrent value. As the voltage application means 40, a DC power supply that supplies an applied voltage E = 10 V is used, and as the stimulation light hν, pulsed light (light intensity 30 μJ / pulse) by a nitrogen laser having a half width of about 100 ps is used. In FIG. 4, the graphs with d = 9 μm, d = 15 μm, and d = 25 μm show the results obtained for the elements having cell intervals d of d = 9 μm, d = 15 μm, and d = 25 μm, respectively. Yes. That is, in the case of the element with the cell interval d = 9 μm, the photocurrent having the peak value P1 continues to flow until reaching the shoulder S1, and then the photocurrent is rapidly attenuated. The photocurrent having the value P2 continues to flow until reaching the shoulder S2, and then the photocurrent is rapidly attenuated until the photocurrent having the peak value P3 reaches the shoulder S3 in the case of an element having a cell interval d = 25 μm. The photocurrent continues to flow and then decays rapidly. Here, paying attention to the peak duration tp until reaching each shoulder, it can be seen that the longer the cell interval d, the longer.
[0031]
FIG. 5 is a graph showing the photocurrent peak values when the intensity of the laser beam irradiated as the stimulation light hν is changed for each of the three elements described above. In any case, the peak value of the observed photocurrent increases as the intensity of the stimulation light hν increases. This is rather a natural result because the number of carriers generated is increased when the intense stimulation light hν is irradiated. However, it should be noted that when the intensity of the stimulation light hν is changed, the peak value of the photocurrent itself changes, but the shoulder position, that is, the peak duration tp does not change. Is the point obtained. This indicates that changing the intensity of the stimulation light hν does not affect the carrier mobility. However, actually, when the intensity of the stimulation light hν exceeds a certain threshold value, a change occurs in the position of the shoulder, that is, the peak duration tp. This is presumably because when the number of generated carriers exceeds a certain level, carrier movement is limited by space charge.
[0032]
FIG. 6 shows the result of an experiment for examining the change in carrier mobility when the cell interval d is changed using a liquid crystal material exhibiting a smectic A phase (SmA) and a liquid crystal material exhibiting a smectic B phase (SmB). It is a graph which shows. As shown in the figure, in any liquid crystal phase, the mobility does not change even if the cell interval d is changed.
[0033]
In the first place, the mobility μ is a parameter defined as v = μ · U, where v is the carrier moving speed and U is the electric field strength. The mobility μ in the liquid crystal functioning as a charge transport material is constant at a carrier density within a predetermined threshold (in other words, a density at which carriers can move without being limited by space charge). I found out that In particular, in the smectic phase, the temperature dependence of the mobility μ is extremely small. Therefore, the carrier moving speed v may be considered to be substantially proportional to the electric field strength U. As shown in FIG. 1, if a predetermined voltage E is applied between the electrode plates 10 and 20, the electric field intensity U in the liquid crystal material is inversely proportional to the cell interval d. That is, the electric field strength U decreases as the cell interval d increases as long as the voltage E applied between the electrode plates is constant. Accordingly, the moving speed v of the carrier is inversely proportional to the cell interval d, and the larger the cell interval d, the slower the carrier moves and the longer the peak duration tp. Actually, the peak duration tp is approximately proportional to the square of the cell interval d. This is a synergy between the factor that “the greater the cell interval d, the lower the carrier movement speed v” and the “the greater the cell interval d, the greater the total carrier movement process”. This is because it takes a long time for the carrier to move between cells due to the effect.
[0034]
§2. Basic principle of the light stimulus detecting element according to the present invention
In Section 1, the characteristics of the photocurrent waveform observed when the pulsed stimulation light hν is irradiated on the element as shown in FIG. In fact, the element shown in FIG. 1 is an element used for explaining the characteristics of the photocurrent waveform, and is not the photostimulus detection element according to the present invention. The light stimulus detection element according to the present invention can be realized by slightly changing the form of the first electrode plate 10 or the second electrode plate 20 in the element shown in FIG.
[0035]
FIG. 7 is a diagram showing a basic configuration of a photostimulation detection element according to an embodiment of the present invention, in which the upper half shows a side sectional view of main components, and the lower half shows main components. A circuit diagram is shown. Here, the first electrode plate 11 and the second electrode plate 21 are arranged so as to face each other, and a liquid crystalline charge transport material 30 (for example, a smectic of a liquid crystal material “8PNPO12” described above) is disposed between the two electrode plates. The phase is filled in the same way as the element shown in FIG. 1, and the point that each electrode plate 11, 21 is made of a transparent electrode such as ITO is also the same as the element shown in FIG. Furthermore, the voltage application means 40 for applying a predetermined voltage E between the electrode plates 11 and 21 and the photocurrent generated when a predetermined portion of the first electrode plate 11 is irradiated with pulsed stimulation light are measured. The point that the current measuring means 50 is provided is the same as that of the element shown in FIG.
[0036]
However, both the electrode plates 10 and 20 in the element shown in FIG. 1 are parallel plates, whereas both the electrode plates 11 and 21 in the element shown in FIG. 7 are stepped electrodes having a plurality of step structures. It is a board. The first electrode plate 11 and the second electrode plate 21 are each divided into five parts based on the steps of the step structure, and both electrode plates 11 and 21 are provided for each of the opposing parts. The distance between them, that is, the cell interval d is different. Since the electric field applied by the voltage applying means 40 is directed in the horizontal direction in the figure, carriers generated by the irradiation of the stimulation light hν are also moved in the substantially horizontal direction. For this reason, if the illustrated stimulation light hν1 is irradiated, the total travel distance of the carrier is short, whereas if the illustrated stimulation light hν5 is irradiated, the total travel distance of the carrier becomes long. As described above, the light stimulus detection according to the present invention has a structure in which the length of the total movement stroke of the carrier is changed depending on the irradiation position of the stimulus light hν on the first electrode plate 11. This is a major feature of the device.
[0037]
FIG. 8 is a graph showing a photocurrent waveform measured by the current measuring means 50 when any one of the pulsed stimulus lights hν1 to hν5 is irradiated on the light stimulus detection element shown in FIG. Graphs G1 to G5 show photocurrent waveforms obtained when pulsed stimulation lights hν1 to hν5 are irradiated, respectively. For example, the graph G1 shows the waveform of the photocurrent measured by the current measuring means 50 when the stimulation light hν1 is irradiated to the lowest position of the first electrode plate 11 as shown in FIG. The peak value P1 is maintained until the shoulder S1 is reached, and thereafter, the characteristic is rapidly attenuated. The graph G2 shows a waveform when the stimulation light hν2 is irradiated from the bottom of the first electrode plate 11 to the second stage position, and the peak value P2 is maintained until the shoulder S2 is reached. Decays rapidly. Hereinafter, the same applies to the graphs G3 to G5.
[0038]
Eventually, the peak durations when the stimulation lights hν1 to hν5 are irradiated are times t1 to t5 shown on the time axis of FIG. As described above, the peak duration increases as the stimulation light irradiation position increases, because the distance (cell interval) between the electrode plates 11 and 21 increases as the irradiation position increases ( Phenomenon described in §1). If this phenomenon occurs, the irradiation position can be detected by recognizing the peak duration of the photocurrent. For example, if the graph G4 shown in FIG. 8 is obtained as a result of the measurement by the current measuring means 50 and the peak duration is recognized as t4, it is determined that the stimulation light hν4 shown in FIG. 7 has been irradiated. It can be detected that the irradiation position is the second stage from the top. In FIG. 7, the peak duration recognition means 55 connected to the current measurement means 50 has a function of analyzing the obtained optical signal waveform and performing processing for recognizing the peak duration. Specifically, for example, the point at which the peak value of the photocurrent is attenuated to 95% is recognized as a shoulder, and the time from the rising point of the photocurrent (corresponding to the irradiation point of the stimulation light) to the shoulder is the peak duration. What is necessary is just to perform the process which recognizes.
[0039]
Note that the five graphs G1 to G5 shown in FIG. 8 are five graphs obtained when any one of the stimulation lights hν1 to hν5 is irradiated, but in reality, stimulation is performed at a plurality of positions. Even when light is irradiated, it is possible to detect individual irradiation positions. For example, in FIG. 7, when two stimulation lights hν2 and hν5 are simultaneously irradiated, the photocurrent waveform measured by the current measuring means 50 is a waveform in which the graphs G2 and G5 shown in FIG. It becomes like the graph G25 shown. If this graph G25 is analyzed, it can be recognized that there are shoulders at two locations (shoulders S2, S5). Since the two peak durations t2 and t5 can be recognized on the basis of the positions of these shoulders, it can be determined that the two stimulation lights hν2 and hν5 have been irradiated at the same time. It can be recognized that the second stage and the uppermost stage. Even when three or more stimulation lights are simultaneously irradiated, the irradiation position of each stimulation light can be specified by the same method.
[0040]
As already described in Section 1, the intensity of the irradiated stimulation light affects the magnitude of the measured photocurrent, but does not affect the shoulder position (peak duration). Strictly speaking, increasing carrier density to the extent that carrier movement is limited by space charge will also affect peak duration, but keep the intensity of stimulating light below a certain threshold. As long as it is used in this way, it can be considered that there is no effect. For this reason, even if it is a case where the stimulation light of various intensity | strength is irradiated, a correct position detection is possible. When a plurality of stimulation lights having various intensities are simultaneously irradiated, signal processing for recognizing a plurality of peak durations from the photocurrent waveform obtained by the current measuring means 50 does not become slightly complicated. Theoretically, it is possible to identify individual shoulders and recognize individual peak durations.
[0041]
FIG. 7 shows an example using stepped electrode plates 11 and 21 having a plurality of step structures. However, the light stimulus detection element according to the present invention does not necessarily need to use stepped electrode plates. Absent. In short, in the present invention, the first electrode plate and the second electrode plate are arranged so as to face each other, and the liquid crystal charge transport material is filled between the two electrode plates. It suffices that each portion has a different distance from the second electrode plate. With such a configuration, it becomes possible to detect the irradiation position of the stimulation light based on the peak duration of the photocurrent obtained by the irradiation of the stimulation light.
[0042]
FIG. 10 is a diagram showing another embodiment of the light stimulus detection element according to the present invention. The difference from the embodiment shown in FIG. 7 is the configuration of the first electrode plate 12 and the second electrode plate 22. Each of these electrode plates is a transparent flat plate electrode made of ITO. However, since the arrangement is a wedge shape, the cell interval varies depending on the irradiation position of the stimulation light. Yes. That is, when the stimulation light hν1 is irradiated to the lower position in the figure, the cell interval is short, so the peak duration is shortened. However, when the stimulation light hν5 is irradiated to the upper position in the figure, the cell interval is long. Therefore, the peak duration is also increased. Therefore, if the peak duration can be recognized by the peak duration recognizing means 55, the irradiation position of the stimulation light (position in the vertical direction in the figure) can be detected.
[0043]
In the case of the embodiment shown in FIG. 7, since the cell interval changes stepwise, the information on the irradiation position can be obtained only as a discrete value. However, in the embodiment shown in FIG. Since it changes, the information regarding the irradiation position can be obtained as a continuous value. However, when multiple stimulating lights are irradiated at very close positions, it is difficult to separate the multiple shoulders from the photocurrent waveform. Therefore, in practice, the irradiation position is within a certain finite resolution range. Identification becomes possible.
[0044]
FIG. 11 is a side sectional view showing still another embodiment of the light stimulus detection element according to the present invention. The embodiment shown in FIG. 11A is an example in which a flat plate type first electrode plate 10 and a staircase type second electrode plate 21 are combined. In addition, the embodiment shown in FIG. 11 (b) combines a pair of electrode plates 13 and 23 having curved surfaces, and for each individual portion of the first electrode plate 13 based on the curved surface structure of these electrode plates. The distances from the second electrode plate 23 are different from each other. Of course, one can be a flat electrode plate, the other can be a curved electrode plate, and various other combinations are possible. The embodiment shown here is merely shown as a reference configuration example, and various other variations are possible.
[0045]
The great merit of putting the light stimulus detection element according to the present invention into practical use is that no trouble is caused regardless of the shape and structure of the electrode plate because the liquid crystalline charge transport material is used. It does not occur. Of course, if only focusing on photoconductivity, solid elements using semiconductors such as silicon are much more efficient. However, when a solid element is used as the charge transport material, its shape and structure are greatly limited. In particular, in the case of an element using a silicon single crystal substrate, its vulnerability is a problem, and it is difficult to use a substrate that is thicker than a certain degree. In contrast, liquid crystal has a relatively high photoconductivity as an organic material, although it has a lower photoconductivity efficiency than inorganic semiconductors such as silicon. It does not occur. That is, the liquid crystal is very easy to fill between both electrode plates, regardless of the shape and structure of the pair of electrode plates due to its fluidity. For this reason, if the present invention is used, it is possible to reduce the cost even when small lot production is performed, and to realize an optical sensor having a high degree of freedom in form.
[0046]
The basic principle of the present invention is that the peak duration is recognized from the photocurrent waveform obtained when the pulsed stimulation light is irradiated, and the irradiation position is detected, so that the first electrode plate side is irradiated. It is assumed that the stimulating light is pulsed light. In addition, in order to facilitate the shoulder identification, it is necessary to sharpen the attenuation of the current value after the point that becomes the shoulder, and for that purpose, it is necessary to irradiate stimulation light with a pulse width as short as possible. preferable. However, the light stimulus detection element according to the present invention is not necessarily capable of detecting only pulsed light, and can detect continuous light depending on the device. That is, when detecting continuous light, a chopper device for converting continuous light into pulsed light may be further provided, and the first electrode plate may be irradiated with pulsed light converted by the chopper device.
[0047]
However, since it is necessary to perform the second pulse light irradiation after all the photocurrent based on the first pulse light irradiation is attenuated (otherwise, the second time is changed to the photocurrent based on the first pulse light irradiation. (It is difficult to perform analysis because the photocurrent based on the irradiation of the pulsed light is superimposed), and the period of the pulsed light converted by the chopper device needs to have a certain length. There is. Specifically, among the individual portions of the first electrode plate, a predetermined period longer than the peak duration of the photocurrent generated when the portion of the distance to the second electrode plate is irradiated with the stimulating light. A chopper device that converts continuous light into pulse light with T may be used. For example, in the case of the light stimulus detection element having the structure as shown in FIG. 7, the stimulus light having the largest inter-cell distance is the stimulus light hν5. Therefore, in FIG. 8, a predetermined period longer than the peak duration t5 is used. If the continuous light is converted into pulse light with (for example, te in the figure), the photocurrent based on the second pulse light irradiation will not be superimposed on the photocurrent based on the first pulse light irradiation. .
[0048]
§3. Sensor according to the present invention
In Section 2 described above, the light stimulus detection element according to the present invention has been described based on several embodiments. Here, various sensors using the light stimulus detection element will be described. Of course, the light stimulus detection element described in Section 2 can be used as an optical sensor as it is, but here, some examples in which the present invention is applied as a more practical sensor will be described.
[0049]
FIG. 12 is a perspective view showing a configuration example when the light stimulus detection element according to the present invention is used as a line sensor, that is, a one-dimensional light sensor. Here, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional coordinate system as illustrated is defined. Each of the first electrode plate 12 and the second electrode plate 22 is an elongated flat plate electrode plate whose longitudinal direction is substantially in the Y-axis direction, and is made of a transparent substrate having a transparent conductive material layer such as ITO. It is configured. The two electrode plates 12 and 22 are arranged in a wedge shape so that the distance between the two electrode plates gradually changes along the Y-axis direction, and a liquid crystalline charge transport material is provided between the two electrode plates. (Not shown) will be filled. The line sensor having such a structure is equivalent to the light stimulus detection element shown in FIG. 10, and the position of the irradiated stimulus light in the Y-axis direction is determined based on the peak duration of the measured photocurrent. It becomes possible to detect.
[0050]
FIG. 13 is a perspective view showing an example in which such a line sensor is used as a sheet-like material perforation inspection apparatus. The sheet-like material 100 supplied in the wound state is, for example, paper or film, and when there is a defect hole H, some measure (for example, the vicinity of the defect hole H is used for product processing). It is necessary to take measures such as If the above-described line sensor is used, it is possible to detect the position of such a defect hole H together with the presence or absence of such a defect hole H. In the illustrated example, the two electrode plates 12 and 22 extending in the Y-axis direction are pulled out while the sheet-like material 100 is pulled out and conveyed in the direction of arrow A (X-axis direction). On the side. As described above, the two electrode plates 12 and 22 are opposed to each other so as to be wedge-shaped, and the distance between the two electrode plates (cell interval) is smaller toward the front side of the figure, and further toward the back of the figure. It is getting bigger.
[0051]
Here, when any pulsed light (for example, strobe light) is irradiated at a predetermined period from the upper part of the drawing (at least, it is irradiated so as to hit the entire detection effective portion of the first electrode plate 12), the defect hole H becomes the first. When passing over the electrode plate 12, the pulsed light is irradiated to a predetermined position of the first electrode plate 12 through the defect hole H. This irradiation position (position of the defect hole H in the Y-axis direction) can be determined based on the peak duration recognized by the peak duration recognition means 55 as already described. Further, the position of the defect hole H in the X-axis direction can be determined based on the timing at which the photocurrent is observed by considering the transport speed.
[0052]
In order to use such a sheet-like material as a perforated inspection apparatus, it is sufficient to detect the position in the one-dimensional direction (in the illustrated example, the Y-axis direction). When it is necessary to configure a three-dimensional optical sensor, the above-described line sensors may be arranged in the X-axis direction at a predetermined pitch. FIG. 14 is a top view showing an example of the two-dimensional photosensor configured as described above. Each line sensor operates independently and all have a function of detecting the position of the light stimulus in the Y-axis direction. Finally, if the detection signals from the respective line sensors are synthesized, the position of the irradiated stimulation light in the X-axis direction and the position in the Y-axis direction can be detected.
[0053]
However, in practice, a two-dimensional optical sensor having the following configuration is superior in cost performance. First, as shown in FIG. 15, an insulating first substrate 60 is prepared, and a plurality of K (K = 7 in the illustrated example) elongated conductive layers 61 to 67 are formed thereon. FIG. 15 (a) is a top view of the insulating first substrate 60, and FIG. 15 (b) is a front view thereof. In this embodiment, the insulating first substrate 60 is a glass substrate, and the elongated conductive layers 61 to 67 are transparent conductive material layers such as ITO. Each of the conductive layers 61 to 67 is a conductive layer elongated in the vertical direction in the figure, and is arranged at a predetermined pitch in the horizontal direction in the figure. On the other hand, a second substrate 70 as shown in FIG. 16 is prepared. In this embodiment, the second substrate 70 is a glass substrate, and a transparent conductive material layer 71 such as ITO is formed on the entire upper surface thereof. FIG. 16 (a) is a top view of the second substrate 70, and FIG. 16 (b) is a front view thereof. The second substrate 70 itself may be composed of any conductive substrate.
[0054]
When the two substrates 60 and 70 are thus prepared, they are arranged in a wedge shape as shown in FIG. Here, when an XYZ three-dimensional coordinate system is defined as shown in the figure, the first substrate 60 is arranged on the XY plane, and a plurality of K long and narrow strips whose longitudinal direction is directed to the Y-axis direction are disposed thereon. The conductive layers 61 to 67 are arranged in the X-axis direction at a predetermined pitch. Here, the conductive material layer 71 on the second substrate 70 side is grounded, and independent current measuring means and voltage applying means are connected to each of the conductive layers 61 to 67. Since both the substrates 60 and 70 are arranged in a wedge shape, the distance between the substrates 60 and 70 (cell spacing) is configured to gradually change along the Y-axis direction (X-axis). The cell spacing is constant with respect to direction). Here, if a liquid crystalline charge transport material is filled between the two substrates 60 and 70, this sensor will perform the same function as the two-dimensional photosensor shown in FIG. In addition, if predetermined signal processing is performed on an output signal obtained as a photocurrent waveform, this two-dimensional photosensor can be applied as an image sensor. As described above, by using the present invention, it is possible to realize an image pickup device having a very simple structure as compared with a solid-state image pickup device such as a CCD that is currently generally used.
[0055]
As described above, some examples in which the light stimulus detection element according to the present invention is used as a light sensor have been shown. However, the application range of the present invention is not necessarily limited to a sensor that detects light stimulus. For example, FIG. 18 shows an example in which the basic principle of the present invention is applied to a sensor that detects electrical stimulation. This sensor functions as a signal detection element. The first substrate 80 and the second substrate 90 are insulating substrates such as glass, and both the substrates are arranged in a wedge shape as illustrated, and a liquid crystal charge transport material (illustrated) is interposed between the two substrates. Will not be filled). K local electrodes 81 to 84 (K = 4 in the illustrated example) are formed on the first substrate 80, and a common electrode (in the drawing, in the drawing) is formed on the entire surface of the second substrate 90. (It is not shown because it is on the back side). In addition, input terminals T1 to T4 are connected to the localized electrodes 81 to 84, respectively, and pulsed voltage signals are supplied to the input terminals T1 to T4, respectively. On the other hand, the current measuring means 50 is connected to the common electrode formed on the second substrate 90 side.
[0056]
In a device having such a configuration, when a pulsed voltage signal is supplied to any one of the input terminals T1 to T4, carriers generated on the first substrate 80 side by this voltage signal are transferred to the liquid crystalline charge. It moves through the material and moves toward the second substrate 90 side, and the current flowing through the common electrode is measured by the current measuring means 50. However, since the cell interval (carrier movement distance) differs for each localized electrode, the peak duration of the current waveform measured by the current measuring means 50 depends on which input terminal is supplied with the voltage signal. Time will be different. Therefore, by analyzing this current waveform and recognizing the peak duration, it is possible to identify which input terminal is supplied with the voltage signal. Even when voltage signals are simultaneously applied to a plurality of input terminals, it is possible to identify individual input terminals supplied with voltage signals by recognizing a plurality of peak durations.
[0057]
Although the specific use of such a signal detection element is unknown at present, for example, if a 4-bit digital signal is applied to each of the input terminals T1 to T4, this digital signal is converted into an analog signal having a predetermined current waveform. It is possible to realize an element that converts to
[0058]
§4. Modified example of adding a charge generation layer
Finally, a modification in which a charge generation layer is added inside the electrode plate to enhance sensitivity will be described. FIG. 19 is a side sectional view and a circuit diagram showing such a modification. The basic configuration of this modified example is almost the same as the basic configuration of the photostimulation detection element shown in FIG. A charge generation layer 15 having a function of generating is formed. If the first electrode plate 12 is made transparent, external light stimulation is applied to the charge generation layer 15, and the charge generated here moves to the right in the liquid crystal charge transport material 30. Will do. An advantage of providing such a charge generation layer 15 is that a light stimulus detection element having sensitivity to visible wavelengths can be realized. Since a general liquid crystalline charge transport material has sensitivity only in the wavelength region of ultraviolet light, it cannot directly detect light in the visible wavelength region. In the modification shown in FIG. 19, if the charge generation layer 15 is formed of a material having sensitivity to light in the visible wavelength region, charges are generated by light stimulation in the visible wavelength region, and a photocurrent is observed. Therefore, a light stimulus detection element in the visible wavelength range can be realized.
[0059]
For example, in the configuration shown in FIG. 19, the first electrode plate 12 is a transparent electrode plate having an ITO layer, the charge generation layer 15 made of a selenium (Se) layer is formed on the inside, and the second electrode plate 22 is formed. Can be realized by a transparent electrode plate having an ITO layer (or an opaque electrode plate, for example, an aluminum electrode plate). The selenium layer has a function of generating charges by light irradiation in the visible wavelength region, and can detect the positions of the stimulating lights hν1 to hν5 in the visible wavelength region.
[0060]
In the embodiments described so far, the example in which the stimulation light incident from the first electrode plate side is detected has been described. However, the configuration for detecting the stimulation light incident from the second electrode plate side is adopted. It is also possible. For example, in the configuration shown in FIG. 19, the first electrode plate 12 is an opaque aluminum electrode plate, the charge generation layer 15 made of a selenium layer is formed inside, and the second electrode plate 22 has an ITO layer. If the transparent electrode plate is used, the stimulation light incident from the first electrode plate 12 side (stimulation light hν1 to hν5 irradiated from the left to the right as shown) is blocked by the opaque aluminum electrode plate 12. However, on the contrary, the stimulation light incident from the second electrode plate 22 side (stimulation light irradiated from the right to the left contrary to the figure) is transmitted to the transparent second electrode plate 22 and The light passes through the transparent liquid crystalline charge transport material 30 and reaches the charge generation layer 15 made of selenium. As a result, the charge generated in the charge generation layer 15 moves to the second electrode plate 22 side, and a photocurrent is observed.
[0061]
As described above, the charge generation layer has an effect of enhancing the sensitivity to light in a specific wavelength range. By appropriately selecting a material used as the charge generation layer, light having sensitivity in a desired wavelength range can be obtained. A stimulus detection element can be realized.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a light stimulus detection element capable of realizing a light sensor that can reduce the cost even when small-lot production is performed and has a high degree of freedom in form. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a basic phenomenon in an element using a liquid crystalline charge transport material.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a liquid crystalline charge transport material used in the present invention.
3 is a graph showing a general form of a photocurrent waveform obtained when the device shown in FIG. 1 is irradiated with pulsed stimulation light. FIG.
4 is a graph showing the experimental results of measuring the photocurrent waveform when three elements shown in FIG. 1 are prepared by changing the cell interval d and the same stimulation light hν is irradiated to each of the elements. .
FIG. 5 is a graph showing photocurrent peak values when the intensity of laser light irradiated as stimulation light hν is changed for three elements having different cell intervals d.
FIG. 6 shows a result of an experiment for examining a change in carrier mobility when a cell interval d is changed using a liquid crystal material exhibiting a smectic A phase (SmA) and a liquid crystal material exhibiting a smectic B phase (SmB). It is a graph which shows.
FIG. 7 is a diagram showing a basic configuration of a light stimulus detection element according to an embodiment of the present invention, in which an upper half shows a side sectional view of main components, and a lower half shows main components. A circuit diagram is shown.
8 is a graph showing a photocurrent waveform measured by the current measuring means 50 when any one of pulsed stimulation lights hν1 to hν5 is irradiated on the light stimulus detection element shown in FIG. 7; It is.
9 is a graph showing a photocurrent waveform measured by the current measuring means 50 when two stimulation lights hν2 and hν5 are simultaneously irradiated in FIG. 7;
FIG. 10 is a side sectional view and a circuit diagram showing another embodiment of the light stimulus detecting element according to the present invention.
FIG. 11 is a side sectional view showing still another embodiment of the light stimulus detecting element according to the present invention.
FIG. 12 is a perspective view showing a configuration example when the light stimulus detection element according to the present invention is used as a line sensor.
13 is a perspective view showing an example in which the line sensor shown in FIG. 12 is used as a sheet-like material perforation inspection apparatus.
14 is a top view showing an example of a two-dimensional photosensor configured by arranging a plurality of line sensors shown in FIG. 12. FIG.
FIGS. 15A and 15B are a top view and a front view of a first substrate constituting a part of the two-dimensional photosensor according to the invention. FIGS.
FIGS. 16A and 16B are a top view and a front view of a second substrate constituting a part of the two-dimensional photosensor according to the invention. FIGS.
17 is a perspective view of a two-dimensional photosensor configured by arranging the first substrate shown in FIG. 15 and the second substrate shown in FIG. 16 in a wedge shape.
FIG. 18 is a perspective view of a signal detection element according to an embodiment of the present invention.
19 is a side sectional view and a circuit diagram showing a modification in which a charge generation layer is provided on the first electrode plate side in the embodiment shown in FIG.
[Explanation of symbols]
10, 11, 12, 13 ... 1st electrode plate
15 ... Charge generation layer
20, 21, 22, 23 ... second electrode plate
30 ... Liquid crystalline charge transport material
40: Voltage application means
50 ... Current measuring means
55. Peak duration recognition means
60 ... first substrate
61-67 ... conductive layer
70: Second substrate
71 ... Common conductive layer
80: First substrate
81-84 ... conductive layer
90 ... Second substrate
100: Sheet material
A ... Conveying direction
d: Cell spacing
E ... Applied voltage
G1 to G5, G25 ... graph showing photocurrent waveforms
H ... defective hole
hν, hν1 to hν5… Stimulation light
P, P1 to P5, P25 ... Peak current value
S, S1-S5 ... Shoulder
T1 to T4 ... Input terminals
t1 to t5, tp ... peak duration
te ... period of pulsed light

Claims

The liquid crystal charge transport material is filled between the first electrode plate and the second electrode plate so that the distance from the second electrode plate is different for each part of the first electrode plate. The photocurrent generated when pulsed stimulating light is applied to a predetermined part of one electrode plate with a predetermined voltage applied between both electrode plates is observed. A method for detecting a light stimulus using a liquid crystalline charge transport material, wherein the irradiation position of the stimulus light is detected on the basis thereof.

The light stimulus detection method according to claim 1,
Light using a liquid crystalline charge transport material characterized in that a charge generation layer having a function of generating charge by light stimulation is formed on the surface of the first electrode plate on the liquid crystal charge transport material side Stimulus detection method.

A first electrode plate, a second electrode plate arranged so as to face the first electrode plate, a liquid crystalline charge transport material filled between the two electrode plates, and a predetermined voltage applied between the two electrode plates Voltage applying means, current measuring means for measuring photocurrent generated when pulsed stimulation light is irradiated to a predetermined part of one electrode plate, and peak duration for recognizing the peak duration of the measured photocurrent And a time recognizing means, wherein each portion of the first electrode plate is configured to have a different distance from the second electrode plate, and based on the peak duration, An optical stimulus detection element using a liquid crystalline charge transporting material characterized by detecting an irradiation position.

The light stimulus detection element according to claim 3,
A photostimulation using a liquid crystalline charge transporting material, wherein a charge generation layer having a function of generating a charge by photostimulation is formed on the surface of the first electrode plate on the liquid crystalline charge transporting material side Detection element.

The light stimulus detection element according to claim 3 or 4,
For at least one of the first electrode plate and the second electrode plate, an electrode plate having a plurality of step structures is used, and for each individual part of the first electrode plate based on the steps of the step structure, A photostimulation detecting element using a liquid crystalline charge transporting material, characterized in that the distance to the second electrode plate is different.

The light stimulus detection element according to claim 3 or 4,
For at least one of the first electrode plate and the second electrode plate, an electrode plate having a curved surface is used, and based on the curved surface structure of the electrode plate, for each individual part of the first electrode plate, A photostimulation detecting element using a liquid crystalline charge transporting material, characterized in that the distance to the second electrode plate is different.

The light stimulus detection element according to claim 3 or 4,
The first electrode plate and the second electrode plate are arranged in a wedge shape so that the distance from the second electrode plate is different for each part of the first electrode plate. A light stimulus detection element using a liquid crystalline charge transport material.

In the light stimulus detection element according to any one of claims 3 to 7,
The peak duration recognition means has a function of recognizing a plurality of peak durations based on the measured photocurrent waveform when different portions of the first electrode plate are irradiated with a plurality of stimulation lights; A light stimulus detection element using a liquid crystalline charge transport material, wherein the irradiation positions of the plurality of stimulus lights are detected based on each peak duration.

In the light stimulus detection element according to any one of claims 3 to 8,
Of the individual portions of the first electrode plate, continuous light having a predetermined period T longer than the peak duration of the photocurrent generated when the stimulating light is irradiated to the portion having the largest distance to the second electrode plate. A chopper device that converts the light into pulsed light, and by irradiating the first electrode plate with the pulsed light converted by the chopper device, it is possible to detect light stimulation given as continuous light A light stimulus detecting element using a liquid crystalline charge transporting material.

In the light stimulus detection element according to any one of claims 3 to 9,
A photo-stimulation detecting element using a liquid crystalline charge transport material, wherein a transparent electrode made of a transparent material having conductivity is used as a first electrode plate and a second electrode plate.

In the light stimulus detection element according to any one of claims 3 to 10,
L 6π-electron aromatic rings, M 10π-electron aromatic rings, and N 14π-electron aromatic rings (where L, M, and N each represent an integer of 0 to 4, L + M + N = 1 to 4 A photo-stimulation detecting element using a liquid crystalline charge transporting material, characterized in that a liquid crystal having a smectic liquid crystal phase is used as the liquid crystalline charge transporting material.

A line sensor using the light stimulus detection element according to any one of claims 3 to 11,
Light stimulation in which a pair of elongated electrode plates whose longitudinal directions are directed in the Y-axis direction are used as the first electrode plate and the second electrode plate, and the distance between the two electrode plates gradually changes along the Y-axis direction. A line sensor characterized in that a detection element is formed, and the position of the irradiated stimulation light in the Y-axis direction can be detected based on the measured peak duration of the photocurrent.

A two-dimensional optical sensor using the line sensor according to claim 12,
The line sensors are arranged in the X-axis direction at a predetermined pitch so that the position of the irradiated stimulation light in the X-axis direction and the position in the Y-axis direction can be detected, and the XY of the stimulation light irradiated on the two-dimensional XY plane A two-dimensional optical sensor characterized in that coordinate values can be recognized.

A two-dimensional photosensor using the photostimulation detection element according to any one of claims 3 to 11,
By arranging the first insulating substrate disposed on the XY plane and the second substrate having the conductive layer disposed to face the first substrate in a wedge shape, The distance between the substrates is configured to gradually change along the Y-axis direction, and a plurality of K elongated conductive layers with the longitudinal direction facing the Y-axis direction are arranged on the first substrate at a predetermined pitch on the X-axis. By arranging the conductive layer on the first substrate and the conductive layer on the second substrate as the first electrode plate and the second electrode plate, respectively, in total, K light stimuli A two-dimensional optical sensor characterized in that a detection element is formed so that an XY coordinate value of stimulation light irradiated on a two-dimensional XY plane can be recognized.