JP6085775B2

JP6085775B2 - オプティカルフローセンサ、光センサ及び光電変換素子

Info

Publication number: JP6085775B2
Application number: JP2012270679A
Authority: JP
Inventors: 笠井　克幸; 克幸笠井; 祥雅片桐
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: JP2014116853A

Description

本発明は、オプティカルフローセンサ、光センサ並びに前記オプティカルフローセンサ及び前記光センサに用いられる光電変換素子に関するものである。

従来、例えば自律移動型ロボットでは、その運動を制御するために、特許文献１に示すように、ロボットに搭載された撮像手段により連続する複数の画像データを取得し、互いに異なる時間に取得した複数の画像データからオプティカルフローを抽出し、得られたオプティカルフローから例えば周囲の障害物を検出するように構成されている。

しかしながら、複数の画像データからオプティカルフローを抽出するためには、デジタル演算回路を用いた画像処理機能を如何に高めるかが問題となっており、デジタル技術のみでは限界があり、自律移動型ロボットにおける消費電力、占有空間、コスト等の制約を克服することは困難である。

ところで、特許文献２に示すように、バイオ由来の光受容性タンパク質であるバクテリオロドプシン（ｂＲ）の光化学反応サイクル（プロトンポンプ）を利用した移動体検出素子が考えられている。この移動体検出素子は、表面に複数の画素電極が２次元配列状に形成された第１基板と、表面に対向電極が形成された第２基板と、両電極間に配された誘電体とを備え、前記対向電極の表面にバクテリオロドプシンを含む紫膜の配向膜が形成されている。

しかしながら、この移動検出素子では、光情報（画像）に含まれる移動体の輪郭情報が取得できるものの、その他の移動方向や移動速度は、互いに異なる時間に取得した複数の輪郭情報を用いて演算する必要がある。そうすると、従来の画像データからオプティカルフローを演算するのと同様に、デジタル演算回路を用いた画像処理機能を如何に高めるかが問題となってしまう。

特開２００７−３２００２４号公報特開２０００−２６７２２３号公報

一方、本願発明者は、前記バクテリオロドプシンを用いた双極型光検出器についての研究を行っている。具体的にこの双極型光検出器は、網膜神経節細胞の受容野の機能をシミュレートして、図８に示すように、興奮領域に対応する部分にバクテリオロドプシン薄膜を形成するとともに、抑制領域に対応する部分にバクテリオロドプシン薄膜を形成して構成されている。この双極型光検出器において輪郭情報（エッジ）を移動させると、当該移動に伴って光応答電流が図８に示すように変化する。

そして、本願発明者は、図８に示す特性を生かしてオプティカルフロー検出機能を作り出すことができるのではないかと考え、例えば光受容性タンパク質等の光電変換材料が種類によって光応答時定数が異なることに着目し、これによって本発明がなされたものである。つまり、本発明は、単一の時間に取得した出力電流からオプティカルフローを算出することができるようにすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るオプティカルフローセンサは、光応答時定数が互いに異なる第１光電変換層及び第２光電変換層を有する複数の光電変換素子を平面状に配列して構成されており、前記各光電変換素子から出力される出力電流をパラメータとしてオプティカルフローを算出することを特徴とする。ここで光応答時定数とは、光電変換層が光を受光して光応答電流が発生するまでの応答の速さを示す特性値である。

このようなものであれば、光応答時定数が互いに異なる第１光電変換層及び第２光電変換層を用いているので、それら光電変換層の光応答時定数の違いから移動体における輪郭の移動方向によって光電変換素子から出力される電流が異なることになる。これにより、移動体における輪郭の移動方向を算出することができる。また、それら光電変換層の光応答時定数の違いから移動体における輪郭の移動速度によって光電変換素子から出力される電流が異なることになる。これにより、移動体における輪郭の移動速度を算出することができる。したがって、各光電変換素子からの出力電流をパラメータとしてオプティカルフローを容易に算出することができる。本発明は、互いに異なる時間に取得した複数の出力電流を用いることなく、単一の時間に取得した出力電流によってオプティカルフローを算出することができる。また、このように構成したオプティカルフローセンサの光電変換素子は、外部からの電力供給無しに出力電流を出力するため、省電力化が可能となる。さらに、ロボットに適用した場合には、その姿勢制御や周囲の障害物を検出するためのジャイロセンサ、超音波センサ又はレーダ等のセンシングデバイスを不要とすることが可能となり、ロボットの構造の簡素化や小型化が可能となる。

特に、移動体の輪郭の移動方向を的確に算出するためには、前記各光電変換素子における前記第１光電変換層の受光面及び前記第２光電変換層の受光面が、平面方向において互いにずれて配置されていることが望ましい。

前記複数の光電変換素子からの出力電流値それぞれを、前記複数の光電変換素子に対応して配列して形成される電流分布に基づいてオプティカルフローを算出することが望ましい。例えば、当該電流分布におけるエッジ部分に対応する光電変換素子とゼロクロス部分に対応する光電変換素子とに基づいてオプティカルフローを算出することが考えられる。

前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層の組み合わせが、野生型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質及び遺伝子組み換え型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質、又は、互いに異なる野生型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質、又は、互いに異なる遺伝子組み換え型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質であることが望ましい。これならば、低コストでセンサを構成することができるとともに、大面積化も可能であり、センサに柔軟性を持たせることも容易となる。また、バイオ材料であるため、環境に負担が少ないものとすることができる。

前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層が、バイオ材料由来の光受容性タンパク質からなり、前記光電変換素子が、透光性を有する第１導電性層上に前記第１光電変換層が被膜されてなる第１電極と、第２導電性層上に前記第２光電変換層が被膜されてなる第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極の両方に接触する電解液とを有するものであることが望ましい。

また本発明に係る光センサは、光応答時定数が互いに異なる第１光電変換層及び第２光電変換層を有し、前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層の間に電流出力回路が形成され、前記電流出力回路からの出力電流により光情報を生成することを特徴とする。

さらに本発明に係る光電変換素子は、光応答時定数が互いに異なる第１光電変換層及び第２光電変換層を有し、前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層の間に電流出力回路が形成されていることを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、光応答時定数の互いに異なる第１光電変換層及び第２光電変換層を用いているので、双極型光検出器の出力電流からオプティカルフローを算出することができる。

本実施形態のオプティカルフローセンサの構成を示す模式図。同実施形態の光電変換素子の構成を示す模式図。同実施形態の各光電変換層の光応答電流（時定数）を示す模式図。直線状に配列した複数の光電変換素子により得られる出力電流を示す図（規格化速度ｖ＝１，５，１０，５０，１００）。光電変換素子の変形例を示す図。光電変換素子の変形例を示す図。光電変換素子の変形例を示す図。従来の双極型光検出器の説明図。

以下に本発明に係るオプティカルフローセンサについて図面を参照して説明する。

本実施形態のオプティカルフローセンサ１００は、図１及び２に示すように、光応答時定数が互いに異なる第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２を有する複数の光電変換素子１０を平面状に配列して構成されている。この複数の光電変換素子１０からの出力電流は、オプティカルフロー算出部１１に出力される。なお、平面状に配列された複数の光電変換素子１０は、図１に示すように、縦横マトリックス状に配置されるものの他、所定の中心から放射状に配置されるものであっても良く、種々の配置態様とすることができる。

各光電変換素子１０は、双極型光検出器であり、図２に示すように、透光性を有する第１導電性層２１上に第１光電変換層２２が被膜されてなる第１電極２と、透光性を有する第２導電性層３１上に第２光電変換層３２が被膜されてなる第２電極３と、第１電極２及び第２電極３の両方に接触する電解液４と、第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２の間に形成された電流出力回路５とを有するものである。ここで、第１電極２による電流と第２電極３による電流とは逆向きとなるように構成されている。また、電解液４は、例えば塩化カリウム（ＫＣｌ）溶液である。

第１導電性層２１は、例えばＩＴＯ薄膜等の薄膜状電極であり、透明ガラス基板２３上に形成されている。また、第２導電性層３１も、前記第１導電性層２１と同様に、例えばＩＴＯ薄膜等の薄膜状電極であり、透明ガラス基板３３上に形成されている。なお、透明ガラス基板２３は、複数の光電変換素子１０において共通の単一基板であり、透明ガラス基板３３も同様に、複数の光電変換素子１０において共通の単一基板である。

前記第１導電性層２１の表面に形成された第１光電変換層２２及び前記第２導電性層３１の表面に形成された第２光電変換層３２は、例えばバイオ材料由来の光受容性タンパク質であるバクテリオロドプシン（ｂＲ）から形成された光受容性タンパク質薄膜である。これらの第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２は、ディップコート法を用いて形成されたものであり、引き上げ速度及びバクテリオロドプシン溶液の濃度を制御することによって、例えば膜厚が４ｎｍ〜２００ｎｍとなるように制御されている。なお、その他、膜厚制御が困難であるが、キャスト法を用いて形成しても良いし、スピンコート法を用いても良い。

そして、本実施形態の第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２は、光応答時定数が互いに異なるものである。具体的に第１光電変換層２２は、野生型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質、つまり野生型のバクテリオロドプシンにより形成されており、第２光電変換層３２は、遺伝子組み換えされたバイオ材料由来の光受容性タンパク質、つまり遺伝子組み換えされたバクテリオロドプシン（例えばＤ９６Ｎ変異型バクテリオロドプシン）により形成されている。ここで図３に示すように、野生型のバクテリオロドプシンの光応答時定数は、Ｄ９６Ｎ変異型バクテリオロドプシンの光応答時定数よりも小さい。なお、図３のグラフにおける横軸は、変異型バクテリオロドプシンの立ち上がり時定数で規格化した時間であり、具体的には実験結果から得た時定数を用いて算出される。また、同グラフの縦軸は、光応答電流値であり、任意単位（ａｒｂｉｔｒａｒｙｕｎｉｔ）で表される。

また、本実施形態の光電変換素子１０では、第１光電変換層２２の受光面２２ａ及び第２光電変換層３２の受光面３２ａが、平面方向においてが互いにずれて配置されている。具体的に第１光電変換層２２の受光面２２ａ及び第２光電変換層３２の受光面３２ａが互いに重ならないように配置されている。また、この光電変換素子１０は、網膜神経節細胞の受容野の機能をシミュレートして、興奮領域に対応する部分に第１光電変換層２２が設けられ、その両側である抑制領域に対応する部分に第２光電変換層３２が設けられている。

この光電変換素子１０に照射領域のエッジ（輪郭）が一定速度で移動するように光を照射した場合、照射領域のエッジの移動速度に応じて光電変換素子１０から出力される光応答電流値の変化態様（波形）が異なる。これにより、照射領域の移動速度を算出することができる。

そして本実施形態のオプティカルフローセンサ１００は、複数の光電変換素子１０から出力される出力電流をパラメータとしてオプティカルフローを算出するオプティカルフロー算出部１１を有している。このオプティカルフロー算出部１１は、複数の光電変換素子１０からの出力電流値それぞれを、複数の光電変換素子１０に対応して配列して形成される電流分布に基づいてオプティカルフローを算出するものである。

具体的に算出部１１は、前記電流分布におけるエッジ部分に対応する光電変換素子１０（Ａ）とゼロクロス部分に対応する光電変換素子１０（Ｂ）とに基づいてオプティカルフローを算出する。簡単のため、複数の光電変換素子１０を直線状に配列した場合について図４に示す。なお、図４は、１００個の光電変換素子１０を直線状に配列した場合である。また、規格化速度ｖは、隣接する光電変換素子１０間の距離を変異型バクテリオロドプシンの立ち上がり時定数で割ったものである。規格化速度をｖ＝１，５，１０，５０，１００と変化させた場合の電流分布の変化をそれぞれ図４の（ａ）〜（ｅ）に示している。図４の（ａ）〜（ｅ）から分かるように、移動体（光照射領域）の移動速度に伴って、エッジ部分に対応する光電変換素子１０（Ａ）とゼロクロス部分に対応する光電変換素子１０（Ｂ）の距離が大きくなっており、電流分布から、エッジ部分に対応する光電変換素子１０（Ａ）及びゼロクロス部分に対応する光電変換素子１０（Ｂ）を特定することによって、オプティカルフローを算出することができる。その他、電流分布におけるピーク電流値又は当該ピーク電流値を示す光電変換素子１０に基づいてオプティカルフローを算出するようにしても良いし、電流分布における波形形状に基づいてオプティカルフローを算出するようにしても良い。

このように構成した本実施形態に係るオプティカルフローセンサ１００によれば、光応答時定数が互いに異なる第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２を用いているので、それら光電変換層２２、３２の光応答時定数の違いから移動体における輪郭の移動方向によって光電変換素子１０から出力される電流が異なることになる。これにより、移動体における輪郭の移動方向を算出することができる。また、それら光電変換層２２、３２の光応答時定数の違いから移動体における輪郭の移動速度によって光電変換素子１０から出力される電流が異なることになる。これにより、配列された複数の光電変換素子からの電流分布を用いて移動体における輪郭の移動速度を算出することができる。したがって、各光電変換素子１０からの出力電流をパラメータとしてオプティカルフローを算出することができる。

また、本実施形態のオプティカルフローセンサ１００によれば、互いに異なる時間に取得した複数の出力電流を用いることなく、単一の時間に取得した出力電流によってオプティカルフローを算出することができる。また、このように構成したオプティカルフローセンサ１００の光電変換素子１０は、外部からの電力供給無しに、出力電流を出力するため、省電力化が可能である。さらに、ロボットに適用した場合には、その姿勢制御や周囲の障害物を検出するためのジャイロセンサ、超音波センサ又はレーダ等のセンシングデバイスを不要とすることが可能となり、ロボットの構造の簡素化や小型化が可能となる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態の第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２の組み合わせが、野生型のバクテリオロドプシン及び遺伝子組み換えされたバクテリオロドプシンであったが、その他の組み合わせとしては、互いに異なる野生型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質であっても良いし、互いに異なる遺伝子組み換え型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質であっても良い。また、第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２の光応答時定数が異なるものであれば、第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２が互いに異なる有機化合物であっても良いし、互いに異なる半導体材料であっても良い。

また、光電変換素子１０における第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２としては、図５に示すように、第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２を１つずつ有するものであっても良いし、第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２の一部が平面方向において一部重なるように配置されたものであっても良い。なお、図６に示すように、透明な材料を光電変換層に用いる場合においては、第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２の全体が平面方向に重なるように配置してもよい。また、第１光電変換層２２及び第２光電変換層３２の一部が平面方向に重なるように配置してもよい。

さらに、外部に差分回路を設置する場合または応答極性の異なる光電変換層を用いる場合においては、図７に示すように、光電変換素子１０における第１電極２及び第２電極３を同一の基板に配置したものであっても良い。

加えて、本発明のオプティカルフローセンサは、ロボット・移動体におけるモーション検出、移動車両の相対速度の検出、死角に入った車両や並列・追い越し車両の検出、歩行者・障害物の検出、車両等の衝突危険回避、インターネット等の通信手段を介したロボット、移動体等のリモート制御用センサ等に利用することができる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・オプティカルフローセンサ
１０・・・光電変換素子
２・・・第１電極
２１・・・第１導電性層
２２・・・第１光電変換層
３・・・第２電極
３１・・・第２導電性層
３２・・・第２光電変換層
４・・・電解液
５・・・電流出力回路

Claims

光応答時定数が互いに異なる第１光電変換層及び第２光電変換層を有する複数の光電変換素子を平面状に配列して構成されており、前記各光電変換素子から出力される出力電流をパラメータとしてオプティカルフローを算出するものであり、
前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層の組み合わせが、野生型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質及び遺伝子組み換え型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質、又は、互いに異なる野生型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質、又は、互いに異なる遺伝子組み換え型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質であるオプティカルフローセンサ。
前記複数の光電変換素子からの出力電流値それぞれを、前記複数の光電変換素子に対応して配列して形成される電流分布に基づいてオプティカルフローを算出する請求項１記載のオプティカルフローセンサ。
前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層が、バイオ材料由来の光受容性タンパク質からなり、
前記光電変換素子が、透光性を有する第１導電性層上に前記第１光電変換層が被膜されてなる第１電極と、第２導電性層上に前記第２光電変換層が被膜されてなる第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極の両方に接触する電解液とを有するものである請求項１又は２記載のオプティカルフローセンサ。
光応答時定数が互いに異なる第１光電変換層及び第２光電変換層を有し、前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層の間に電流出力回路が形成され、前記電流出力回路からの出力電流により光情報を生成するものであり、
前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層の組み合わせが、野生型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質及び遺伝子組み換え型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質、又は、互いに異なる野生型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質、又は、互いに異なる遺伝子組み換え型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質である光センサ。
光応答時定数が互いに異なる第１光電変換層及び第２光電変換層を有し、前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層の間に電流出力回路が形成されたものであり、
前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層の組み合わせが、野生型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質及び遺伝子組み換え型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質、又は、互いに異なる野生型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質、又は、互いに異なる遺伝子組み換え型のバイオ材料由来の光受容性タンパク質である光電変換素子。