JP6703387B2 - 薄膜光センサ、２次元アレイセンサ、および指紋センサ付きモバイル用ディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、モバイル用ディスプレイにおいて取得する指紋画像の精細度および解像度を向上させることのできる薄膜光センサ、２次元アレイセンサ、および指紋センサ付きモバイル用ディスプレイに関する。

ディスプレイに薄膜光センサを付加する試みがある（例えば、非特許文献１、２参照）。図５は、非特許文献１において薄膜光センサをディスプレイに付加した具体例を示した図であり、図６は、非特許文献２において薄膜光センサをディスプレイに付加した具体例を示した図である。

薄膜光センサをディスプレイに付加するに当たっては、全部または一部の表示画素内に、薄膜光センサを埋め込む、表示画素の一部を薄膜光センサ画素で置き換える、表示画素と薄膜光センサ画素とを混在させる、あるいは薄膜光センサのみを有する画素を別途設けるなどが試みられている。薄膜光センサは、密着型の画像スキャナや指紋センサ、タッチパネル、あるいは使用環境の明るさ測定といった機能を、ディスプレイに併せ持たせるために使用される。

Ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ （Ｄｒ． Ｈｓｕ， Ｗｅｎ−Ｈｓｉｎｇ）、ｈｔｔｐ：／／ｆｉｎｇｅｒｃｈｉｐ．ｐａｇｅｓｐｅｒｓｏ−ｏｒａｎｇｅ．ｆｒ／ｂｉｏｍｅｔｒｉｃｓ／ｔｙｐｅｓ／ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ＿ｓｅｎｓｏｒｓ＿ｐｈｙｓｉｃｓ．ｈｔｍ 電子情報通信学会２０１４年総会大会［Ｃ−９−５］、「周波数変調出力方式の薄膜フォトセンサ」

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来技術において、薄膜光センサの上方は、より多くの入射光を得るために、広く開口させていた。そのため、１個の薄膜光センサに対して広範囲の方向からの光が混ざって入射していた。

すなわち薄膜光センサアレイにおいては、薄膜光センサアレイより離れた位置に物体がある場合、その物体の非常に広範囲の情報が１個の薄膜光センサに入射することによって、物体の像を結ぶのが困難であった。通常のカメラであれば、フォーカスが全く合っていない状態と同様である。

そのため薄膜光センサは、物体を近接させて用いる指紋センサに好適であるとされていた。ただし、例えばディスプレイ表面の保護膜が厚いなどによって、薄膜光センサとディスプレイ表面との距離が大きい場合には、撮影画像における精細度が低下してぼけが生じてしまう。その結果、例えば、指紋認証の精度が低いなどの問題につながっていた。

また、撮影画像の解像度は、ディスプレイの表示解像度に依存し、これが十分に高くない場合には、やはり、指紋認証の精度が低いなどの問題につながっていた。

撮影画像における精細度の低下、すなわち、ぼけの発生は、１個の薄膜光センサに対して、近隣接する薄膜光センサに対応した物体の位置からの少なくない光も、合わせて入射することに起因する部分が大きい。従って、薄膜光センサに光検出の指向性を持たせることで、撮影画像における精細度低下・ほけは、低減可能である。さらに、物理的な解像度よりも高い解像度の画像を撮影することが要求されていた。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、薄膜光センサの集光特性を改善するとともに、改善された薄膜光センサが指紋センサとして組み込まれたモバイル用ディスプレイにおいて取得した指紋画像の精細度および解像度を向上させることのできる、薄膜光センサ、２次元アレイセンサ、および指紋センサ付きモバイル用ディスプレイを得ることを目的とする。

本発明に係る薄膜光センサは、光電変換領域を備え、光電変換領域での受光量に応じて光検出を行う薄膜光センサであって、光電変換領域の受光面の上方に、光検出に指向性を持たせる構造体をさらに備えるものである。

また、本発明に係る２次元アレイセンサは、本発明の薄膜光センサを用いた２次元アレイセンサであって、指向性を持たせた各薄膜光センサの主検出方向のそれぞれが、２次元アレイによる平面内のある１点を向き、かつ、主検出方向を表す線のそれぞれがディスプレイ表面と交わるそれぞれ点が規則的に配列されるように、各薄膜光センサが配置されているものである。

さらに、本発明に係る指紋センサ付きモバイル用ディスプレイは、光電変換領域を備え、光電変換領域での受光量に応じて光検出を行うとともに、受光面である光電変換領域の上方に、光検出に指向性を持たせる構造体をさらに備えた薄膜光センサを２次元アレイとしてディスプレイに配置することで構成された指紋センサを有し、製造段階において、受光面と対向する平面内で、光電変換領域に対する構造体の相対的な位置関係を所望の位置に変位させることで、指向性を有する２次元アレイを構成する各薄膜光センサの光検出の主検出方向が所望の方向となるように設定する際に、各薄膜光センサの主検出方向のそれぞれが、２次元アレイによる平面内のある１点を向き、かつ、主検出方向のそれぞれがディスプレイ表面と交わるそれぞれ点が規則的に配列されるように設定されているものである。

本発明によれば、光検出に指向性を持たせる構造を備えた薄膜光センサを実現できるとともに、光検出の方向を適切に設定することで、モバイル機器における指紋認証において、高解像度画像を取得できる指紋センサ付きモバイル用ディスプレイを実現できる。この結果、薄膜光センサの集光特性を改善するとともに、改善された薄膜光センサが組み込まれたモバイル用ディスプレイにおいて取得した指紋画像の精細度および解像度を向上させることのできる、薄膜光センサ、２次元アレイセンサ、および指紋センサ付きモバイル用ディスプレイを得ることができる。

本発明の実施の形態１における、光検出の指向性を有する薄膜光センサの構造例を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る各薄膜光センサにおける検出光分布（右側の（ｂ））を従来構造の場合の例（左側の（ａ））と比較して示した図である。 本発明の実施の形態１に係る薄膜光センサにおいて、微小孔２１の位置を変位させることで、光検出の指向性を所望の方向に設定する方法を示した説明図である。 本発明の実施の形態１における光検出指向性を付与した薄膜光センサを、指紋センサ付きモバイル用ディスプレイに適用する際の、指向性方向による高解像度化に関する説明図である。 非特許文献１において薄膜光センサをディスプレイに付加した具体例を示した図である。 非特許文献２において薄膜光センサをディスプレイに付加した具体例を示した図である。

以下、本発明の薄膜光センサ、２次元アレイセンサ、および指紋センサ付きモバイル用ディスプレイの好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。
本発明は、ディスプレイに埋め込まれる薄膜光センサにおいて光検出の指向性を付与したこと、および、指向性が付与された薄膜光センサをモバイル機器の指紋認証に活用し、取得した指紋画像の精細度および解像度の向上を実現すること、を技術的特徴とするものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における、光検出の指向性を有する薄膜光センサの構造例を示した図である。図１に示した薄膜光センサ素子１０は、Ｎ型領域などに相当する第１導電領域１１（斜めのハッチングで示された部分）と、Ｐ型領域などに相当する第２導電領域１２（縦のハッチングで示された部分）との間に、ＰＮ接合の空乏層などに相当する光電変換領域１３（白抜きで示された部分）を備えて構成されている。

そして、指向性を持たせるために、本実施の形態１では、薄膜光センサ素子１０における光電変換領域１３の上方（ディスプレイ表面側）において、図１（ａ）に示すように、微小孔２１を有する遮光層２０を設ける、図１（ｂ）に示すように、光学的に凹レンズのような特性（中央付近ではレンズの特性がなくてもよい）を有する構造３０（以下、凹レンズ構造３０と称す）を形成する、あるいは、図１（ｃ）に示すように、光電変換領域１３と同程度の断面積を有する光導波路４０を形成する、などの構成を備えている。なお、図１（ｂ）、図１（ｃ）中のｎ_Ａ、ｎ_Ｂは、屈折率を意味している。

光電変換領域の直上に、上述した構成を形成することにより、ディスプレイ表面と鉛直な方向（θ＝０°）の光は、従来どおり光電変換領域に入射して検出される。さらに、斜め方向（｜θ｜＞０°）の光は、光電変換領域に入射が困難で、検出され難く、よって、鉛直方向の指向性が付与されることとなる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る各薄膜光センサにおける検出光分布（右側の（ｂ））を従来構造の場合の例（左側の（ａ））と比較して示した図である。具体的には、図２（ａ）は、光検出の指向性を有していない従来の薄膜光センサアレイによって得られる検出光分布を示しており、図２（ｂ）は、光検出の指向性を有している本実施の形態１の薄膜光センサアレイによって得られる検出光分布を示している。

図２（ａ）と図２（ｂ）の比較から明らかなように、本実施の形態１に係る指向性を有する薄膜光センサは、近隣接センサ間における入射光の混ざり込みを、従来よりも減少させることができる。この結果、撮影画像における精細度の向上・ぼけの低減を図ることができる。

また、鉛直方向（θ＝０°）だけではなく、微小孔２１あるいは凹レンズ構造３０の位置を水平（ディスプレイ表面と平行）に変位させることにより、光検出の方向を、鉛直からずれた斜め方向に制御できる。換言すると、ディスプレイの製造段階での作り込みにより、ディスプレイにアレイ状に配置されるそれぞれの薄膜光センサの光検出方向を、所望の方向に設定することができる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る薄膜光センサにおいて、微小孔２１の位置を変位させることで、光検出の指向性を所望の方向に設定する方法を示した説明図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、図３の紙面上で左右方向に相当するｘ方向に微小孔２１の位置を変位させることで、θｘに指向性を持たせることができる状態を示している。同様に、図３（ｄ）〜（ｆ）は、図３の紙面上で上下方向に相当するｙ方向に微小孔２１の位置を変位させることで、θｙに指向性を持たせることができる状態を示している。

図４は、本発明の実施の形態１における光検出指向性を付与した薄膜光センサを、指紋センサ付きモバイル用ディスプレイに適用する際の、指向性の最適設定による高解像度化に関する説明図である。図４（ａ）は、２次元センサアレイにおいて、ディスプレイ表面と平行な面であるＸ−Ｙ平面内での光検出方向が、Ｘ方向の薄膜光センサのそれぞれ、およびＹ方向の薄膜光センサのそれぞれで、ともに平行で、ディスプレイ表面に対して垂直となっている場合を示している。

これに対して、図４（ｂ）は、光検出方向が、Ｘ−Ｙ平面内のある１点を向き、かつディスプレイ表面と各光検出方向を表す線との交点が規則的に配列するように、各薄膜光センサの光検出指向性が設定されている場合を示している。

図４（ｂ）のような配列を採用することによって、ディスプレイに密着させた撮影対象の表面を、薄膜光センサアレイのピッチよりも小さいピッチ（図４（ｂ）の塗りつぶされた丸で示した各点のピッチに相当）で撮影することができる。すなわち、図４（ｂ）のような配列により、ディスプレイの表示解像度よりも高い解像度の画像を取得することが可能となる。

図４に示した適用例は、数ｍｍ角の領域内で細かいパターンの検出を行う指紋検出にとって好適である。そして、図４（ｂ）のような配列を有する２次元センサアレイを、スマートフォンなどのモバイル機器におけるディスプレイの一部に組み込むことができる。これにより、従来、モバイル機器に別途付加していた指紋検出のためのデバイスが不要となり、モバイル機器の省スペース化およびコスト削減を図ることが可能となる。

上述した本実施の形態１に係る薄膜光センサを備えることによる、指紋センサ付きモバイル用ディスプレイの効果を整理すると、以下のようになる。
・ディスプレイに付加した薄膜光センサにおいて、光検出の指向性を付加させることにより、ディスプレイに密着した被写体について、高精細でぼけの少ない撮影が可能となる。
・さらに、製造段階において、光検出の方向を適切に設定することで、センサアレイのピッチよりも細かいピッチによる高解像度画像を取得することができる。
・このような高解像度化技術は、例えば、高精細かつ高解像度の指紋検出のために好適であり、モバイル機器に用いるディスプレイに組み込むことで、モバイル機器の省スペース化およびコスト低減を図ることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、光検出に指向性を持たせる構造を備えた薄膜光センサを実現できる。具体的には、光検出指向性の付与は、光電変換領域の上方に（ａ）微小孔を有する遮光層を設ける、（ｂ）凹レンズのような光学特性を有する構造を設ける、あるいは（ｃ）光電変換領域と同程度の断面積を有する光導波路を形成する、といった手法により実現している。さらに、このような構造の水平位置を変位させることで、光検出方向を、製造段階での作り込みにより、所望の方向に設定することが可能となる。

さらに、本願の薄膜光センサを、モバイル機器における指紋認証に適用する際に、光検出の方向を適切に設定することで、薄膜光センサアレイのピッチよりも小さいピッチで高解像度画像を取得できる。この結果、薄膜光センサの集光特性を改善するとともに、改善された薄膜光センサが組み込まれたモバイル用ディスプレイにおいて取得した指紋画像の精細度および解像度を向上させることのできる、薄膜光センサ、２次元アレイセンサ、および指紋センサ付きモバイル用ディスプレイを得ることができる。

１ ディスプレイ、１ａ 水平端辺、１０ 薄膜光センサ素子（薄膜光センサ）、１１ 第１導電領域、１２ 第２導電領域、１３ 光電変換領域、２０ 遮光層、２１ 微小孔、３０ 凹レンズ構造、４０ 光導波路。

Claims (8)

1. 薄膜光センサを用いた２次元アレイセンサであって、前記薄膜光センサは、
   光電変換領域を備え、前記光電変換領域での受光量に応じて光検出を行う
   とともに、受光面である前記光電変換領域の上方に、前記光検出に指向性を持たせる構造体をさらに備え、
   前記２次元アレイセンサは、
   前記指向性を持たせた前記各薄膜光センサの主検出方向のそれぞれがディスプレイ表面と交わる点が、前記薄膜光センサの配置されたピッチよりも小さいピッチで規則的に配列されるように、前記薄膜光センサが配置されている、
   ２次元アレイセンサ。
2. 前記構造体は、微小孔を有する遮光層で構成されている
   請求項１に記載の２次元アレイセンサ。
3. 前記構造体は、光学的に凹レンズの特性を持つ凹レンズ構造で構成されている
   請求項１に記載の２次元アレイセンサ。
4. 前記構造体は、前記光電変換領域の断面積と同程度の断面積を有する光導波路を有する
   請求項１に記載の２次元アレイセンサ。
5. 前記光導波路に接する誘電層が前記薄膜光センサと前記薄膜光センサの受光面と対向する平面との間に設けられ、前記光導波路の誘電率は前記誘電層の誘電率よりも小さい
   請求項４に記載の２次元アレイセンサ。
6. 前記薄膜光センサは、さらに第１導電領域及び第２導電領域を含み、前記光電変換領域は、前記第１導電領域と前記第２導電領域との間に配置され、
   前記光導波路は、前記光電変換領域と重なり、前記誘電層は前記第１導電領域及び前記第２導電領域と重なる
   請求項５に記載の２次元アレイセンサ。
7. 前記薄膜光センサの前記受光面と対向する平面内で、前記光電変換領域に対する前記構造体の相対的な位置関係を所望の位置に変位させることで、前記指向性を持たせた前記光検出の主検出方向を所望の方向に設定する
   請求項１から４のいずれか１項に記載の２次元アレイセンサの製造方法。
8. 光電変換領域を備え、前記光電変換領域での受光量に応じて光検出を行うとともに、受光面である前記光電変換領域の上方に、前記光検出に指向性を持たせる構造体をさらに備えた薄膜光センサを２次元アレイとしてディスプレイに配置することで構成された指紋センサを有する指紋センサ付きモバイル用ディスプレイの製造方法であって、
   前記受光面と対向する平面内で、前記光電変換領域に対する前記構造体の相対的な位置関係を所望の位置に変位させることで、指向性を有する前記２次元アレイを構成する各薄膜光センサの前記光検出の主検出方向が所望の方向となるように設定する際に、前記各薄膜光センサの前記主検出方向のそれぞれがディスプレイ表面と交わる点が、前記薄膜光センサの配置されたピッチよりも小さいピッチで規則的に配列されるように、前記薄膜光センサを配置する
   指紋センサ付きモバイル用ディスプレイの製造方法。
   

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