JP7460392B2 - Optical Sensor Device - Google Patents
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Description
本発明は、コリメータ、及び、コリメータが搭載された、高解像度の光センサデバイスに関する。 The present invention relates to a collimator and a high-resolution optical sensor device equipped with a collimator.
光電変換を利用した光センサは、画像の認識のみでなく、生体認証等の分野でも使用され、用途が広がっている。光センサを用いる場合、光の入射角度に関連する解像度が問題となる。光センサの受光面側にコリメータを配置することによって、光の入射角度に関連する解像度を向上させることが出来る。 Optical sensors that use photoelectric conversion are used not only for image recognition but also in fields such as biometric authentication, and their applications are expanding. When using optical sensors, the resolution related to the angle of incidence of light becomes an issue. By placing a collimator on the light receiving surface side of the optical sensor, it is possible to improve the resolution related to the angle of incidence of light.
しかし、コリメータにおけるホール、すなわち、コリメータの導光部と、光センサのセンサ素子の位置を正確に合わせなければ、同じ強度の光が入ったとしても、センサ素子毎に出力が変化し、正確な測定を行うことが出来ない。特許文献1には、センサ素子毎に、コリメータのホールを1個対応させるのではく、各センサ素子毎に、複数のホールを対応させることによって光センサデバイスとコリメータの位置合わせに起因する問題を対策する構成が記載されている。 However, if the holes in the collimator, that is, the light guide part of the collimator, and the sensor elements of the optical sensor are not aligned accurately, the output will vary from sensor element to sensor element even if the same intensity of light enters, resulting in accurate Unable to perform measurements. Patent Document 1 discloses that instead of making each sensor element correspond to one collimator hole, each sensor element is made to correspond to a plurality of holes, thereby solving problems caused by alignment between the optical sensor device and the collimator. The configuration to take measures is described.
光センサ装置の表示面にコリメータを配置することによって空間的な解像度を向上させるたには、コリメータのアスペクト比を大きくする必要がある。コリメータのアスペクト比は、コリメータにおけるホール、すなわち導光部の平面での径と導光部の深さの比で定義される。すなわち、導光部の径が小さく、深さが大きいほうがアスペクト比を大きくすることが出来る。 In order to improve spatial resolution by disposing a collimator on the display surface of an optical sensor device, it is necessary to increase the aspect ratio of the collimator. The aspect ratio of a collimator is defined by the ratio of the hole in the collimator, ie, the diameter of the light guide in a plane, to the depth of the light guide. In other words, the smaller the diameter of the light guiding portion and the larger the depth, the larger the aspect ratio can be.
しかし、径が小さく、かつ、深さが大きいホール、すなわち導光部を形成することは難しい。特に、解像度を上げるために、センサ素子のピッチを小さくすると、深いホールを高密度で形成することが、より難しくなる。 However, it is difficult to form holes, i.e. light guides, that are small in diameter and deep. In particular, if the pitch of the sensor elements is reduced to increase resolution, it becomes even more difficult to form deep holes at high density.
本発明の課題は、光センサ装置にアスペクト比の大きなコリメータを搭載することを可能とするための構成を実現することである。 The objective of the present invention is to realize a configuration that enables a collimator with a large aspect ratio to be mounted on an optical sensor device.
本発明は上記課題を解決するものであり、主な具体的な手段は次のとおりである。 The present invention aims to solve the above problems, and the main specific means are as follows:
(1)受光装置、コリメータ、発光装置を有する光センサ装置であって、前記コリメータは、前記受光装置と前記発光装置の間に配置し、前記コリメータは、第1のコリメータと第2のコリメータを含む複数層が積層された構成であり、前記第1のコリメータと前記第2のコリメータは遮光性の樹脂に光を通過させるホールが形成された構成であり、nを4以上の整数とした場合、平面で視て、前記第1のコリメータに形成された第1のホールはn角形であり、前記第2のコリメータに形成された第2のホールは前記第1のホールと中心が同じで、第1のホールに対して、360度/2n回転した構成であることを特徴とする光センサ装置。 (1) An optical sensor device having a light receiving device, a collimator, and a light emitting device, the collimator being disposed between the light receiving device and the light emitting device, the collimator being configured by stacking multiple layers including a first collimator and a second collimator, the first collimator and the second collimator being configured by forming holes through which light passes in a light blocking resin, and the optical sensor device being configured such that, when n is an integer of 4 or more, the first hole formed in the first collimator is an n-sided polygon in plan view, and the second hole formed in the second collimator is centered at the same center as the first hole and is rotated 360 degrees/2n with respect to the first hole.
(2)受光装置、コリメータ、発光装置を有する光センサ装置であって、前記コリメータは、前記受光装置と前記発光装置の間に配置し、前記コリメータは、第1のコリメータと第2のコリメータを含む複数層が積層された構成であり、前記第1のコリメータは遮光性の樹脂に光を通過させる第1のホール内に透明樹脂が形成された構成であり、第2のコリメータは遮光性の樹脂に光を通過させる第2のホールが形成された構成であり、nを4以上の整数とした場合、平面で視て、前記第1のコリメータに形成された第1のホールはn角形であり、前記第2のコリメータに形成された第2のホールは前記第1のホールと中心が同じで、第1のホールに対して、360度/2n回転した構成であることを特徴とする光センサ装置。 (2) An optical sensor device having a light receiving device, a collimator, and a light emitting device, the collimator being disposed between the light receiving device and the light emitting device, the collimator being configured by stacking multiple layers including a first collimator and a second collimator, the first collimator being configured by forming a transparent resin in a first hole that allows light to pass through the light blocking resin, the second collimator being configured by forming a second hole that allows light to pass through the light blocking resin, and the optical sensor device being configured such that, when n is an integer of 4 or more, the first hole formed in the first collimator is an n-sided polygon in plan view, and the second hole formed in the second collimator is centered at the same center as the first hole and is rotated 360 degrees/2n with respect to the first hole.
(3)受光装置、コリメータ、発光装置を有する光センサ装置であって、前記コリメータは、前記受光装置と前記発光装置の間に配置し、前記発光装置の基板は透明樹脂で形成され、前記コリメータは、前記発光装置の前記基板と対向し、前記コリメータは、第1のコリメータと第2のコリメータを含む複数層が積層された構成であり、前記第1のコリメータと前記第2のコリメータは遮光性の樹脂に光を通過させるホールが形成された構成であり、nを4以上の整数とした場合、平面で視て、前記第1のコリメータに形成された第1のホールはn角形であり、前記第2のコリメータに形成された第2のホールは前記第1のホールと中心が同じで、第1のホールに対して、360度/2n回転した構成であり、前記第2のホールには前記発光装置の基板と同じ材料の透明樹脂が存在していることを特徴とすることを特徴とする光センサ装置。 (3) An optical sensor device having a light receiving device, a collimator, and a light emitting device, the collimator is disposed between the light receiving device and the light emitting device, the substrate of the light emitting device is formed of a transparent resin, the collimator faces the substrate of the light emitting device, the collimator is configured by stacking multiple layers including a first collimator and a second collimator, the first collimator and the second collimator are configured by forming holes through which light passes in a light blocking resin, and when n is an integer of 4 or more, the first hole formed in the first collimator is an n-sided polygon in a plan view, the second hole formed in the second collimator has the same center as the first hole and is rotated 360 degrees/2n with respect to the first hole, and the second hole is made of a transparent resin of the same material as the substrate of the light emitting device. An optical sensor device characterized in that the second hole is made of a transparent resin of the same material as the substrate of the light emitting device.
以下に実施例を用いて本発明の内容を詳細に説明する。 The contents of the present invention will be explained in detail below using Examples.
図1は、本発明における光センサ装置を示す断面図である。図1の構成は、受光装置10の上にコリメータ20が配置し、その上に発光装置30が配置している。発光装置30は、上面が保護ガラス34によって保護されており、この保護ガラス34の上に被測定物40を載置する。指認証装置であれば、被測定物40は人間の指である。
FIG. 1 is a sectional view showing an optical sensor device according to the present invention. In the configuration of FIG. 1, a
図1において、受光装置10は第1基板100の上に複数の受光素子11が形成され、受光素子11を覆って第1保護膜12が形成されている。第1保護膜12の上にコリメータ20が配置している。コリメータ20は、導光部となるホール21(以後ホールという)と黒色の遮光樹脂22で形成されている。コリメータ20のホール21は受光装置10の受光素子11に対応して形成されている。図1では、受光装置10の上にコリメータ20が連続して形成されている。
In FIG. 1, the
コリメータ20の上に発光装置30が形成されている。発光装置30は、第2基板200の上に複数の発光素子32が形成され、これを覆って第2保護膜33が形成されている構造である。発光素子32は、平面で見て、コリメータ20のホール21の部分には形成されず、遮光樹脂22に対応する部分に形成されている。第2保護膜33の上には、ガラス等で形成された保護基板34が形成されている。
A
図1において、被測定物40は保護基板34の上に載置される。指認証システムであれば、被測定物40は人間の指である。発光装置30における発光素子32から放射された光は被測定物40で反射し、コリメータ20のホール21を通過して受光装置10の受光素子11で検知される。コリメータ20のアスペクト比が大きいほど、解像度を上げることができる。
In FIG. 1, an object to be measured 40 is placed on a
図1に示す光センサ装置における画像検出には、受光装置10において、受光面を走査して光電流を検出してもよいし、発光装置30において、光を走査することによって検出してもよい。受光装置10において光電流を走査して検出する場合は、発光装置30では、かならずしも、各発光素子32にスイッチング素子を設ける必要はなく、全発光素子を画一的にON、OFFすればよい。一方、発光装置30において、光を走査する場合、受光装置10においては、かならずしも、各受光素子11にスイッチング素子を設ける必要はない。ただし、検出精度を向上させるために、受光装置10、発光装置30を同時に走査して信号を取り出す場合もありうる。
For image detection in the optical sensor device shown in FIG. 1, the photocurrent may be detected by scanning the light receiving surface in the
図2および図3は、受光装置10において、マトリクス状に形成された受光素子11を走査して信号を検出する場合の例である。図2は、受光装置の10の構成を示す等価回路である。図2において、第1基板100には、受光素子11がマトリクス状に形成されている。第1基板100の大きさは、例えば、横方向の径xxが3cm、縦方向の径yyが3cmである。第1基板100には、走査線51が横方向(x方向)に延在し、縦方向(y方向)に配列している。検出線52と電源線53が縦方向に延在し、横方向に配列している。走査線51と検出線52、あるいは、走査線51と電源線53で囲まれた領域が受光素子11となっている。各受光素子11内には、スイッチングTFT(Thin Film Transistor)16とPIN型フォトダイオード15、及び蓄積容量17が形成されている。蓄積容量17の一方の電極はTFT16のソースと接続し、他方の電極は、例えば基準電位に接続する。
FIGS. 2 and 3 are examples of a case where the
センサ領域外側の横方向には走査線駆動回路55が配置し、上方向には電源回路57が配置し、下方向には検出回路56が配置している。走査線駆動回路55や検出回路56は、TFTで形成されている。走査線駆動回路55内のシフトレジスタによって、走査線51が上方向から順次選択される。
A scanning
電源線53は、各フォトダイオード15のアノードと接続し、縦方向に延在して、センサ領域上側における電源回路57において、同一電源に接続される。そして、電源線53にはアノード電位が供給される。検出線52は、スイッチングTFT16のドレインと接続し、スイッチングTFT16のソースは、フォトダイオード15のカソードと接続する。検出線52は、各受光素子54から下方向に延在し、検出回路56にて光電流が検出される。図2において、走査線51によって選択された受光素子に光が照射されると、フォトダイオード15に光電流が発生し、この光電流を、検出線52を通して検出回路56にて検出する。受光素子54は、走査線51と検出線52とによってランダムアクセスが可能となっている。
The
図3は、図2の受光装置10の上にコリメータ20を積層した状態を示す断面図である。図3において、第1基板100の上に窒化シリコン(SiN)と酸化シリコン(SiO)の積層膜による下地膜101を形成する。第1基板100からの不純物がTFTを構成する半導体膜104を汚染することを防止するためである。SiO膜の厚さは、例えば200nm、SiN膜の厚さは例えば20nmである。なお、第1基板はガラス基板でも樹脂基板でもよい。
Figure 3 is a cross-sectional view showing the state in which the
下地膜101の上に、遮光膜102を金属で形成する。遮光膜102は上方に形成されるTFTに対する遮光膜となる。遮光膜102は、所定の電位を供給することによって基板100の帯電によるTFTへの影響を防止するシールド電極として使用することも出来るし、ゲート電圧を加えることによってボトムゲートとして使用することも出来る。
A
遮光膜102を覆って絶縁膜103を、SiO膜あるいはSiO膜とSiN膜の積層膜で形成する。絶縁膜103の上にTFTを構成するための半導体膜104を形成する。半導体膜104は酸化物半導体、ポリシリコン、あるいは、a-Si等で形成することができるが、図3では酸化物半導体を用いている。酸化物半導体として、例えば、IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)が使用される。酸化物半導体膜104のドレイン領域に積層してドレイン電極105が形成され、ソース領域に積層してソース電極106が形成されている。
An insulating
酸化物半導体104を覆って第2ゲート絶縁膜107がSiO膜で形成される。SiO膜から酸素が酸化物半導体膜104に供給され、酸化物半導体膜104の特性を安定させる。第2ゲート絶縁膜107の上にゲート電極108が金属あるいは合金によって形成される。第2ゲート絶縁膜107の上に、TFTとは別な場所に、図2における蓄積容量を形成するための、容量電極109が形成されている。
A second
ゲート電極108、容量電極109を覆って層間絶縁膜110が形成される。層間絶縁膜110はSiO膜とSiN膜の積層構造の場合が多い。第2ゲート絶縁膜107、層間絶縁膜110を貫通し、スルーホール121を形成してドレイン配線(検出線)111とドレイン電極105を接続し、スルーホール122を形成してソース電極106とコンタクト電極112を接続する。ドレイン配線112は図2における検出線52に対応する。
An interlayer insulating
ドレイン配線111、コンタクト電極112を覆って有機パッシベーション膜113が形成される。有機パッシベーション膜113は浮遊容量を低減するために、2ミクロン程度に厚く形成される。有機パッシベーション膜113には、TFTのソース電極112と接続しているコンタクト電極112とフォトダイオードのカソード123を接続するためのスルーホール123が形成される。
An
有機パッシベーション膜113の上にTiによってカソード114が形成される。カソード114は厚さが100nm程度であり、有機パッシベーション膜113の上及びスルーホール123内に形成される。カソード114の上に光導電膜115が形成される。光導電膜115はPIN構造となっており、カソード114の上に厚さ40nm程度でn+層1151が形成され、その上に厚さ600nmでi層(a-Si層)1152が形成され、その上に厚さ30nmでp+層1153が形成された構成である。なお、PIN膜130のこれらの値は例である。n+層1151、i層1152、p+層1153は全てa-Siで形成される。これらは、全てCVDによって連続して形成することが出来る。また、シリコン以外、有機半導体を用いることも可能である。
The
p+層1153の上にアノードとしてのITO(Indium TinOxide)膜116が、例えば、厚さ50nmで形成される。その後、電気的なリークを防止するために、第2層間絶縁膜117を例えばSiNによって形成する。第2層間絶縁膜117には、アノード116の表面に開口部が形成され、この部分からアノード電位を、アノード配線(電源線)118を介して供給している。
An ITO (Indium Tin Oxide)
アノード配線118は、厚さ100nmのTi膜、厚さ300nmのアルミニウム膜、厚さ100nmのTi膜の積層構造によって形成される。アノード配線118、アノード116、第2層間絶縁膜117等を覆って無機パッシベーション膜119が、例えばSiNによって形成される。
The
この状態では、表面は厚さが200nm程度のSiN膜119であるので機械的な強度が十分でない。そこで、光センサを機械的に保護するために、無機パッシベーション膜119の上に透明有機保護膜120を、例えばアクリル樹脂で形成する。透明有機保護膜120は平坦化膜を兼ねているので、例えば2μm程度と、厚く形成される。以上で受光装置10は完成するが、受光装置10は、図2、図3以外の構成を使用することも可能である。
In this state, the surface is a
図3において、受光装置10の透明保護膜120の上にコリメータ20を形成する。コリメータ20は遮光樹脂膜22内に導光部であるホール21が形成された構成である。遮光樹脂膜22の材料としては、例えば表示装置に使用されるブラックマトリクスと同じ材料を使用することができる。遮光樹脂膜22の材料として感光性の樹脂を使用すれば、遮光樹脂膜22内にレジストを用いず、直接ホール21を形成することができる。コリメータ20の構成及び製造方法は後で説明する。なお、遮光樹脂膜は、黒色に限らず、所定の波長の光のみを遮光する膜であってもよい。また、遮光とは、ホールの透過率よりも低い透過率を有することである。
In FIG. 3, the
コリメータ20の上に発光装置30を配置する。発光装置30は、第2基板200の上に発光素子32が形成され、これを覆って保護膜33が形成され、その上に保護基板34が形成された構成である。発光素子30からの光Lは、被測定物40で反射し、受光装置10において、光電流として検出される。
A
図2に示すように、検出した光電流は検出線52を通して検出回路56にてデータとして取り込まれる。つまり、受光装置10において、走査線51を走査しながら各受光素子のデータを取り込むことによって必要なデータを取得することができる。したがって、図2および図3の構成では、発光装置30には、走査回路や検出回路は、必ずしも必要ではなく、各発光素子30を画一的にON、OFFさせることによって、動作させることも可能である。言い換えると、図2、図3で説明した受光装置10を用いれば、発光装置30は、必ずしもランダムアクセスの構成は必要ではない。
As shown in FIG. 2, the detected photocurrent is taken in as data by a
図4乃至図6は、発光装置30を走査することによって画像データを検出する構成の説明図である。言い換えると、図4乃至図6は、発光装置30をランダムアクセス可能にする場合の構成である。図4乃至6は、発光装置30として有機EL表示装置と同様な構成を用いている。ただし、図6に示すように、発光層の一部に透過領域400を形成し、この部分から、被測定物40から反射した光を受光装置10に入射させる。
Figures 4 to 6 are explanatory diagrams of a configuration for detecting image data by scanning the light-emitting
図4は、発光装置30として有機EL表示装置と同様な構成を用いた場合の平面図である。発光領域60には、走査線61が走査線駆動回路65から横方向に延在し、縦方向に配列している。信号線62が信号回路66から上方向に延在し、横方向に配列している。また、電源線63が電源回路67から下方向に延在し、横方向に配列している。走査線61と信号線62、あるいは走査61線と電源線63で囲まれた領域に発光素子32が形成されている。各発光素子32は、走査線61と検出線62によってランダムアクセスすることができる。
Figure 4 is a plan view of a light-emitting
図5は各発光素子32の等価回路である。図5において、走査線61と信号線62、あるいは、走査線61と電源線63で囲まれた領域に有機EL層で構成された発光層ELが形成されている。図5において、走査線61に走査信号が印加されると、スイッチングTFT(T1)がONし、信号線62から発光信号が保持容量Chに蓄積される。駆動TFT(T2)は保持容量Chの電圧に応じて電源線から発光層ELに電流を供給する。図5において、Vaはアノード電圧であり、Vkはカソ―ド電圧である。
FIG. 5 shows an equivalent circuit of each light emitting
図6は、発光装置30として有機EL表示装置と同様な構成を用いた場合の断面図である。図6において、受光装置10の上にコリメータ20が形成されている。受光装置10は、スイッチング素子を持たない単純な受光素子11で構成してもよいし、図2、図3で説明したようなランダムアクセス可能な受光素子10で構成してもよい。コリメータ20については後で説明する。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a case where the
図6において、コリメータ20の上に第2基板200が形成されている。第2基板200はガラスでもよいし、ポリイミドのような透明樹脂でもよい。第2基板200に透明樹脂を使用すれば、コリメータ20の上に連続したプロセスで発光装置30を形成することができる。第2基板30を透明樹脂で形成する場合、レベリング効果によって、硬化前の樹脂がコリメータ20のホール21内に流れ込む場合がある。この場合は、コリメータ20のホール21内がポリイミドの屈折率になる。つまり、光は、第2基板200とコリメータ20のホール21との間で屈折しない。
In FIG. 6, the
図6において、下地膜101から有機パッシベーション膜140の上にドレイン配線111とコンタクト電極112を形成するまでは図3と同じなので説明を省略する。
In FIG. 6, the process from the
図6において、有機パッシベーション膜140の上にアノードとしての下部電極150が形成されている。下部電極150は、下層がAlあるいはAg等で形成された反射電極で、上層がITO等で形成されたアノードとなっている。下部電極150の上に、凹部を有するバンク160が形成されている。バンク160の凹部に発光層としての有機EL層151が形成されている。
In FIG. 6, a
有機EL層151の上にカソードとしての上部電極152が透明導電膜によって形成されている。上部電極152は各画素共通に形成されている。上部電極152を覆ってシリコン窒化膜等を有する無機保護膜153が形成されている。無機保護膜153の上に平坦化膜あるいは接着材を兼ねた有機保護膜33が形成され、その上にガラス等で形成された保護基板34が形成されている。
An
被測定物40は、発光装置30の保護基板34の上に載置される。図6において、有機EL層151の中央付近には開口部400が形成され、被測定物40から反射した、矢印で示す光Lが開口部400及びコリメータ20のホール21を介して受光装置10に入射することができるようになっている。発光装置10がランダムアクセス可能であれば、受光装置10は、単純にON、OFFするものでもよいし、必要に応じて、図2及び図3で説明したようなランダムアクセス可能とするものであってもよい。なお、発光装置として、表示用に用いられる有機EL表示装置を用い、受光装置を駆動する際、有機EL表示装置は所定の波長の光(例えば緑)を発光させるものであってもよい。
The object to be measured 40 is placed on the
図7はコリメータ20の斜視図である。図7では、受光装置10の上にコリメータ20が配置している。コリメータ20は、黒色の感光性樹脂22に光を通すためのホール21が形成された構造である。各ホール21は、発光装置30の発光素子32、あるいは、受光装置10の受光素子11に対応して形成されている。ただし、本発明は、1個の発光素子32、あるいは、1個の受光素子11に対応して複数のホール21が対応する場合にも適用することができる。
FIG. 7 is a perspective view of the
図7では、コリメータ20のホール21の平面形状は円である。ホール21は、感光性黒色樹脂22を露光することによって形成するが、この感光性樹脂22はネガ型を使用する必要がある。ネガ型の感光性樹脂22に円形のホールを形成しようとすると、十分なパターニング精度を得ることができない。一方、ネガ型の感光性樹脂22は、平面が角型であるパターニングは、精度よく行うことができる。
In FIG. 7, the planar shape of the
図8は、平面形状が正方形であるホール21が感光性黒色樹脂22内に形成されたコリメータ20の斜視図である。図8のようなコリメータ20は、ネガ型感光性樹脂22を使用する場合は、精度よくパターニングすることができる。図9は、図8に示すコリメータ20の平面図である。感光性黒色樹脂22内にホール21がマトリクス状に形成されている。図9において、ホール21は、1辺の長さがaの正方形であり、例えば、aはパターニング精度から、現状では、10ミクロン以上となっている。横方向ピッチpx、縦方向ピッチpyは必要な解像度に応じて決められる。
Figure 8 is a perspective view of a
図10は図9のA-A断面図である。図10において、コリメータ20の厚さはhである。コリメータ20のアスペクト比は、h/aで定義される。アスペクト比が大きいほど、光センサ装置としての解像度を上げることができる。アスペクト比は、5以上とする必要があり、好ましくは10以上、さらに好ましくは20以上である。
FIG. 10 is a sectional view taken along line AA in FIG. In FIG. 10, the thickness of the
図9および図10に示すようなコリメータ20は次のような2つの問題を有している。第1の問題は、このような大きなアスペクト比を有するホールは加工が困難であるということである。この問題を解決するために、本発明では、図10に示すように、コリメータ20を積層構造とし、各層毎にホール21を形成する。図10では、コリメータ20を2層に分けて形成する場合であり、各層におけるアスペクト比はh/2aとすることができる。
The
第2の問題は、図9に示すように、平面におけるコリメータ20のホール21の径が、方位角方向の角度によって異なるということである。すなわち、コリメータのアスペクト比は、x方向ではh/aであるのに対し、x方向と45度の方向では、アスペクト比はh/a√2となることである。つまり、方向によってアスペクト比が異なることになり、測定精度を悪化させる。
The second problem is that, as shown in Figure 9, the diameter of the
図11乃至図13は、この問題を図によって示したものである。図11において、コリメータ20に正方形のホール21が形成されている。図12は、図11のB-B断面である。図11のコリメータの取り込み角度はθ1である。図13は、図11のC-C断面である。図13のコリメータの取り込み角度はθ2である。θ2のほうがθ1より大きい。
FIGS. 11-13 illustrate this problem graphically. In FIG. 11, a
そこで、実施例1では、平面が正方形であるホール21を、平面で見て各層毎に45度ずらしている。これによって、方位角方向によるアスペクト比の差は大幅に緩和される。図14は本実施例におけるコリメータ20の平面図であり、図15乃至図17は断面図である。図14において、下側の層に形成されたホール21は、辺がx方向であり、上側の層に形成されたホール21は対角軸がx方向となっている。
Therefore, in the first embodiment, the
図15は図14のD-D断面図である。図15においては、上側の層のほうがホール21の径が大きくなっており、取り込み角度はθ3である。θ3は、図13におけるθ2よりも小さい。
FIG. 15 is a sectional view taken along line DD in FIG. 14. In FIG. 15, the diameter of the
図16は図14のE-E断面図である。図16においては、上側の層のほうがホール21の径が小さくなっているが、取り込み角度は図15と同じθ3である。
FIG. 16 is a sectional view taken along line EE in FIG. In FIG. 16, the diameter of the
図17は、図14のF-F断面図であり、取り込み角度はθ4である。図17は、図14の構成において、取り込み角度が最も小さくなる角度であるが、θ4は図12におけるθ1よりも大きい。 FIG. 17 is a sectional view taken along line FF in FIG. 14, and the intake angle is θ4. 17 shows the angle at which the intake angle is the smallest in the configuration of FIG. 14, but θ4 is larger than θ1 in FIG. 12.
ここで、重要な点は、取り込み角度の絶対値よりも、取り込み角度の差である。図11乃至図13の構成は取り込み角度の差は、(θ2-θ1)であるのに対し、図14乃至図17の構成では、取り込み角度の差は(θ3-θ4)であり、(θ3-θ4)は(θ2-θ1)に比べて大幅に小さくなっている。したがって、図14乃至図17の構成のほうが、優れたコリメータ特性を得ることが出来る。 Here, the important point is the difference between the take-in angles rather than the absolute value of the take-in angles. In the configurations shown in FIGS. 11 to 13, the difference in intake angle is (θ2-θ1), whereas in the configurations shown in FIGS. 14 to 17, the difference in intake angle is (θ3-θ4), and (θ3-θ1). θ4) is significantly smaller than (θ2−θ1). Therefore, the configurations shown in FIGS. 14 to 17 can provide better collimator characteristics.
コリメータの層を重ねるほど、アスペクト比を大きくできる。しかし、取り込み角で比較した場合、かならずしも、単純に向上するとは限らない。図18の左側の図は、コリメータ20を3層で構成した場合における、図14のD-D断面図である。図14の上側の層と同一形状の層を最下層に設けたものである。この場合の、取り込み角度はθ5である。図18の右側の図は、コリメータ20を3層で構成した場合における、図14のE-E断面図である。この場合の、取り込み角度はθ6である。θ5のほうがθ6よりも大きい。すなわち、コリメータ20を2層で構成した場合、図14におけるx方向の取り込み角度とx方向と45度の方向における取り込み角度を比較した場合、2層の場合よりも、3層の場合のほうが悪化している。
The more layers of collimators are added, the larger the aspect ratio can be. However, when compared in terms of intake angle, it is not always the case that the improvement simply occurs. The diagram on the left side of FIG. 18 is a sectional view taken along line DD in FIG. 14 in the case where the
図19は、コリメータ20を4層で構成した場合の断面図である。図19の左側の図は、コリメータ20を4層で構成した場合における、図14のD-D断面図である。この場合の、取り込み角度はθ7である。図19の右側の図は、コリメータ20を4層で構成した場合における、図14のE-E断面図である。この場合の、取り込み角度はθ7である。すなわち、取り込み角度の差は再び小さくなっている。
FIG. 19 is a cross-sectional view of the
したがって、コリメータ20における取り込み角度の、方位角による差を小さくするためには、偶数層、積層することが好ましい。ただし、奇数層であっても、層数が大きい分、取り込み角の絶対値が小さくなる。つまり、取り込み角の絶対値が小さくなった分、差も小さくなるといえる。したがって、層数を増やすことによって、コリメータ20のアスペクト比は大きくなり、コリメータとしての性能は向上するが、より向上させるためには、可能であれば、偶数層積層することが望ましいということである。また、図14では、層に形成されている正方形のホールを45度ずらす構成を開示しているが、特に制限されるものではなく、層の数をmとした場合、各層の正方形を90/m度ずつずらせるものであってもよい。
Therefore, in order to reduce the difference in the intake angle depending on the azimuth angle in the
実施例1は、発光素子32、コリメータ20のホール、受光素子11をx方向、y方向に整列して配置している。しかし、検出解像度を上げるために、発光素子32、あるいは、受光素子11をデルタ配置するほうが良い場合がある。図20は、発光素子32又は受光素子11をデルタ配置した場合の平面図である。発光素子32又は受光素子11をデルタ配置とした場合の細密充填は、各素子を6角形にすることである。このような配置であっても、配線領域等は必要である。図20では、配線等に必要な幅をd1で表している。
In the first embodiment, the light-emitting
発光素子32又は受光素子11をデルタ配置した場合、コリメータ20のホール21の平面形状も6角形とするのが良い。コリメータ20のホール21の中心と発光素子32又は受光素子11の中心がずれた場合に対する裕度d2を、全方向において同じ値、確保することができるからである。
When the
コリメータ20のホール21の平面形状を6角形とした場合であっても、方位角による取り込み角の問題は存在する。図20に示すように、y方向のホールの径bとy方向から30度傾いた方向の径aが異なるからである。なお、ホール21の平面が6角形の場合のコリメータ20のアスペクト比は、コリメータ20の高さをhとした場合、h/aで定義される。
Even when the planar shape of the
図21は、実施例2におけるコリメータ20に形成されるホール21の平面形状である。図21において、コリメータ20を2層で構成している。ただし、下層の6角形のホール21に対して、上層の6角形のホール21を、方位角方向で30度回転して配置している。
Figure 21 shows the planar shape of the
図22は、図21のG-G断面図である。図22におけるコリメータ20の取り込み角度はθ11である。図23は、図21のH-H断面図である。図23におけるコリメータ20の取り込み角度は、図22と同じθ11である。つまり、ホールが4角形の場合と同様に、コリメータ20のホール21における取り込み角の差を軽減することが出来る。
FIG. 22 is a sectional view taken along line GG in FIG. 21. The intake angle of the
コリメータ20を3層以上で形成する場合も、実施例1において、図18乃至図19で説明した場合と同じである。以上は、ホール21の平面形状が6角形の場合について説明したが、5角形、あるいは、7角形以上の場合も同様である。つまり、実施例1及び実施例2で示しているように、コリメータ20を積層構造で形成し、ホール21の平面形状をn角形とする場合、第1層におけるホール21に対して、第2層におけるホール22を、平面において360/2n回転させることによって、コリメータ20の方位角方向におけるアスペクト比の差を小さくすることが出来る。なお、n角形における角部は、直線と直線とが交差するといった厳密な形状である必要はなく、丸みを帯びた角部を有するものであってもよい。角部に丸みを帯びさせることで、角度による取り込み角の差異を小さく出来る場合もある。
The case where the
図24A乃至図24Dは、コリメータ20を積層して形成する場合の問題点を示す断面図である。コリメータ20は、ネガ型の感光性黒色樹脂22をパターニングして形成する。図24Aは、第1層のための感光性黒色樹脂221を、受光装置10の上に塗布した状態を示す断面図である。以後の図もコリメータ20は受光装置10の上に形成するとして説明する。図24Bは、露光マスクを用いて露光し、感光性黒色樹脂221をパターニングしてホール21を形成した状態を示す断面図である。
24A to 24D are cross-sectional views showing problems when forming the
図24Cは第2層を形成するための感光性黒色樹脂222を塗布した状態を示す断面図である。図24Cにおいて、第2層を構成する樹脂222が第1層のホール21にも充填される。コリメータ22の第1層の厚さをh1とし、第2層の厚さをh2とした場合、ホール21における感光性黒色樹脂222の厚さはh1+h2となる。そうすると、第1層のホール部分21における第2層の感光性黒色樹脂222は厚いために、同じ現像条件では、十分に除去できないために、残渣225が存在することになる。
FIG. 24C is a cross-sectional view showing a state in which a photosensitive
図25Aおよび図25Bはこれを対策する第1の形態を示す断面図である。図25Aにおいて、コリメータを構成する第1層221の上に第2層を構成する感光性黒色樹脂222が塗布されている。第2層222の厚さh2は第1層221の厚さh1よりも大きい。図25Aにおいて、ホール21における第2層の感光性黒色樹脂222の厚さh1+h2と第1層221の上の第2層の感光性黒色樹脂222の厚さh2の差が大きくなければ、同じ現像条件でも、第1層221のホール21内に第2層の感光性黒色樹脂222の残渣225が残らないようにすることが出来る。この状態を図25Bに示す。
FIGS. 25A and 25B are cross-sectional views showing a first form of countermeasure against this problem. In FIG. 25A, a photosensitive
図26A乃至図27Bは実施例3における第2の形態を示す断面図である。図26Aは、第1層221にホール21を形成した断面図であり、図26Bは第1層221の上に第2層のための感光性黒色樹脂222を形成した状態を示す断面図である。図26Bの特徴は、第2層を構成する感光性黒色樹脂222の厚さh2を第1層221の厚さh1よりも小さくして、第1層221のホール21を第2層の感光性黒色樹脂222で充填しないようにしたものである。
Figures 26A to 27B are cross-sectional views showing a second embodiment of Example 3. Figure 26A is a cross-sectional view of a
図26Bにおいて、ホール21内の第2層の感光性黒色樹脂222の厚さh3と第1層221上の第2層の感光性黒色樹脂222の厚さh2の差を小さくできるので、図26Cに示すように、ホール21内に感光性黒色樹脂222の残渣225が残らないようにすることが出来る。
In FIG. 26B, the difference between the thickness h3 of the second layer of photosensitive
図27Aおよび図27Bは、図26A乃至図26Cで説明したのと同様なプロセスをコリメータ20の第3層223に適用した場合の例である。4層以上の場合にも同様のプロセスを適用することが出来る。
Figures 27A and 27B show an example in which a process similar to that described in Figures 26A to 26C is applied to the
図28A乃至図28Dは、実施例3における第3の形態を示す断面図である。図28Aは第1層221の上に第2層を形成するための感光性黒色樹脂222を塗布した状態を示す断面図である。この場合の第2層の感光性黒色樹脂222は、第1層221のホール21の径、第2層の感光性黒色樹脂222の粘度、第2層の感光性黒色樹脂222の材料の受光素子10の表面との濡れ性等との関係で、感光性黒色樹脂222の材料が第1層221のホール21内に入り込まないような材料に選定する。
28A to 28D are cross-sectional views showing a third embodiment of the third embodiment. FIG. 28A is a cross-sectional view showing a state in which photosensitive
図28Bは、露光、現像を行って、第2層222の形状を成形した状態を示す断面図である。図28Bに示すように、ホール21内に第2層の材料222の残渣225が残らないようにすることが出来る。
FIG. 28B is a cross-sectional view showing a state in which the shape of the
図28Cおよび図28Dは、コリメータの第3層223を構成するためのプロセスである。プロセス的には、図28Cが図28Aに対応し、図28Dが図28Bに対応する。このように、3層以上でコリメータ20を形成する場合も、図28Aおよび図28Bで説明したプロセスによってホール21内に感光性黒色樹脂の残渣225を残さないようにすることが出来る。
28C and 28D are processes for constructing the
実施例4は、コリメータ20を積層して形成する場合の他の構成を与えるものである。図29Aはコリメータ20のホール21内に空気のみが存在している状態の断面図である。図29Aにおいて、受光装置10の上にコリメータ20が配置し、コリメータ20の上に発光装置30の基板200が配置している。
Example 4 provides another configuration when the
図29Aにおいて、基板200から入射した光は、基板200と空気との界面で屈折する。空気の屈折率n0のほうが、基板200の屈折率n2よりも小さいので、θ1<θ2である。大きく屈折した光は黒色樹脂22に吸収され、受光装置10に到達しない。したがって、θ1よりも大きな入射角で入射する光は、受光装置10に到達しない。つまり、図29Aの構成は、屈折率の差の効果によって、よりコリメートされた光を受光装置10に入射させることが出来る。
In FIG. 29A, light incident from the
図29Bは、コリメータ20の第1層221の導光部であるホール21に、屈折率がn1である透明樹脂25を充填した状態を示す断面図である。コリメータ20の第2層222のホール21には空気のみ存在している。図29において、基板200からコリメータ20の第2層222に入射角θ3で入射した光は屈折して角度θ4で進行し、コリメータの第1層と第2層の界面において再び屈折して、入射角θ5で進行する。この光は、コリメータ20の黒色樹脂221に吸収され、受光装置10に到達しない。したがって、θ3よりも大きな入射角で入射する光は、受光装置10に到達しない。つまり、図29Aの構成は、屈折率の差の効果によって、よりコリメートされた光を受光装置に入射させることが出来る。
FIG. 29B is a cross-sectional view showing a state in which the
仮に、第2基板200の屈折率n2よりも、透明樹脂25の屈折率n1が小さければ透明樹脂25を第1層221のホール21に充填した場合でも、十分な効果を上げることが出来る。つまり、透明樹脂25の屈折率n1が小さいほど、効果を上げることが出来る。
If the refractive index n1 of the
図30A乃至図30Dは、コリメータ20を積層して形成する場合、コリメータ20のホール21内に感光性黒色樹脂222の残渣225を残さないための構成を示す断面図である。図30Aはコリメータ20の第1層221を覆って透明樹脂25を塗布した状態を示す断面図である。透明樹脂25は第1層221のホール21内にも充填されている。透明樹脂25は感光性樹脂で形成される。
30A to 30D are cross-sectional views showing a configuration for not leaving
図30Bは、透明樹脂25を露光、現像して、第1層221のホール21内以外から透明樹脂25を除去した状態を示す断面図である。図30Cは、第1層221の上に第2層を構成するための感光性黒色樹脂222を塗布した状態を示す断面図である。図30Dは、第2層の感光性黒色樹脂222を露光、現像してコリメータ20の第2層222を形成した状態を示す断面図である。
Figure 30B is a cross-sectional view showing the state in which the
図30Cに示すように、第2層を形成する感光性黒色樹脂222は、均一な膜厚になっているので、図30Dに示すように、ホール21内に感光性黒色樹脂222の残渣225は存在しない。
As shown in FIG. 30C, the photosensitive
図31A乃至図31Cは、実施例4の第2の形態を示す断面図である。第2の形態においても、まず、最初に図30Aに示すように、コリメータの第1層221の上に透明樹脂25を形成することは同じである。図30Aを露光、現像した場合、透明樹脂25を第1層の感光性黒色樹脂221と同じ厚さに制御するのは難しい。
31A to 31C are cross-sectional views showing a second form of Example 4. FIG. In the second embodiment as well, the
図31Aは、第1層の感光性黒色樹脂221の上にも透明樹脂25を薄く残した状態を示す断面図である。図31Aのような構成は、露光をやや少なめにすればよいので、安定して形成することが出来る。図31Bは、透明樹脂25の上に第2層の感光性黒色樹脂222を塗布した状態を示す断面図である。
Figure 31A is a cross-sectional view showing a state in which a thin layer of
図31Cは、感光性黒色樹脂222を現像しての第2層を形成した状態を示す断面図である。第2層を構成する感光性黒色樹脂222は均一な膜厚なので、ホール21内に、感光性黒色樹脂222の残渣225が存在することはない。コリメータ20において、第1層221と第2層222の間に透明樹脂25の薄い膜が存在しているが、コリメータ20の特性的にはほとんど問題はない。
FIG. 31C is a cross-sectional view showing a state in which the photosensitive
図32A乃至図32Cは、実施例4の第3の形態を示す断面図である。第3の形態においても、まず、最初に図30Aに示すように、コリメータの第1層221の上に透明樹脂25を形成することは同じである。
32A to 32C are cross-sectional views showing a third form of Example 4. FIG. In the third embodiment, the
図32Aは、図31Aとは逆に、透明樹脂25をやや強く露光することによって、コリメータの第1層221のホール21内の透明樹脂25の厚さを第1層の黒色樹脂221の厚さよりも小さくした場合を示す断面図である。
In FIG. 32A, contrary to FIG. 31A, the thickness of the
図32Bは、図32Aの上に第2層を構成する感光性黒色樹脂222を塗布した状態を示す断面図である。図32Bにおいて、第2層の感光性黒色樹脂222の厚さは、透明樹脂25の上において、第1層の感光性黒色樹脂221の上よりも厚いが、その差は小さいので、図32Cに示すように、第2層222を現像したときにホール21内に感光性黒色樹脂222の残渣225が存在することはない。
Figure 32B is a cross-sectional view showing the state in which the photosensitive
10…受光装置、 11…受光素子、 12…受光素子保護膜、 15…光導電素子、 16…TFT、 17…蓄積容量、 20…コリメータ、 21…ホール(導光部)、 22…黒色樹脂、 25…透明樹脂、 30…発光装置、 32…発光素子、 33…発光素子保護膜、 34…保護基板、 40…被測定物、 51…走査線、 52…検出線、 53…電源線、 55…走査回路、 56…検出線駆動回路、 57…電源回路、 60…発光領域、 61…走査線、 62…信号線、 63…電源線、 65…走査回路、 66…信号線駆動回路、 67…電源回路、 100…第1基板、 101…下地膜、 102…遮光膜、 103…下ゲート絶縁膜、 104…半導体膜、 105…ドレイン電極、 106…ソース電極、 107…ゲート絶縁膜、 108…上ゲート電極、 109…容量電極、 110…層間絶縁膜、 111…ドレイン配線、 112…コンタクト電極、 113…有機パッシベーション膜、 114…カソード、 115…光導電膜、 116…アノード、 117…第2層間絶縁膜、 118…アノード配線、 119…無機保護膜、 120…有機保護膜、 121…スルーホール、 122…スルーホール、 123…スルーホール、 140…バンク、 150…アノード、 151…有機EL層、 152…カソード、 153…保護膜、 200…第2基板、 221…第1感光性黒色樹脂、 222…第2感光性黒色樹脂、 223…第3感光性黒色樹脂、 225…感光性黒色樹脂の残渣、 400…開口部、 1151…p層、 1152…i層、 1153…n層、 EL…有機EL発光層、 T1…スイッチングTFT、 T2…駆動TFT、 Ch…保持容量、 Va…アノード電圧、 Vk…カソード電圧
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記コリメータは、前記受光装置と前記発光装置の間に配置し、
前記コリメータは、第1のコリメータと第2のコリメータを含む複数層が積層された構成であり、
前記第1のコリメータと前記第2のコリメータは遮光性の樹脂に光を通過させるホールが形成された構成であり、
nを4以上の整数とした場合、平面で視て、前記第1のコリメータに形成された第1のホールはn角形であり、前記第2のコリメータに形成された第2のホールは前記第1のホールと中心が同じで、前記第1のホールに対して、360度/2n回転した構成であることを特徴とする光センサ装置。 An optical sensor device having a light receiving device, a collimator, and a light emitting device,
The collimator is arranged between the light receiving device and the light emitting device,
The collimator has a structure in which multiple layers including a first collimator and a second collimator are laminated,
The first collimator and the second collimator have a structure in which a hole through which light passes is formed in a light-shielding resin,
When n is an integer of 4 or more, the first hole formed in the first collimator has an n-gon shape when viewed in plan, and the second hole formed in the second collimator has an n-gon shape when viewed in plan. 1. An optical sensor device characterized in that the center thereof is the same as that of the first hole, and the center thereof is rotated by 360 degrees/2n with respect to the first hole.
前記コリメータは、第1のコリメータと第2のコリメータとを含む複数層が積層された構成であり、
前記第1のコリメータは遮光性の樹脂に光を通過させる第1のホール内に透明樹脂が形成された構成であり、前記第2のコリメータは遮光性の樹脂に光を通過させる第2のホールが形成された構成であり、
nを4以上の整数とした場合、平面で視て、前記第1のコリメータに形成された第1のホールはn角形であり、前記第2のコリメータに形成された前記第2のホールは前記第1のホールと中心が同じで、前記第1のホールに対して、360度/2n回転した構成であることを特徴とする光センサ装置。 An optical sensor device having a collimator,
The collimator has a structure in which multiple layers including a first collimator and a second collimator are laminated,
The first collimator has a structure in which a transparent resin is formed in a first hole that allows light to pass through a light-blocking resin, and the second collimator has a second hole that allows light to pass through a light-blocking resin. is formed,
When n is an integer of 4 or more, the first hole formed in the first collimator has an n-gon shape when viewed in plan, and the second hole formed in the second collimator has an n-gon shape when viewed in plan . An optical sensor device characterized in that the center thereof is the same as that of the first hole, and the center thereof is rotated by 360 degrees/2n with respect to the first hole.
前記基板の屈折率は、前記透明樹脂の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項13に記載の光センサ装置。 a substrate constituting a light receiving device is disposed on the second collimator;
14. The optical sensor device according to claim 13, wherein the refractive index of the substrate is greater than the refractive index of the transparent resin.
前記コリメータは、前記受光装置と前記発光装置の間に配置し、
前記発光装置の基板は透明樹脂で形成され、
前記コリメータは、前記発光装置の前記基板と対向し、
前記コリメータは、第1のコリメータと第2のコリメータを含む複数層が積層された構成であり、
前記第1のコリメータと前記第2のコリメータは遮光性の樹脂に光を通過させるホールが形成された構成であり、
nを4以上の整数とした場合、平面で視て、前記第1のコリメータに形成された第1のホールはn角形であり、前記第2のコリメータに形成された第2のホールは前記第1のホールと中心が同じで、前記第1のホールに対して、360度/2n回転した構成であり、
前記第2のホールには前記発光装置の前記基板と同じ材料の透明樹脂が存在していることを特徴とすることを特徴とする光センサ装置。 An optical sensor device having a light receiving device, a collimator, and a light emitting device,
The collimator is arranged between the light receiving device and the light emitting device,
The substrate of the light emitting device is made of transparent resin,
The collimator faces the substrate of the light emitting device,
The collimator has a structure in which multiple layers including a first collimator and a second collimator are laminated,
The first collimator and the second collimator have a structure in which a hole through which light passes is formed in a light-shielding resin,
When n is an integer of 4 or more, the first hole formed in the first collimator has an n-gon shape when viewed in plan, and the second hole formed in the second collimator has an n-gon shape when viewed in plan. It has the same center as the first hole and is rotated 360 degrees/2n with respect to the first hole,
The optical sensor device according to claim 1, wherein a transparent resin made of the same material as the substrate of the light emitting device is present in the second hole.
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