JPS61283837A - 波長弁別装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は簡易な色彩識別装置等として用いられる波長弁
別装置に関するものである。

〔従来の技術〕

生産ラインにおける仕掛製品の仕分は等のように、産業
界において色彩を測定し識別する要求は強い。色彩の測
定の最も基本的な方法はＪＩＳで決められており、所定
の分光放射特性を有する光源の光を物体に照射し、その
反射光あるいは透過光の光強度を所定の分光感度特性を
有する３個の光電センサで検出し、それらの出力値から
演算により例えばＬ−ａ−ｂ表色系といった表色系の表
色値を求めて色彩を表現するものである。この色彩測定
方式は厳密に色差を識別できるものの、表色系の表色値
が赤、青といカた通常用いられる色表現と直接対応しな
いため、プロセス用の簡易な色彩測定方式としては必ず
しも適当なものではない。

これに対して、分光感度の交差する２個の光電センサの
出力値の比をとることで物体の色を単色光の波長で表現
するものがある。この２色分解カラーセンサはシリコン
フォトダイオードを光電センサとしているため、人間の
目には色として感じられない７００ｒｖ以上の近赤外領
域で最も感度を存するため、使用に際して赤外カットフ
ィルタが必要不可欠となる。しかも、単結晶シリコンを
用いているため背側（４００〜５００ｎａｍ）での感度
が悪く、青味がかった互いに異なる色を個々の波長と対
応させることが困難である。

一方、特開昭５８−１２５８６９号公報に見られるよう
に、アモルファスシリコンのＰＩＮ構造に光電センサを
カラーセンサに応用しようとする発明がある。アモルフ
ァスシリコンのＰＩＮ構造の光電センサの分光感度特性
はよく知られているように人間の目の視感度に比較的類
領している。従って、７００ｎｍ以上の近赤外領域に影
響されず、赤外カットフィルタを使わずに正確な色情報
を抽出できるという大きな特長を持つ。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、かかるアモルファスシリコンのＰＩＮ構造の
光電センサであっても、２色分解カラーセンサを構成す
るためには色分解のための光学フィルタを必要とする。

しかし、カラーセンサ用として十分な特性をもった光学
フィルタを製作することは未だ困難であり、結果として
カラーセンサの検出力も不十分である。また、光学フィ
ルタをセンサ素子そのものに配置しようとすると接着工
程等複雑な工程を要し、しかもかかるカラーセンサの場
合使用雰囲気中の温度の変化により剥離し易いという欠
点がある。さらに、光学フィルタを外部に配置すればそ
の構成は複雑かつ大型化してしまう。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の波長弁別装置は上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、アモルファスシリコンのＰＩＮ構造からなる
少なくとも１個の波長弁別素子と、前記波長弁別素子に
第１および第２のバイアスを印加する手段と、波長弁別
素子に第１のバイアスを印加したときの第１の光電流と
第２のバイアスを印加したときの第２の光電流との比を
算出すると共に予め定められた光電流の比と波長弁別素
子への入射光の波長との関係に基づいて波長を算出する
信号処理手段とを具備したものである。

〔作用〕

第１の光電流と第２の光電流との比すなわち規格化収集
効率から波長弁別素子に入射する波長が一義的に特定さ
れる。

〔実施例〕

以下、実施例と共に本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。波
長弁別装置工はバイアス切換装置２が一定の電圧を与え
たときに入射光の波長に応じた光電流を出力する素子で
あり、その詳細な構成および動作は後述する。バイアス
切換装置２は所定の２レベルのいずれか一方のバイアス
を波長弁別素子１に与える装置であり、信号処理装置４
からのバイアス切換信号に応じてバイアスの切換が行わ
れる。増幅器３は波長弁別素子１が出力する光電流を電
圧変換して増幅するものである。信号処理装置４は増幅
器３の出力を読み込んでデータ処理しその結果を換算単
色光値として端子５に出力すると共に、バイアス切換装
置２にバイアス切換信号を送出する。なお、上記データ
処理については動作説明において詳述する。

第２図は波長弁別素子１の構造を示す断面図であり、ア
モル・ファスシリコンＰＩＮ構造ヲ形作っている。ここ
で、かかる波長弁別素子１の製造プロセスを説明する。

ＩＴＯ／５ｎＯｚ等からなる透明電極１１が形成されて
いるガラス基板１２を有機洗浄等で洗浄する。つぎに、
ガラス基板１２をプラズマ反応炉の反応電極間に配置し
、基板温度を約２００℃で加熱した状態を保つ。かかる
状態において、水素で１０％に希釈したモノシラン（Ｓ
ｉＨ＊）ガスおよび不純物ガスとして水素で５００ｐｐ
ｍに希釈したジボラン（ＯＸ■ｈ）ガスをＢ！）Ｉｉ／
５ｉＨｎ−０，１５％の流量比で、プラズマ反応炉の気
圧がｌ　、　２Ｔｏｒｒを保持するように導き入れる。

そして、反応電極に１３．５６１’ｌＨｚ　、３５Ｗの
高周波電力を付与してグロー放電を生起せしめ、透明電
極１１上の全面にわたって厚みが数百人程度のボロン（
Ｂ）がドープされたＰ型のアモルファスシリコン層１３
を形成する。

次に、ＢｔＨｈ／５ｉｌＩａの流量比を数十ｐｐｍ＋に
設定し、他の生成条件は同一にして数千人程度の厚みの
極微量のボロンがドープされたアモルファスシリコンの
ＩＪｉ１４をＰ型アモルファスシリコン層１３上に形成
する。続いて不純物ガスをジボラン（ａＸＨ６）ガスか
ら水素で５００ｐｐｍに希釈したホスフィン（ＰＨｘ）
ガスに変え、基板温度約２００℃、流量比がＰＨｘ／Ｓ
ｉＨ＊”Ｉ！−気圧が１．２Ｔｏｒｒ、　１３．５６Ｍ
Ｈｚ、　１５０Ｗの高周波によるグロー放電により、１
層１４の上に数百人程度の厚みのリン（Ｐ）のドープさ
れたアモルファスシリコンのＮＪｉ１５を形成スる。そ
して最後にＮ層１５上に金属電極１６を形成することに
より波長弁別素子１が完成する。

このように構成された波長弁別素子１の分光感度特性は
、第３図に示すように従来のそれとほとんどかわるとこ
ろはない。しかし、この波長弁別素子１に逆バイアスを
印加したときの光電流とバイアスを印加しないときの光
電流の比（以後これを規格化収集効率という。）の波長
依存特性は、第４図に示すように可視光の波長に対して
ほぼ単調関数になるという極めて特徴的なものとなる。

なお、図において横軸は入射される単色光の波長を、縦
軸は規格化収集効率Ｊ　（−１）／　Ｊ　（０）をそれ
ぞれ示し、逆バイアスは１ｖに設定されている。

また、実線、破線および一点鎖線で示した特性曲線はそ
れぞれＩ層１４形成時のＢｔＨ＊／ＳｉＨ＊の流量比を
それぞれ３０ｐｐｍ＋、２０ｐｐｍおよび１０ｐｐｍと
したときのものである。

ところで、特定の波長分布を持つために人間に特定の色
として感じられる物体の反射光あるいは透過光はいわば
重み付けされた単色光の集合体としてみなされることか
ら、かかる物体の反射光あるいは透過光は規格化収集効
率により対応する特定の単色波長に換算されて出力され
ることになる。

すなわち、規格化収集効率の値を求めれば、入射光の波
長との関係が単調関数となっていることから、例えば赤
、ベージュといった色表現は対応する単色波長に一義的
に換算できることになる。

つぎに、第１図に示す本実施例である波長弁別装置の動
作を説明する。バイアス切換装置２は、信号処理装置４
からのバイアス切換信号にしたがって例えばＯｖと１ｖ
といった２レベルのバイアス値を周期的に交互に波長弁
別素子１に逆バイアスで印加する。これに対応して波長
弁別素子ｌから流れる光電流は２つの値Ｊ　（０）、　
Ｊ　（−１）を交互にとるので、信号処理装置４はバイ
アス切換信号と同期させて増幅器３の出力を読み込むこ
とで光電流値Ｊ　（０）　、　Ｊ　（−１）を検出する
。続いて信号処理装置４は規格化収集効率Ｊ　（０）／
　Ｊ　（−１）を演算により求め、予め信号処理装置４
内部に記憶されている第４図に示す規格化収集効率の波
長依存性のテーブルを使い波長弁別素子１に入射する光
の単色光への換算値を求め端子５に出力するものである
。

なお、波長弁別素子１の他の例として、透明電ａｌｌが
形成されたガラス基板１２上にアモルファスシリコンの
層をＮ、Ｉ、Ｐの順に形成したちのを第５図に示す、こ
の場合の波長−規格化収集効率特性は第６図のようにな
る。

第７図は本発明の他の実施例を示すブロック図であり、
２個の波長弁別素子２１．２２を用いることにより第１
実施例におけるバイアス切換装置２を無くしたものであ
る。波長弁別素子２１．２２における光電流Ｉ＋、Ｉｇ
の増幅器に対数変換器２３．２４を用いるのは対数圧縮
により測定レンジを広げるためであり、対数変換器２３
．２４の　　　　　′次段に作動増幅器２５を設けるこ
とにより光電流■５、■２の実質的な除算を実行してい
る。作動増幅器２５の出力は規格化収集効率に対応し、
信号処理装置４は作動増幅器２５の出力に応じた波長を
第４図の特性図に基づいて算出する。なお、波長弁別素
子２１．２２は第８図の断面図に示すよ　　　　　　。

うに一体に形成することができる。同図において第２図
と同一もしくは相当部分には同一の符号を付してあり、
１６ａ、１６ｂはそれぞれ波長弁別素子２１．２２の金
属電極である。

なお、上記実施例ではアモルファスシリコンの１層１４
にボロンを微少な適切量ドープすると規格化収集効率の
波長依存性が波長に対して単調関数になるという極めて
特徴的な現象が現れ、かかる現象を利用して波長弁別装
置を構成できることを示したが、１層にＮ層の不純物と
なるリンをドープしても同様な現象が発生することが確
認されており、このような素子を用いて同様に波長弁別
装置とすることができる。

また、波長弁別素子への印加バイアスは必ずしも０■と
一１ｖに限らない。

さらに、第９図に示すように波長弁別素子１を波長弁別
装置の回路部が形成されている単結晶シリコン基板３０
上に形成することができる。この場合、波長弁別装置を
小型にでき、しかも、波長弁別素子１と初段アンプ等と
の距離を短くすることができるため、外部ノイズを拾い
難くなる。なお、透明電極１１のＡ部は膜厚が極めて薄
いため１層１４と２層１３とのショートは問題にならな
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の波長弁別装置によれば、波
長弁別素子に２レベルのバイアスを与えることにより得
られる第１の光電流と第２の光電流との比すなわち規格
化収集効率から波長弁別素子に入射する可視光の波長を
一義的に特定することができるため、入射光の波長を正
確に知ることができる。しかも、赤外カットフィルタや
色分解用の光学フィルタが不要であるため、構成が簡単
で安価かつ容易に製作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
第１図の実施例における波長弁別素子を示す断面図、第
３図は第２図の波長弁別素子の波長−感度特性、第４図
は第２図の波長弁別素子の波長−規格化収集効率特性、
第５図は波長弁別素子の他の例を示す断面図、第６図は
第５図の波長弁別素子の波長−規格化収集効率特性、第
７図は本発明の他の実施例を示すブロック図、第８図は
第７図の実施例における波長弁別素子を示す断面図、第
９図は本発明の更に他の実施例を示す断面図である。 １・・・波長弁別素子、２・・・バイアス切換装置、４
・・・信号処理装置。 特許出願人　山武ハネウェル株式会社 浜川　圭弘 代　理　人　山川　政権（ほか２名） 第１図 第２図　１ 第３図 波長（ｎｍ） 第４図 第６図 第７図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）アモルファスシリコンのＰＩＮ構造からなる少な
   くとも１個の波長弁別素子と、前記波長弁別素子に第１
   および第２のバイアスを印加する手段と、前記波長弁別
   素子に第１のバイアスを印加したときの第１の光電流と
   第２のバイアスを印加したときの第２の光電流との比を
   算出すると共に予め定められた光電流の比と波長弁別素
   子への入射光の波長との関係に基づいて波長を算出する
   信号処理手段とを具備したことを特徴とする波長弁別装
   置。
2. （２）波長弁別素子が単一であり、第１および第２のバ
   イアスを印加する手段が２レベルを選択的に出力するバ
   イアス切換装置である特許請求の範囲第１項記載の波長
   弁別装置。
3. （３）波長弁別素子が２個であり、第１および第２のバ
   イアスを印加する手段は一方の波長弁別素子に第１のバ
   イアスを印加し他方の波長弁別素子に第２のバイアスを
   印加するものである特許請求の範囲第１項記載の波長弁
   別装置。
4. （４）波長弁別素子が信号処理手段の形成されている単
   結晶シリコン基板上に形成されている特許請求の範囲第
   １項ないし第３項のいずれかに記載の波長弁別装置。