JPWO2016166864A1 - 発光素子、検出装置、および処理装置 - Google Patents
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Abstract
実施形態に係る発光素子は、光透過性の基板と、第1電極と、光透過性の第2電極と、発光層と、を含む。第2電極は、基板の一部と第1電極との間に設けられている。発光層は、第1電極と第2電極との間に設けられている。基板は、第1領域と、第2領域と、を含む。第1領域は、第2電極から第1電極に向かう第1方向において、発光層の少なくとも一部と重なっている。第2領域は、第1方向に対して垂直な面に沿って、第1領域の周りに設けられている。基板は、第2領域の少なくとも一部に設けられた開口を有する。
Description
本発明の実施形態は、発光素子、検出装置、および処理装置に関する。
発光素子を利用した検出装置がある。例えば、発光素子から放射された光を生体に照射することで、生体信号を検出する検出装置がある。出力される信号が微弱な脈波の検出に適した発光素子の開発が望まれている。
実施形態に係る発明は、微弱な信号の検出に適した発光素子、検出装置、および処理装置を提供する。
実施形態に係る発光素子は、光透過性の基板と、第1電極と、光透過性の第2電極と、発光層と、を含む。第2電極は、基板の一部と第1電極との間に設けられている。発光層は、第1電極と第2電極との間に設けられている。基板は、第1領域と、第2領域と、を含む。第1領域は、第2電極から第1電極に向かう第1方向において、発光層の少なくとも一部と重なっている。第2領域は、第1方向に対して垂直な面に沿って、第1領域の周りに設けられている。基板は、第2領域の少なくとも一部に設けられた開口を有する。
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る発光素子の一例を表す模式底面図である。
図2は、図1のA−A´断面を表す模式断面図である。
図1は、第1実施形態に係る発光素子の一例を表す模式底面図である。
図2は、図1のA−A´断面を表す模式断面図である。
図1および図2に表されるように、発光素子100は、基板1、第1層11、第2電極32、発光層41、および第1電極31を含む。発光素子100は、例えば、脈波などの生体信号を検出するために用いられる。
第2電極32から第1電極31に向かう方向を第1方向とする。第1方向は、例えば、Z方向である。第1方向に対して垂直であり、互いに垂直な2つの方向を、それぞれ第2方向および第3方向とする。例えば、第2方向はX方向であり、第3方向はY方向である。
第2電極32から第1電極31に向かう方向を第1方向とする。第1方向は、例えば、Z方向である。第1方向に対して垂直であり、互いに垂直な2つの方向を、それぞれ第2方向および第3方向とする。例えば、第2方向はX方向であり、第3方向はY方向である。
図1に表されるように、基板1は、第1領域R1および第2領域R2を含む。第1領域R1は、第1方向において、発光領域41aと重なっている。発光領域41aは、発光層41の少なくとも一部の領域である。発光領域41aは、第1方向において第1電極31と第2電極32との間に位置する。第2領域R2は、第1方向に対して垂直な面に沿って、第1領域R1の周りに設けられている。
基板1は、開口OP1を有する。開口OP1は、第2領域R2に設けられている。図1および図2に表される例では、基板1に複数の開口OP1が設けられている。複数の開口OP1のいずれかの一部が、第1領域R1に設けられていてもよい。複数の開口OP1の少なくとも1つは、第1領域R1と第2領域R2との境界に沿って設けられている。
複数の開口OP1の少なくとも1つは、例えば、溝である。図1および図2に表される例において、基板1は、第2方向に沿って延びる少なくとも1つの溝と、第3方向に沿って延びる少なくとも1つの溝と、を有する。
図2に表されるように、基板1は、第1面S1、第2面S2、および第3面S3を有する。第1面S1〜第3面S3は、第1方向に対して垂直な面に沿っている。第1面S1は、基板1の第1電極31側の面である。第2面S2は、第1面S1と反対側の面である。第3面S3は、開口OP1に面している。第3面S3の第1方向における位置は、第2面S2の第1方向における位置と、第1面S1の第1方向における位置と、の間にある。
開口OP1は、第2面S2に設けられている。例えば、開口OP1と第1面S1との間に、基板1の一部が位置している。
第1層11の少なくとも一部は、第1方向において、基板1の少なくとも一部と、第1電極31と、の間に設けられている。第1層11は、第1層11に入射した光の進行方向を、第1層11の層内において変更可能である。第1層11は必要に応じて設けられ、省略しても良い。実施形態において、第1層11を設けることが好ましい。これにより、例えば、基板1から外部へ効率的に光を放射させることができる。
第2電極32は、第1方向において、基板1の少なくとも一部と、第1電極31と、の間に設けられている。発光層41は、第1方向において、第1電極31と第2電極32との間に設けられている。
発光層41に、第1電極31および第2電極32からキャリアが注入されることで、発光層41から光が放射される。発光層41は、例えば、有機物を含む。有機物を含む発光層が用いられた発光素子から放射される光は、無機化合物を含む発光層が用いられた発光素子から放射される光に比べて、ノイズが小さい。このため、有機物を含む発光層が用いられた発光素子から放射される光は、脈波などの、出力される信号が微小な検出対象を検出する用途に適している。
基板1、第1層11、および第2電極32は、例えば、発光層41から放射された光を透過する。基板1、第1層11、および第2電極32は、光透過性である。第1電極31は光反射性を有する。第1電極31は、発光層41から放射された光を反射する。第1電極31の反射率は、基板1の反射率よりも高く、第1層11の反射率よりも高く、かつ第2電極32の反射率よりも高い。
図3(a)及び図3(b)は、発光素子における光路の一例を表す模式図である。
図3(a)は、参考例に係る発光素子190における光路の一例を表している。図3(b)は、第1実施形態に係る発光素子100における光路の一例を表している。
図3(a)は、参考例に係る発光素子190における光路の一例を表している。図3(b)は、第1実施形態に係る発光素子100における光路の一例を表している。
発光素子190において、発光層41から放射された光411は、例えば、第1層11を通り、基板1に入射する。光411は、基板1の第2面S2で反射され、基板1の内部をその面内方向に進む。光411は、基板1の側面で反射された後、第1層11で散乱される。第1層11で散乱されることで、光411の進行方向が変更され、光411は基板1の第2面S2から外部に出る。
一方、発光素子100において、発光層41から放射された光412は、例えば、第1層11を通り、基板1に入射する。光411は、基板1と開口OP1との境界面で反射され、基板1の第2面S2から外部に出る。
または、発光素子100において、発光層41から放射された光413は、基板1に入射し、基板1と開口OP1との境界面および第2面S2で反射されたあと、第1層11に入射する。第1層11で散乱されることで光413の進行方向が変更され、光413は基板1の第2面S2から外部へ出る。
図3(b)に表されるように、第2領域R2の少なくとも一部に開口OP1を設けることで、発光層41から放射された光が、基板1の内部を進む距離を短くすることができる。基板1の内部において光が進む距離を短くすることで、基板1における光の吸収が低減される。このため、基板1から外部へ放射される光の量を増加させることが可能となる。さらに、このような構成を採用することで、発光領域41aと第1方向において重なる空間に放射される光の量を増加させることができる。本実施形態によれば、特定の領域に光を照射することが望まれる脈波などの生体信号の検出の用途に適した発光素子が提供される。
図1および図2に表される例において、開口OP1は、基板1の第2面S2に設けられている。このような構成を採用することで、発光領域41aと第1方向において重なる空間に放射される光の量を増加させつつ、基板1の第1面S1の上に、第1電極31および第2電極32のコンタクト構造を容易に形成することが可能となる。
実施形態において、基板1の側面に達した光は、例えば、光412のように、この側面で反射され、その進行方向が基板1の内側に向けて変更される。これにより、例えば、光が基板1の第2面S2から外部へ効率良く放射される。このためには、側面への光の入射角θ、厚さT1、および距離D1が、以下の式(1)を満たすことが望ましい。
厚さT1は、基板1の第1方向における厚さである。距離D1は、発光領域41aと開口OP1との間の第2方向における距離である。例えば、距離D1は、第1領域R1と開口OP1との間の第2方向における距離と等しい。
全反射を起こす臨界角は、基板1の屈折率nによって決定される。臨界角よりも小さい角度で基板1の側面に入射する光は、基板1の側面から外部に出てしまう。このため、式(1)においてθの最小角は臨界角である。式(1)は、臨界角θcを用いて、以下の式(2)のように表される。
基板1の側面で反射された光は、光413のように、第1層11に入射してその進行方向が変更されることが、より望ましい。このため、発光領域41aの端部から放射された光の、側面への入射角θ、厚さT1および距離D1が、以下の式(4)を満たすことが、より望ましい。
各要素の例を説明する。
基板1は、例えば、ガラスを含む。基板1の屈折率は、例えば、1.4以上2.2以下である。基板1の第1方向に沿った厚さT1は、例えば、0.05〜2.0mmである。
基板1は、例えば、ガラスを含む。基板1の屈折率は、例えば、1.4以上2.2以下である。基板1の第1方向に沿った厚さT1は、例えば、0.05〜2.0mmである。
第1電極31は、例えば、アルミニウム、銀、および金の少なくともいずれかを含む。第1電極31は、例えば、マグネシウムと銀の合金を含む。
第2電極32は、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)を含む。第2電極32は、例えば、PEDOT:PSSなどの導電性ポリマーを含んでもよい。第2電極32は、例えば、金属(例えば、アルミ二ウム及び銀の少なくともいずれかを含む)を含んでもよい。第2電極32に金属が用いられる場合、第2電極32の厚さは、5〜20nmであることが好ましい。
第2電極32は、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)を含む。第2電極32は、例えば、PEDOT:PSSなどの導電性ポリマーを含んでもよい。第2電極32は、例えば、金属(例えば、アルミ二ウム及び銀の少なくともいずれかを含む)を含んでもよい。第2電極32に金属が用いられる場合、第2電極32の厚さは、5〜20nmであることが好ましい。
発光層41は、例えば、Alq3(トリス(8−ヒドロキシキノリノラト)アルミニウム)、F8BT(ポリ(9,9-ジオクチルフルオレン-co-ベンゾチアジアゾール)、およびPPV(ポリパラフェニレンビニレン)の少なくともいずれかを含む。
または、発光層41は、ホスト材料と、ドーパント材料と、を含んでいてもよい。ホスト材料は、例えば、CBP(4,4'−N,N'-ビスジカルバゾリルール−ビフェニル)、BCP(2,9−ジメチル-4,7ジフェニル−1,10−フェナントロリン)、TPD(2,9−ジメチル-4,7ジフェニル−1,10−フェナントロリン)、PVK(ポリビニルカルバゾール)、およびPPT(ポリ(3−フェニルチオフェン))の少なくともいずれかを含む。ドーパント材料は、例えば、Flrpic(イリジウム(III)ビス(4,6-ジ-フルオロフェニル)-ピ.リジネート-N,C2'-ピコリネート)、Ir(ppy)3(トリス(2−フェニルピリジン)イリジウム)、およびFlr6(ビス(2,4−ジフルオロフェニルピリジナト)−テトラキス(1−ピラゾリル)ボラート−イリジウム(III))の少なくともいずれかを含む。
発光層41から放射される光は、例えば、可視光である。例えば、発光層41から放射される光は、赤色、橙色、黄色、緑色、および青色のいずれかの光、または、これらを組み合わせた光である。発光層41から放射される光は、紫外光または赤外光でもよい。
第1方向に対して垂直な面における、第1電極31の形状、発光層41の形状、および第2電極32の形状は、例えば、多角形(角部が曲線でも良い)または、円形(扁平円を含む)である。これらの形状は、任意である。
図4は、第1実施形態に係る発光素子の他の一例を表す模式断面図である。図4に表される発光素子101のように、第1電極31と発光層41との間に、第3層43が設けられ、第2電極32と発光層41との間に、第4層44が設けられていてもよい。
第3層43は、例えば、電子注入層として機能する。第3層43は、電子輸送層として機能してもよい。または、第3層43は、電子注入層として機能する層と、電子輸送層として機能する層と、を含んでいてもよい。
第3層43は、例えば、Alq3、BAlq、POPy2、Bphen、及び3TPYMBの少なくともいずれかを含む。この場合、例えば、第3層43は電子輸送層として機能する。
第3層43は、例えば、LiF、CsF、Ba及びCaの少なくともいずれかを含む。この場合、第3層43は、例えば、電子注入層として機能する。
第3層43は、例えば、LiF、CsF、Ba及びCaの少なくともいずれかを含む。この場合、第3層43は、例えば、電子注入層として機能する。
第4層44は、例えば、正孔注入層として機能する。第4層44は、正孔輸送層として機能してもよい。または、第4層44は、正孔注入層として機能する層と、正孔輸送層として機能する層と、を含んでいてもよい。
第4層44は、例えば、α−NPD、TAPC、m−MTDATA、TPD、及びTCTAを含む。この場合、例えば、第4層44は正孔輸送層として機能する。
第4層44の材料は、例えば、PEDPOT:PPS、CuPc及びMoO3の少なくともいずれかを含む。この場合、例えば、第4層44は正孔注入層して機能する。
第4層44の材料は、例えば、PEDPOT:PPS、CuPc及びMoO3の少なくともいずれかを含む。この場合、例えば、第4層44は正孔注入層して機能する。
図5(a)〜図5(c)および図6(a)〜図6(d)は、実施形態に係る発光素子の一部を例示する模式断面図である。
図5(a)〜図5(c)は、第1層11を例示している。これらの図に表される例において、第1層11に入射した光の少なくとも一部は、第1層11において散乱される。図6(a)〜図6(d)に表される例において、第1層11に入射した光の少なくとも一部は、第1層11において屈折する。
図5(a)〜図5(c)は、第1層11を例示している。これらの図に表される例において、第1層11に入射した光の少なくとも一部は、第1層11において散乱される。図6(a)〜図6(d)に表される例において、第1層11に入射した光の少なくとも一部は、第1層11において屈折する。
図5(a)〜図5(c)に表されるように、第1層11は、例えば、支持部121と、複数の粒子122と、を含む。支持部121は、例えば、第1方向に対して垂直な第1面に沿って広がっている。
図5(a)に表される例において、複数の粒子122は互いに分離して設けられる。支持部121は、複数の粒子122のそれぞれの周りに設けられている。図5(b)に表される例では、複数の粒子122の少なくとも一部が、互いに接して設けられ、支持部121は、複数の粒子122のそれぞれの周りに設けられている。
図5(c)に表される例では、複数の粒子122の一部が、支持部121の外部へ露出している。支持部121は、複数の粒子122のそれぞれの少なくとも一部の周りに設けられている。支持部121の一部は、支持部121の外部へ露出した粒子122の一部の周りに設けられている。支持部121の他の一部は、複数の粒子122の他の一部の周りに設けられている。
支持部121は、例えば、樹脂およびポリマーの少なくともいずれかを含む。ポリマーは、例えば、ポリシロキサン、ポリイミド、またはポリメタクリル酸メチルなどを含む。複数の粒子122の少なくともいずれかは、例えば、シリカ、ポリスチレン、酸化ジルコニウム、および酸化チタンの少なくともいずれかを含む。粒子122に代えて、空孔が設けられていてもよい。
支持部121の屈折率と、複数の粒子122の少なくともいずれかの屈折率と、の差の絶対値は、0.1以上であることが望ましい。より望ましくは、これらの屈折率の差の絶対値は、0.2以上である。これらの屈折率の差の絶対値を0.1以上にすることで、例えば、第1層11に入射した光に対する高い散乱性が得られる。屈折率の差が大きいと、粒子122による散乱性が高くなる。屈折率の差が大きいと、粒子122の密度が低い場合でも、高い散乱性を得やすい。
粒子122の粒径は、例えば、最大で100μmでありうる。第1層11をスピンコート法で作製する場合、支持部121の厚みは、材料の粘度の制約から、最大で10μm程度である。従って、このような支持部121の場合、粒子122の粒径は、最大で10μmであることが好ましい。複数の粒子122のうち少なくともいずれかの粒子122の粒径は、光のピーク波長の1/10よりも大きいことが望ましい。粒径が光の1/10よりも大きい場合、ミー散乱モデルに従う散乱となる。
粒子122の粒径が光の波長よりも十分小さい場合、光からみて、支持部121と粒子122の空間分解能がなくなる。すなわち、この場合、光にとって第1層11は、支持部121の屈折率および粒子122の屈折率の平均の屈折率を有する層であり、第1層11における光の散乱能力が低下する。
図6(a)〜図6(d)に表されるように、第1層11は、例えば、第1部分124および第2部分125を含む。第2部分125は、第1部分124と基板1との間に設けられる。第2部分125の屈折率は、第1部分124の屈折率よりも小さい。
図6(a)に表される例では、第2部分125は、第2方向において複数設けられている。第2部分125は、さらに、第3方向において複数設けられていてもよい。または、第2部分125は、第3方向に延びていてもよい。
第1部分124は、第1方向に対して垂直な面に沿って広がっている。それぞれの第2部分125は、第1方向に対して垂直な面に沿って、第1部分124に囲まれている。第2部分125は、半球状である。このため、第1部分124の第1方向における厚さは、第2方向において、周期的に、かつ連続的に変化している。
または、図6(b)に表されるように、第2部分125は、第1方向に対して垂直な面に沿って広がっていてもよい。第2部分125は、第1部分124に囲まれた半球部分125aを含む。半球部分125aは、例えば、第2方向および第3方向において複数設けられている。
図6(c)に表されるように、第2部分125は、第1方向に沿う面と、第2方向に沿う面と、を有していてもよい。第1部分124の第1方向に沿った厚さは、周期的に、階段状に変化している。
または、第2部分125は、図6(d)に表されるように、第1面に沿って広がっていてもよい。第2部分125は、第1方向に沿う面と第2方向に沿う面とを有する突出部分125bを含む。突出部分125bは、例えば、第2方向において複数設けられ、それぞれの突出部分125bは、第3方向に延びている。
または、第2部分125は、図6(d)に表されるように、第1面に沿って広がっていてもよい。第2部分125は、第1方向に沿う面と第2方向に沿う面とを有する突出部分125bを含む。突出部分125bは、例えば、第2方向において複数設けられ、それぞれの突出部分125bは、第3方向に延びている。
図7(a)および図7(b)は、第1実施形態に係る発光素子の他の一例を表す模式断面図である。第1層11は、図7(a)に表される発光素子102、または図7(b)に表される発光素子103のように、基板1と第2電極32との間以外に設けられていてもよい。これらの図に表される例において、第1層11は、第1電極31と発光層41との間に設けられている。
第1層11は、基板1と第2電極32との間、および第1電極31と発光層41との間の両方に設けられていてもよい。第1層11は、基板1と第2電極32との間の第1方向における第1位置、および第1電極31と発光層41との間の第1方向における第2位置の少なくともいずれかに設けられる。
図7(a)に表される例において、第1層11と第1電極31との界面は、凹凸構造を有する。具体的な一例として、第1層11および第1電極31の界面と、第2電極32と、の間の距離は、第2方向において、周期的に変化している。この例において、第1層11は、電子注入層または電子輸送層として機能しうる。または、第1層11は、電子注入層として機能する層と、電子輸送層として機能する層と、を含んでいてもよい。
図7(b)に表される例において、第1層11は、図5(a)〜図5(c)のいずれかに表される構造を有する。この場合、第1層11に含まれる支持部121には、導電性の材料が用いられる。第1層11に含まれる支持部121は例えば、電子輸送層として機能する。または、第1層11に含まれる支持部121は例えば、電子注入層として機能する。
図8(a)および図8(b)は、第1実施形態に係る発光素子の他の一例を表す模式断面図である。図8(a)に表される発光素子104、または図8(b)に表される発光素子105のように、第1層11に代えて、第2層12が設けられていてもよい。第2層12を設けることによって、これらが無い場合に比べて、基板1の外部に放射される光の量を増加させることができる。発光素子は、第1層11と第2層12の両方を含んでいてもよい。
図8(a)に表される例では、基板1の下面に、複数の第2層12が設けられている。第2層12は、第1電極31から第2電極32に向かう第4方向に向けて、基板1の下面から突出している。第4方向は、例えば、図8に表されるZ方向と反対の方向である。
一例において、第2層12の上面は、第4方向に対して垂直な面に沿っており、第2層12の下面は当該面に対して曲率を有する。第2層12の上面は、例えば、基板1と第2層12との界面である。第2層12の下面は、例えば、第2層12と大気との界面である。複数の第2層12は、第1方向において、発光層41の少なくとも一部と重なっている。基板1の一部は、第1方向において、複数の第2層12と発光層41との間に位置している。
図8(b)に表される例では、基板1の下面に第2層12が設けられ、第2層12は複数の突出部PPを含む。突出部PPは、第4方向に向けて、突出している。第2層12は、第1方向において、発光層41の少なくとも一部と重なっている。基板1の一部は、第1方向において、第2層12と発光層41との間に位置している。
図9(a)および図9(b)は、第1実施形態に係る発光素子についてのシミュレーション結果を表している。シミュレーションは、以下の条件で行った。
開口OP1は、図1に表されるように、第2領域R2に複数設けられ、それぞれが第2方向または第3方向に沿っている。光検出器50は、発光領域41aと第1方向において重なる位置に設けられている。第1領域R1は、光検出器50と発光層41との間に位置している。光検出器50の面積および形状は、発光領域41aと同じである。発光領域41aと、開口OP1と、の間の第2方向における距離D1は、0mmまたは0.1mmである。
シミュレーションにおいて、基板1の第1方向における厚さT1に対する開口OP1の深さD2の割合を変化させた。図9(a)に表される発光素子において、深さD2は、第2面S2と第3面S3との間の第1方向における距離でありうる。
図9(b)において、横軸は、D2/T1を表し、縦軸は、効率を表している。効率は、発光領域41aから放射された光量L0に対する、第2面S2を通って第1領域R1から外部へ出る光量L1の割合(L1/L0)である。D2/T1=0は、開口OP1が設けられていない場合の結果を表している。斜線が付された棒は、D1=0.1mmの場合の結果を表し、斜線が付されていない棒は、D1=0mmの場合の結果を表している。
図9(b)に表される結果から、開口OP1を設けることで、効率が向上していることがわかる。D2/T1が大きくなるにつれて、効率が向上していることがわかる。さらに、D1=0mmの場合は、D1=0.1mmの場合よりも効率が高いことがわかる。
図10(a)および図10(b)は、第1実施形態に係る発光素子についての他のシミュレーション結果を表している。発光素子106が第1層11を含んでいない点を除き、シミュレーションの条件は、図9(a)および図9(b)に表されるシミュレーションの条件と同様である。D1は、0mmである。
図10(b)に表される結果から、D2/T1が大きくなるにつれて、効率が向上していることがわかる。さらに、図9(b)と図10(b)の比較から、第1層11が設けられている場合、効率が大きく向上することがわかる。
図11(a)、図11(b)、図12(a)、および図12(b)は、第1実施形態に係る発光素子の他の一例を表す模式底面図である。図11(a)に表される発光素子110において、開口OP1は、第1方向に対して垂直な面に沿って、第1領域R1を囲んでいる。図11(b)に表される発光素子120において、開口OP1は、第1方向に対して垂直な面に沿って第1領域R1を囲むとともに、基板1の外縁に向けて延びている。
図12(a)に表される発光素子130では、第1方向に対して垂直な面に沿って、第1領域R1の周りに複数の開口OP1が設けられている。この例において、第1方向に対して垂直な面における開口OP1の形状は、正方形または長方形である。
同様に、図12(b)に表される発光素子140において、第1領域R1の周りに複数の開口OP1が設けられている。この例において、第1方向に対して垂直な面における開口OP1の形状は、円形または楕円形である。図12(a)および図12(b)に表される例において、開口OP1は、窪みである。
同様に、図12(b)に表される発光素子140において、第1領域R1の周りに複数の開口OP1が設けられている。この例において、第1方向に対して垂直な面における開口OP1の形状は、円形または楕円形である。図12(a)および図12(b)に表される例において、開口OP1は、窪みである。
図11(a)、図11(b)、図12(a)、および図12(b)に表される例において、それぞれの発光素子におけるA−A´断面における構造は、例えば、図2に表される構造と同様である。
図13(a)および図13(b)は、第1実施形態に係る発光素子の他の一例を表す模式図である。図13(a)は、模式平面図であり、図13(b)は、図13(a)のA−A´断面を表す模式断面図である。
発光素子150において、開口OP1は、基板1の第1面S1に設けられている。第2面S2と開口OP1との間に、基板1の一部が位置している。
発光素子150において、図11(a)、図11(b)、図12(a)、および図12(b)のいずれかに表される開口OP1の構造を採用することもできる。開口OP1は第1領域R1を囲むように第2領域R2に設けられていても良い。第1領域R1の周りに、複数の開口OP1が設けられていてもよい。
図14(a)および図14(b)は、第1実施形態に係る発光素子の他の一例を表す模式図である。図14(a)は、模式平面図であり、図14(b)は、図14(a)のA−A´断面を表す模式断面図である。
発光素子160において、開口OP1は、基板1を貫通している。開口OP1は、孔である。発光素子160においても、発光素子100と同様に、発光領域41aと第1方向において重なる空間に放射される光の量を増加させることができる。発光素子160において、図12(a)または図12(b)に表される開口OP1の構造を採用することもできる。第1領域R1の周りに複数の開口OP1が設けられていてもよい。
(第2実施形態)
図15は、第2実施形態に係る発光素子の一例を表す模式平面図である。図16は図15のA−A´断面を表す模式断面図である。
図15は、第2実施形態に係る発光素子の一例を表す模式平面図である。図16は図15のA−A´断面を表す模式断面図である。
図15および図16に表されるように、発光素子200は、基板1、第1層11、第2電極32、発光層41、および第1電極31を含む。基板1は、第1領域R1および第2領域R2を含む。第1領域R1は、発光領域41aと第1方向において重なる。第2領域R2は、第1方向に対して垂直な面に沿って、第1領域R1の周りの少なくとも一部に設けられている。第1領域R1の周りには、例えば、複数の第2領域R2が設けられている。
基板1は、第1面S1、第2面S2、第3面S3、および第4面S4を有する。第1面S1〜第3面S3は、第1方向に対して垂直な面に沿っている。第4面S4は、第1方向に沿っている。第4面S4の少なくとも一部の第1方向における位置は、第1面S1の第1方向における位置と、第3面S3の第1方向における位置と、の間にある。
第2領域R2の第1方向における厚さT2は、第1領域R1の第1方向における厚さT1よりも薄い。厚さT1から厚さT2へは、第1領域R1から第2領域R2に向かう方向において、第4面S4で階段状に変化している。
本実施形態によれば、発光領域41aから放射されて基板1に入射し、基板1の側面に向かう光を、第4面S4により第1領域R1に向けて反射させることができる。このため、発光領域41aと第1方向において重なる空間に放射される光の量を増加させることができる。
(第3実施形態)
図17(a)および図17(b)は、第3実施形態に係る発光素子の一例を表す模式図である。図17(a)は模式斜視図であり、図17(b)は模式断面図である。発光素子300は、例えば、基板1、第1層11、第2電極32、発光層41、第1電極31、および封止部80を含む。第1電極31は、第1接続部31aを含む。第2電極32は、第2接続部32aを含む。
図17(a)および図17(b)は、第3実施形態に係る発光素子の一例を表す模式図である。図17(a)は模式斜視図であり、図17(b)は模式断面図である。発光素子300は、例えば、基板1、第1層11、第2電極32、発光層41、第1電極31、および封止部80を含む。第1電極31は、第1接続部31aを含む。第2電極32は、第2接続部32aを含む。
第1電極31、発光層41、および第2電極32は、各電極の接続部を除き、封止部80により覆われている。第1電極31の一部、第2電極32の一部、および発光層41は、基板1と封止部80との間に設けられている。第1電極31の一部、第2電極32の一部、および発光層41は、第1方向に対して垂直な面に沿って、封止部80に囲まれている。封止部80は、例えば、窒化シリコンや窒化酸化シリコンなどの絶縁材料を含む。封止部80は、乾燥剤を含んでいても良い。乾燥剤として、例えば、酸化カルシウムを用いることができる。封止部80は、第1電極31、発光層41、および第2電極32が、外部の水分などと反応することを抑制しうる。
発光素子300において、開口OP1の構造として、第1実施形態で説明した種々の構造を採用可能である。図17に表されるように、開口OP1を、第2面S2に設けることで、第1面S1上への封止部80の形成を容易にすることが可能となる。
図18(a)および図18(b)は、第3実施形態に係る発光素子の他の一例を表す模式断面図である。図18(a)に表される発光素子310は、発光素子300に含まれる要素に加えて、さらに、第5層85および第6層86を含む。
第6層86は、例えば、金属を含み、発光層41から放射された光を、基板1に向けて反射させる。第5層85は、例えば、絶縁性材料を含む。第5層85は、第1電極31および第2電極32のそれぞれと、第6層86と、の間に設けられている。第5層85は、例えば、第6層86によって、第1電極31と第2電極32との間の電気的接触を防ぐために設けられる。
第6層86を設けることにより、発光領域41aから放射された光量L0に対する、第2面S2を通って第1領域R1から外部へ出る光量L1の割合(L1/L0)を向上させることが可能となる。
図18(b)に表される発光素子320は、例えば、発光素子300との比較において、封止部80に代えて封止部81を含む点で異なる。封止部81は、例えばガラスを含み、第1電極31、発光層41、および第2電極32と離間して設けられる。封止部81は、例えば、接着剤88によって、第1層11と接合されている。封止部81は、基板1に直接接合されていてもよい。封止部81の内部には、例えば、窒素ガスが充填される。
(第4実施形態)
図19(a)および図19(b)は、第4実施形態に係る発光素子の一例を表す模式図である。図19(a)は模式平面図であり、図19(b)は図19(a)のA−A´断面を表す模式断面図である。図19(a)において、封止部81は省略されている。
図19(a)および図19(b)は、第4実施形態に係る発光素子の一例を表す模式図である。図19(a)は模式平面図であり、図19(b)は図19(a)のA−A´断面を表す模式断面図である。図19(a)において、封止部81は省略されている。
発光素子400は、例えば、発光素子150が含む要素に加え、さらに、第1接続部31a、第2接続部32a、および封止部81を含む。封止部81は、例えば、接着剤88によって、第1層11と接合される。
開口OP1を第1面S1に形成する場合、発光素子400のように、複数の開口OP1を互いに離間させて設けることで、それぞれの接続部とそれぞれの電極との電気的接続を容易に行うことが可能となる。
(第5実施形態)
図20(a)および図20(b)は、第5実施形態に係る検出装置の一例を表す模式断面図である。検出装置1000は、発光素子100と、発光層41から放射された光を検出する光検出器50と、を含む。図20(a)および図20(b)において、発光層41から放射された光の路の一例を破線で表す。検出装置1000は、発光素子100に代えて、実施形態に係る他の発光素子を含んでいてもよい。
図20(a)および図20(b)は、第5実施形態に係る検出装置の一例を表す模式断面図である。検出装置1000は、発光素子100と、発光層41から放射された光を検出する光検出器50と、を含む。図20(a)および図20(b)において、発光層41から放射された光の路の一例を破線で表す。検出装置1000は、発光素子100に代えて、実施形態に係る他の発光素子を含んでいてもよい。
図20(a)に表されるように、光検出器50の少なくとも一部は、例えば、第1方向において、第1電極31の少なくとも一部、第2電極32の少なくとも一部、および発光層41の少なくとも一部と重なる。検出対象60は、例えば、光検出器50と発光素子1との間に配される。
または、図20(b)に表されるように、光検出器50の少なくとも一部は、第2方向または第3方向において、発光素子100の少なくとも一部と並んでいてもよい。この場合、光は、発光素子100から放射されて検出対象60に入射し、検出対象60によって反射または散乱される。光検出器50は、検出対象60によって反射または散乱された光を検出する。
発光素子100を用いて検出装置1000を構成することで、検出対象60に照射されて光検出器50に入射する光の量を増加させることができ、検出装置1000の検出感度および検出精度を高めることが可能となる。
図21および図22は、実施形態に係る発光素子を含む処理装置の一例を表す模式図である。図21に表すように、処理装置3000は、例えば、制御部900、発光部901、受光部902、信号処理部903、記録装置904、および表示装置909を含む。
発光部901は、実施形態に係るいずれかの発光素子を含む。受光部902は、発光部901から発せられた光を検出する光検出器を含む。制御部900から入力信号を受けた発光部901は光を発する。発せられた光は検出対象60を透過し、あるいは検出対象60により反射または散乱されて、受光部902で検出される。受光部902は検出感度を向上させるため、制御部900からバイアス信号を受信しても良い。
受光部902で検出した信号は、信号処理部903に出力される。信号処理部903は、受光部902からの信号を受信し、当該信号に対して、例えば、AC検波、信号増幅、およびノイズ除去などの処理が適宜行われる。信号処理部903は適切な信号処理を行うために、制御部900から同期信号を受信してもよい。信号処理部903から、発光部901の光量を調整するためのフィードバック信号を制御部900に送信してもよい。信号処理部903で生成された信号は記録装置904に保存され、表示装置909に情報が表示される。
処理装置3000は、記録装置904および表示装置909を含んでいなくてもよい。この場合、信号処理部903で生成された信号は、例えば、処理装置3000の外部の記録装置および表示装置に出力される。
図22を参照して、処理装置3000をより具体的に説明する。図22に表されるように、発光部901は、制御部900のパルス生成器900aからDCバイアス信号あるいはパルス信号を含む入力信号905を受信する。発光部901から発せられた光は、検出対象60を透過し、あるいは検出対象60により反射または散乱されて、受光部902で検出される。受光部902は、制御部900のバイアス回路900bよりバイアス信号を受信しても良い。受光部902で検出された信号は、信号処理部903に入力される。信号処理部903では受光部902からの信号を、必要に応じてAC検波した後、増幅器903aで増幅し、不要なノイズ成分をフィルター部903bで除去する。信号同期部903cは、フィルター部903bから出力された信号を受信するとともに、制御部900から同期信号906を適宜受信し、光と同期させる。
信号同期部903cから出力された信号は信号整形部903dに入力される。処理装置3000は、信号同期部903cを含んでいなくてもよい。この場合、フィルター部903bから出力された信号は、信号同期部903cを介さず、信号整形部903dに入力される。
信号整形部903dにおいて、信号計算部903eで適切な信号処理が行われるように所望の信号に整形される。信号整形は例えば、時間平均などが行われる。信号処理部903において、AC検波および各処理部で行われる処理の順番は、適宜変更可能である。信号処理部903の信号計算部903eから、計算値904aが記録装置および表示装置へ出力される。
図23〜図26は、実施形態に係る発光素子を用いて脈波を測定している様子を表す模式図である。図23〜図26に表される例では発光素子100が用いられている。発光素子100に代えて、いずれかの実施形態に係る他の発光素子を用いてもよい。
図23(a)および図23(b)は、指610中の血管611の脈波を検出する際の様子を表している。生体箇所は、指610以外に、耳、胸部、または腕など、任意に選ぶことができる。
図23(a)に表される例において、発光素子100から発せられた光303は、血管611を透過して、光検出器50で検出される。図23(b)に表される例において、発光素子100から発せられた光304は、血管611で反射または散乱され、光検出器50で検出される。このとき、光検出器50では、血管611の血流を反映した信号が検出される。検出された信号は例えば図21および図22に示す信号処理部903で信号処理され、脈拍が計測される。
図24(b)に表されるように、発光素子100の第1電極31と第2電極32には、入力信号Vinとして、例えば、一定の電圧が印加される。図24(a)に表されるように、光検出器50は、指610を透過した光、あるいは指610で反射され、または散乱された光を検出する。このとき、図24(c)に表されるように、光検出器50で検出される信号Voutには、血中の信号が重畳されている。
または、図25(a)および図25(b)に表されるように、発光素子100の第1電極31と第2電極32には入力信号Vinとしてパルス電圧が印加され、発光素子100から光が放射されてもよい。図25(c)に表されるように、光検出器50では、血中の信号が重畳された光が検出される。
図26(a)および図26(b)は、入力信号Vinとしてパルス電圧が印加された場合の、検出された光信号の一例を表している。図26(b)は、図26(a)の破線で囲まれた部分を拡大した様子を表している。発光素子100に印加されるパルス電圧の周波数が、脈波の周波数よりも十分早い場合、図26(a)および図26(b)に表されるように、各光パルスの光信号だけを見ると脈波信号が得られる。脈波は典型的には1Hz程度であり、パルス電圧の周波数は、例えば、100Hz〜100KHzとすることができる。図25および図26に表されるパルス電圧を用いた形態は、図24に表される定電圧を用いた形態に比べ、発光素子100を発光させている時間が短いため、発光素子100の劣化を抑制し、消費電力を低減できる点で有利である。
図27(a)〜図27(c)は、実施形態に係る発光素子を含む処理装置を表す模式図である。処理装置4001〜4003は、発光部901、受光部902、および制御部/信号処理部910を含む。発光部901は、実施形態に係る発光素子を含む。
処理装置4001において、発光部901は支持基板901S上に設けられ、受光部902は支持基板902S上に設けられている。処理装置4001は、発光部901、受光部902、および制御部/信号処理部910が、それぞれ独立に設けられた構成を有する。
処理装置4002において、発光部901および受光部902は、共通の支持基板901S上に設けられている。処理装置4003において、発光部901、受光部902、および制御部/信号処理部910が共通の支持基板901S上に設けられている。発光部901および受光部902のいずれか一方と、制御部/信号処理部910と、を共通の支持基板上に設けてもよい。
このように、処理装置の構成として、種々の構成を採用可能である。
このように、処理装置の構成として、種々の構成を採用可能である。
図28(a)〜図28(e)は、実施形態に係る発光素子を含む処理装置の用途を例示する模式図である。それぞれの例において処理装置は、例えば、脈拍および/または血中の酸素濃度を測定する。
図28(a)に表される例において、処理装置5001は指輪に含まれる。処理装置5001は、例えば、処理装置5001に接する指の脈を検出する。図28(b)に表される例では、処理装置5002は腕輪に含まれる。処理装置5002は、例えば、処理装置5002に接する腕または足の脈を検出する。
図28(c)に表される例では、処理装置5003はイヤホンに含まれる。図28(d)に表される例では、処理装置5004はメガネに含まれる。処理装置5003および5004は、例えば、耳たぶの脈を検出する。図28(e)に表される例では、処理装置5005は携帯電話またはスマートフォンのボタンや画面などに含まれる。処理装置5005は、例えば、処理装置5005に触れた指の脈を検出する。
図29は、図28に表される処理装置を用いたシステムを例示する模式図である。
例えば、処理装置5001〜5005は、測定したデータを有線あるいは無線でデスクトップPC、ノートPC、またはタブレット端末などの機器5010に転送する。あるいは、処理装置5001〜5005は、データをネットワーク5020に転送してもよい。
例えば、処理装置5001〜5005は、測定したデータを有線あるいは無線でデスクトップPC、ノートPC、またはタブレット端末などの機器5010に転送する。あるいは、処理装置5001〜5005は、データをネットワーク5020に転送してもよい。
機器5010またはネットワーク5020を利用して、処理装置によって測定されたデータを管理することができる。または測定されたデータを解析プログラムなどを用いて解析し、管理あるいは統計処理を行っても良い。測定されたデータが脈拍または血中の酸素濃度である場合、任意の時間ごとにデータの集計を行うことができる。集計されたデータは、例えば、健康管理に利用される。病院であれば、例えば、患者の健康状態を常時モニタリングするために利用される。
上記の各実施形態によれば、脈波などの微弱な信号の検出に適した発光素子、検出装置、および処理装置が提供できる。
なお、本願明細書において、「垂直」は、厳密な垂直だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、基板1、第1層11、第2層12、第1電極31、第2電極32、発光層41、第3層43、第4層44、光検出器50、封止部80、81、第5層85、第6層86、支持部121、粒子122、制御部900、受光部902、信号処理部903、記録装置904、および表示装置909などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した発光素子、検出装置、および処理装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての発光素子、検出装置、および処理装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Claims (20)
- 光透過性の基板と、
第1電極と、
前記基板の一部と前記第1電極との間に設けられた光透過性の第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた発光層と、
を備え、
前記基板は、
前記第2電極から前記第1電極に向かう第1方向において、前記発光層の少なくとも一部と重なる第1領域と、
前記第1方向に対して垂直な面に沿って、前記第1領域の周りに設けられた第2領域と、
を含み、
前記基板は、前記第2領域の少なくとも一部に設けられた開口を有する発光素子。 - 前記開口の少なくとも一部は、前記第1領域と前記第2領域との境界に沿う請求項1記載の発光素子。
- 前記開口は、前記第1方向に対して垂直な前記面に沿って、前記第1領域を囲む請求項1記載の発光素子。
- 前記基板は、複数の前記開口を有し、
前記複数の前記開口は、前記第1方向に対して垂直な前記面に沿って、前記第1領域の周りに設けられた請求項1記載の発光素子。 - 前記基板は、前記第1電極側の第1面を有し、
前記基板の一部は、前記開口と前記第1面との間に設けられた請求項1記載の発光素子。 - 前記基板は、前記第1電極側の第1面と、前記第1面と反対側の第2面と、を有し、
前記基板の一部は、前記開口と前記第2面との間に設けられた請求項1記載の発光素子。 - 前記開口は、前記第1方向に沿って前記基板を貫通している請求項1記載の発光素子。
- 光透過性の第1層をさらに備え、
前記第1層の少なくとも一部は、前記基板の少なくとも一部と前記第1電極との間に設けられ、
前記第1層は、前記第1層に入射した光の進行方向を変更可能である請求項1記載の発光素子。 - 前記第1層は、前記第1層に入射した光を散乱させる請求項8記載の発光素子。
- 前記第1層は、複数の粒子を含み、前記複数の粒子の少なくともいずれかの径は、前記発光層から放射される光のピーク波長の1/10よりも大きい請求項8記載の発光素子。
- 前記第1層は、第1部分と、第2部分と、を含み、
前記第1部分は、前記第1方向に対して垂直な前記面に沿って前記第2部分の周りに設けられ、
前記第2部分の屈折率は、前記第1部分の屈折率よりも小さい請求項8記載の発光素子。 - 前記発光層は、有機物および有機化合物の少なくともいずれかを含む請求項1記載の発光素子。
- 前記発光層は、前記第1方向において前記第1電極と前記第2電極との間に位置する発光領域を含み、
前記基板の第1方向における厚さTと、
前記発光領域と前記開口との間の、前記第1方向に対して垂直な第2方向における距離Dと、
前記基板の屈折率nと、は、
D≦T/tanθ、かつθ=arctan(1/n)を満たす請求項1記載の発光素子。 - D≦T/2tanθを満たす請求項13記載の発光素子。
- 封止部をさらに備え、
前記発光層は、前記第1方向において前記前記封止部の一部と前記基板の一部との間に設けられ、
前記発光層は、前記第1方向に対して垂直な前記面に沿って、前記封止部に囲まれた請求項1記載の発光素子。 - 請求項1に記載の前記発光素子と、
前記発光素子から放射された光を検出する光検出器と、
を備えた検出装置。 - 前記光検出器の少なくとも一部は、前記第1方向において、前記発光素子の少なくとも一部と重なる請求項16記載の検出装置。
- 前記光検出器の少なくとも一部は、前記第1方向に対して垂直な第2方向において、前記発光素子の少なくとも一部と重なる請求項16記載の検出装置。
- 請求項16記載の前記検出装置と、
前記検出装置において検出された信号を受信し、前記信号を処理する処理部と、
を備えた処理装置。 - 光透過性の基板と、
第1電極と、
前記基板の一部と前記第1電極との間に設けられた光透過性の第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた発光層と、
を備え、
前記基板は、
前記第2電極から前記第1電極に向かう第1方向において、前記発光層の少なくとも一部と重なる第1領域と、
前記第1方向に対して垂直な面に沿って、前記第1領域の周りの少なくとも一部に設けられた第2領域と、
を含み、
前記第2領域の前記第1方向における厚さは、前記第1領域の前記第1方向における厚さよりも薄い発光素子。
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