KR20190113817A - 적어도 하나의 대상체의 광학적 검출을 위한 검출기 - Google Patents

적어도 하나의 대상체의 광학적 검출을 위한 검출기 Download PDF

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KR20190113817A
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크리스토프 룽겐슈미트
크리스티안 본시그노르
앤크 한드렉크
인그마르 브루더
로베르트 센트
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트리나미엑스 게엠베하
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Abstract

적어도 하나의 대상체(112)의 광학적 검출을 위한 검출기(110)가 제안된다. 검출기(110)는, - 적어도 하나의 센서 영역(130)을 갖고, 변조 입사 광빔(132)에 의해 상기 센서 영역(130)의 조명에 의존하는 방식으로 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계되는 적어도 하나의 광학 센서 ― 상기 센서 신호는 상기 광빔(132)의 변조 주파수에 의존하고, 상기 센서 영역(130)은 적어도 두 개의 전극(166, 174)을 포함하는 적어도 하나의 용량성 소자(134)를 포함하고, 상기 전극(166, 174) 사이에는 적어도 하나의 절연층(178) 및 적어도 하나의 감광층(180)이 매립되며, 상기 전극(166, 174) 중 적어도 하나는 상기 광빔(132)에 대해 적어도 일부가 광학적으로 투명함 ―, 및 - 상기 센서 신호를 평가함으로써 상기 대상체(122)의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된 적어도 하나의 평가 장치(150)를 포함한다. 특히, 광학 센서는 적어도 하나의 종 방향 센서 신호를 생성하도록 설계된 종 방향 광학 센서(114)이며, 여기서, 상기 종 방향 센서 신호는, 조명의 동일한 총 전력이 주어지면, 상기 센서 영역(130) 내의 상기 광빔(132)의 빔 단면에 또한 의존하며, 상기 평가 장치(150)는, 상기 종 방향 센서 신호를 평가함으로써 상기 대상체(112)의 종 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 광학 센서는 횡 방향 광학 센서(160)일 수 있고, 여기서, 상기 전극(166, 174) 중 하나는 상기 입사 광빔(132)이 상기 센서 영역(130)에 충돌하는 위치를 결정하도록 구성된 전기 전도도가 낮은 전극층(222)이고, 상기 횡 방향 광학 센서(160)는 상기 입사 광빔(132)이 상기 센서 영역(130)에 충돌하는 위치에 의존하는 적어도 하나의 횡 방향 센서 신호를 생성하도록 설계되며, 상기 평가 장치(150)는 상기 횡 방향 센서 신호를 평가함으로써, 상기 대상체(112)의 횡 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된다. 그에 따라, 충돌하는 광 스폿의 크기의 변화에 따라 추출된 ac 광전류의 강한 비선형 동작을 나타내는 공간에서의 적어도 하나의 대상체의 위치를 정확하게 결정하기 위한 간단하고 여전히 효율적인 검출기가 제공되며, 다른 한편으로는, 용이한 준비를 가능하게 한다.

Description

적어도 하나의 대상체의 광학적 검출을 위한 검출기
본 발명은 적어도 하나의 대상체의 광학적 검출을 위한 검출기에 관한 것이며, 특히, 구체적으로는, 적어도 하나의 대상체의 깊이나 폭, 또는 깊이 및 폭 모두와 관련하여 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하기 위한 검출기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 인간-기계 인터페이스, 엔터테인먼트 장치, 스캐닝 장치, 추적 시스템 및 카메라에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 적어도 하나의 대상체의 광학적 검출을 위한 방법 및 검출기의 다양한 용도에 관한 것이다. 이러한 장치, 방법 및 용도는, 예를 들어, 일상 생활, 게임, 교통 기술, 공간 매핑, 생산 기술, 보안 기술, 의료 기술 또는 과학 분야의 다양한 영역에서 채용될 수 있다. 그러나, 추가 응용도 가능하다.
광학 검출기에 기초하여 적어도 하나의 대상체를 광학적으로 검출하기 위한 다양한 검출기가 공지되어 있다. WO 2012/110924 A1은 적어도 하나의 광학 센서를 포함하는 광학 검출기를 개시하고 있으며, 상기 광학 센서는 적어도 하나의 센서 영역을 나타낸다. 여기서, 광학 센서는 센서 영역의 조명에 의존하는 방식으로 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계된다. 소위 "FiP 효과"에 따르면, 센서 신호는, 조명의 동일한 총 전력이 주어지면, 조명의 기하학적 구조, 특히, 센서 영역상에서의 조명의 빔 단면에 의존한다. 또한, 검출기는 센서 신호로부터 적어도 하나의 기하학적 정보 항목, 특히, 조명 및/또는 대상체에 관한 적어도 하나의 기하학적 정보의 항목을 생성하도록 설계된 적어도 하나의 평가 장치를 구비한다.
WO 2012/110924 A1에 개시된 예시적인 광학 센서는 유기 태양 전지, 염료 태양 전지 및 DSC(Dye-sensitized Solar Cell), 바람직하게는 ssDSC(solid-state DSC)를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 여기서, DSC는 일반적으로 적어도 2개의 전극을 갖는 설정을 말하며, 적어도 하나의 전극은 적어도 부분적으로 투명하고, 적어도 하나의 n-반도전성 금속 산화물, 적어도 하나의 염료 및 적어도 하나의 전해질 또는 p-반도전성 재료는 전극들 사이에 매립된다. 이러한 종류의 광학 센서에서, 센서 신호는, 변조된 광이 센서 영역 상에 집속될 때, 강화되는 ac 광전류의 형태로 제공될 수 있다.
WO 2014/097181 A1은 적어도 하나의 횡 방향 광학 센서 및 적어도 하나의 종 방향 광학 센서를 사용하여, 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하는 방법 및 검출기를 개시하고 있다. 바람직하게, 종 방향 광학 센서의 스택은, 특히 높은 정확도로 또한 모호함이 없이 대상체의 종 방향 위치를 결정하기 위해 채용된다. 일반적으로, 적어도 2개의 개별적인 "FiP 센서", 즉, FiP 효과에 기초한 광학 센서가 모호성없이 대상체의 종 방향 위치를 결정하기 위해 필요하며, 여기서 적어도 하나의 FiP 센서가 조명 전력의 가능한 변화를 고려하여 종 방향 센서 신호를 정규화하는데 사용된다. 또한, WO 2014/097181 A1은 대상체의 위치를 결정하기 위한 적어도 하나의 검출기를 각각 포함하는 인간-기계 인터페이스, 엔터테인먼트 장치, 추적 시스템 및 카메라를 개시하고 있다.
WO 2016/092454 A1은 광빔을 검출하고, 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 광학 센서 - 여기서, 광학 센서는 적어도 하나의 센서 영역을 구비하며, 센서 신호는 광빔에 의한 센서 영역의 조명에 대한 비선형 의존성을 나타냄 - 와, 광빔을 검출하고 적어도 하나의 이미지 신호를 생성하도록 구성된 이미지 픽셀의 픽셀 매트릭스를 포함하는 픽셀화된 센서인 적어도 하나의 이미지 센서 - 여기서, 이미지 신호는 광빔에 의한 이미지 픽셀의 조명에 선형 의존성을 나타냄 -, 및 센서 신호 및 이미지 신호를 평가하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함하는 광학 검출기를 개시한다. 바람직한 실시예에서, 광학 센서는 센서 영역을 구성하는 다수의 개별 센서 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이에 의해 적어도 부분적으로 확립된 픽셀화된 광학 센서이다. 여기서, 적어도 하나의 전자 소자는 각각의 센서 픽셀과 동일한 표면 상의 센서 픽셀의 근방, 특히, 각각의 센서 픽셀의 근방에 배치될 수 있으며, 전자 소자는 해당 센서 픽셀에 의해 제공된 신호의 평가에 기여하도록 적응될 수 있으므로, 개별 센서 픽셀에 의해 제공되는 신호의 더 빠른 판독을 허용할 수 있는 용량을 구성할 수 있다.
WO 2016/120392 A1은 FiP 효과를 나타낼 수 있는 또 다른 종류의 광학 센서를 개시한다. 여기서, 광학 센서의 센서 영역은 바람직하게 황화 납(PbS), 셀렌화 납(PbSe), 텔루르화 납(PbTe), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 인화 인듐(InP), 황화 카드뮴(CdS), 셀렌화 카드뮴(CdSe), 안티몬화 인듐(InSb), MCT(mercury cadmium telluride, HgCdTe), CIS(Copper Indium Sulfide), CIGS(Copper Indium Gallium Selenide), 황화 아연(ZnS), 셀렌화 아연(ZnSe), CZTS(Copper Zinc Tin Sulfide), 이들의 고용액 및/또는 도핑된 변이체로부터 선택된 광전도성 재료를 포함한다. 여기서, 광전도성 재료는 절연 기판, 특히, 세라믹 기판, 또는 유리나 석영과 같은 투명/반투명 기판 상에 증착된다. 또한, FiP 효과는 수소화 비정질 반도체성 재료, 특히, 센서 영역에 위치한 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)에서 관찰될 수 있다.
특히, 누설 전류를 줄이기 위해 CMOS 트랜지스터 내의 얇은 실리콘 이산화물층을 게이트 유전체로 대체할 수 있는 기능을 가진, 커패시터에서 높은 κ 산화물을 사용하는 것으로 시작된 J. Robertson의 High Dielectric Constant Oxides(The European Physical Journal Applied Physics, Vol. 28, No. 3, 265-291 페이지, 2004년)는 높은 κ 산화물의 선택, 그 구조 및 야금학적 거동(metallurgical behavior), 원자 확산, 증착, 계면 구조 및 반응, 전자 구조, 결합, 밴드 오프셋(band offset), 이동도 저하, 플랫 밴드 전압 이동 및 전자 결함의 선택을 막라하는 검토를 제공한다.
L. Biana, E. Zhua, J. Tanga, W. Tanga, Fujun Zhang의 Progress in Polymer Science 37(2012년, p.1292-1331)은 OPV(Organic PhotoVoltaic) 전지를 위한 공액 폴리머에 대한 검토를 제공한다. 여기에서, 상기 저자들은, 특히 용액 처리 기술(solution-processing technique)을 사용하여 대면적의 플렉서블 장치를 비용 효율적으로 생산할 수 있는 잠재성으로 인해 PSC(Polymer Solar Cell)를 대체 광전 변환 기술로서 부상시켰다고 설명하고 있다. 전형적으로, PSC는 BHJ(Bulk-HeteroJunction) 아키텍처를 채택하며, 여기서, 감광층(photosensitive layer)은 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PC60BM) 또는 [6,6]-페닐-C71-부티르산 메틸 에스테르(PC71BM)와 같은 가용성 풀러렌 기반 전자 수용체와 공여 중합체의 혼합 용액으로부터 캐스팅되고 두 개의 전극 사이에 위치되어 있다. 따라서, 전형적인 BHJ 태양 전지는 투명 전도성 폴리머 층, 통상 PEDOT:PSS로 덮인 ITO(Indium Tin Oxide) 코팅된 유리 기판으로 구성된다. 공여 중합체 및 풀러렌 유도체를 포함하는 혼합물은 PEDOT:PSS 층의 상부에 위치되고, 금속, 바람직하게는, 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)의 박막은 음극인 감광층 상에 증착된다. 여기에서, 공여 중합체는 주 태양광 흡수제 및 정공 수송층으로서 작용하는 반면, 저분자는 전자를 수송하도록 구성된다.
풀러렌은 일반적으로 BHJ OPV에서 수용 재료로 사용되지만, 풀러렌이 아닌 분자 수용체도 알려져있다. 문헌[A. Facchetti, Materials Today, Vol. 16, No. 4, 2013년, 123-132페이지]에는 n 형 반도전성 폴리머가 풀러렌 또는 다른 저분자 대신에 전자 수용체로서 사용되는 중합체 공여자-중합체 수용체(모든 중합체) BHJ OPV를 검토하고 있다. 이러한 종류의 BHJ OPV는, 특히, 가시 스펙트럼 영역 및 근적외선 스펙트럼 영역에서 높은 흡수 계수, 에너지 레벨의 보다 효율적인 조정 및 용액 점도 제어의 유연성 증대 등 다양한 이점을 나타낸다. 또한, 감광성 혼합 조성물들이 제공되어 있으며, 각각의 조성물은 선택된 공여 중합체 및 선택된 수용 중합체를 포함한다.
상술한 장치 및 검출기가 갖는 이점에도 불구하고, 단순하고, 비용면에서 효율적이고, 여전히 신뢰성있는 공간 검출기에 대한 개선이 여전히 필요하다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이러한 유형의 공지된 장치 및 방법의 단점을 적어도 실질적으로 방지하는, 적어도 하나의 대상체를 광학적으로 검출하는 장치 및 방법을 특정하는 것이다. 특히, 공간에서 대상체의 위치를 결정하기 위한, 단순하고, 비용 효율적이며, 여전히 신뢰할 수 있는 공간 검출기가 바람직할 수 있다.
보다 상세하게는, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 센서 영역 내의 재료를 포함하는 광학 검출기를 제공하는 것이며, 이러한 광학 검출기는 한편으로는 충돌하는 광 스폿의 크기의 변화(FIP 효과)에 따라 추출된 ac 광전류의 강한 비선형 거동을 나타낼 수 있지만, 다른 한편으로는 용이한 준비를 가능하게 할 수 있다. 이와 관련하여, 더 큰 센서 신호를 획득할 수 있도록 공지된 FiP 장치와 비교될 수 있는 조명 레벨로 광학 검출기에서 큰 교류 광전류가 관찰될 수 있다면 바람직할 수 있다. 또한, 인 포커스 응답(in-focus response) 대 아웃 포커스 응답(out of focus response)의 비율이 광학 센서에서 또한 증가될 수 있으면 바람직할 수 있다.
이러한 과제는 특허 청구 범위의 독립항을 특징으로 하는 본 발명에 의해 해결된다. 개별적으로 또는 조합하여 실현될 수 있는 본 발명의 유리한 전개는 종속항 및/또는 하기의 명세서 및 상세한 실시예에서 제시된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "갖다", "포함하다" 및 "함유하다"라는 표현들 및 그들의 문법적 변형들은 비배타적인 방식으로 사용된다. 따라서, "A는 B를 갖는다" 또는 "A는 B를 포함한다" 뿐만 아니라, "A는 B를 함유한다"라는 표현은 B, A 이외에 하나 이상의 추가 구성 요소 및/또는 성분을 포함하며, B 이외에 A에 다른 구성 요소, 성분 또는 요소가 존재하지 않는 경우를 모두 의미할 수 있다.
본 발명의 제 1 양태에서, 광학적 검출을 위한 검출기, 특히, 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하기 위한 검출기가 개시된다. 여기서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 대상체의 광학적 검출을 위한 검출기는,
- 적어도 하나의 센서 영역을 갖고, 변조 입사 광빔에 의해 센서 영역의 조명에 의존하는 방식으로 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계되는 적어도 하나의 광학 센서 - 여기서, 상기 센서 신호는 광빔의 변조 주파수에 의존하며, 상기 센서 영역은 적어도 두 개의 전극을 포함하는 적어도 하나의 용량성 소자를 포함하고, 이들 전극 사이에는 적어도 하나의 절연층 및 적어도 하나의 감광층이 매립되며, 이들 전극 중 적어도 하나는 광빔에 대해 적어도 일부가 광학적으로 투명함 -, 및
- 상기 센서 신호를 평가함으로써, 대상체의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된 적어도 하나의 평가 장치를 포함한다.
"대상체"는 일반적으로 생물체 및 무생물체 중에서 선택되는 임의의 대상체일 수 있다. 따라서, 일 예로서, 적어도 하나의 대상체는 하나 이상의 물품 및/또는 물품의 하나 이상의 부분을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 대상체는 하나 이상의 생명체(예컨대, 사용자 및/또는 동물) 및/또는 그 생명체의 하나 이상의 부위(예컨대, 인간의 하나 이상의 신체 부위)이거나 이를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "위치"는 일반적으로 공간에서 대상체의 위치 및/또는 방위에 관한 정보의 임의의 항목을 지칭한다. 이를 위해, 예를 들어, 하나 이상의 좌표계가 사용될 수 있으며, 대상체의 위치는 1, 2, 3 또는 그 이상의 좌표를 사용하여 결정될 수 있다. 예로서, 하나 이상의 직교 좌표계 및/또는 다른 유형의 좌표계가 사용될 수 있다. 일 예에서, 좌표계는 검출기가 사전 결정된 위치 및/또는 방위를 갖는 검출기의 좌표계일 수 있다. 이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 검출기는 검출기의 주 시야 방향을 구성할 수 있는 광축을 가질 수 있다. 광축은 z축과 같은 좌표계의 축을 형성할 수 있다. 또한, 바람직하게는, z축에 수직인 하나 이상의 부가적인 축이 제공될 수 있다.
따라서, 일 예로서, 검출기는 광축이 z축을 형성하고, z축에 수직인 x축 및 y축이 추가적으로 제공될 수 있으며, 또한 이들 x축과 y축은 서로 수직인 좌표계를 구성할 수 있다. 예를 들어, 검출기 및/또는 검출기의 일부는 이 좌표계의 원점과 같은 좌표계 내의 특정 지점에 위치될 수 있다. 이러한 좌표계에서, z축에 평행하거나 또는 역평행한(antiparallel) 방향은 "종 방향"으로 간주될 수 있으며, z축을 따르는 좌표는 "종 방향 좌표"로 간주될 수 있다. 종 방향에 수직인 임의의 방향은 "횡 방향"으로 간주될 수 있으며, x 및/또는 y 좌표는 "횡 방향 좌표"로 간주될 수 있다.
대안적으로, 다른 유형의 좌표계가 사용될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 광축이 z축을 형성하고, z축으로부터의 거리 및 극각(polar angle)이 추가 좌표로서 사용될 수 있는 극 좌표계가 사용될 수 있다. 다시, z축에 평행하거나 역평행한 방향은 종 방향으로 간주될 수 있고, z축을 따르는 좌표는 종 방향 좌표로 간주될 수 있다. z축에 수직인 임의의 방향은 횡 방향으로 간주될 수 있고, 극 좌표 및/또는 극각은 횡 방향 좌표로 간주될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 광학적 검출용 검출기는 일반적으로 적어도 하나의 대상체의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 제공하도록 구성된 장치이다. 검출기는 고정형 장치(stationary device) 또는 이동형 장치(mobile device)일 수 있다. 또한, 검출기는 독립형 장치(stand-alone device)이거나, 컴퓨터, 차량 또는 임의의 다른 장치와 같은 다른 장치의 일부를 형성할 수도 있다. 또한, 검출기는 휴대용 장치일 수 있다. 검출기의 다른 실시예도 가능하다.
검출기는 임의의 가능한 방식으로 적어도 하나의 대상체의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 정보는, 예컨대, 전자적, 시각적, 음향적 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다. 정보는 검출기 또는 별도의 장치의 데이터 저장부에 추가로 저장될 수 있고/있거나, 무선 인터페이스 및/또는 유선 접속 인터페이스와 같은 적어도 하나의 인터페이스를 통해 제공될 수도 있다.
본 발명의 이러한 양태에서, 광학적 검출용 검출기, 특히, 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하기 위한 검출기는 구체적으로 적어도 하나의 대상체의 종 방향 위치(깊이), 적어도 하나의 대상체의 횡 방향 위치(폭), 또는 적어도 하나의 대상체의 공간 위치(깊이 및 폭 모두)를 결정하기 위해 지정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 양태에서, 적어도 하나의 대상체의 종 방향 위치(깊이)를 결정하기 위한 검출기가 개시된다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 대상체의 깊이의 광학적 검출을 위한 검출기는,
- 적어도 하나의 센서 영역을 갖고, 변조 입사 광빔에 의해 센서 영역의 조명에 의존하는 방식으로 적어도 하나의 종 방향 센서 신호를 생성하도록 설계된 적어도 하나의 종 방향 광학 센서 - 상기 종 방향 센서 신호는, 조명의 동일한 총 전력이 주어지면, 센서 영역 내의 광빔의 빔 단면과 광빔의 변조 주파수에 의존하며, 상기 센서 영역은 적어도 두 개의 전극을 포함하는 적어도 하나의 용량성 소자를 포함하고, 이러한 전극들 사이에는 적어도 하나의 절연층 및 적어도 하나의 감광층이 매립되며, 이러한 전극들 중 적어도 하나는 광빔에 대해 적어도 일부가 광학적으로 투명함 -, 및
- 상기 종 방향 센서 신호를 평가함으로써 대상체의 종 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된 적어도 하나의 평가 장치를 포함한다.
여기에서, 위에 열거된 구성 요소들은 별도의 구성 요소들일 수 있다. 대안적으로, 위에 열거된 2 이상의 구성 요소가 하나의 구성 요소로 통합될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 평가 장치는 종 방향 광학 센서와는 독립적인 별도의 평가 장치로서 형성될 수 있지만, 바람직하게는, 종 방향 센서 신호를 수신하기 위해 종 방향 광학 센서에 접속될 수 있다. 대안적으로, 적어도 하나의 평가 장치는 종 방향 광학 센서에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다.
본 발명의 이러한 양태에 따른 검출기는 적어도 하나의 종 방향 광학 센서를 포함한다. 여기에서, 종 방향 광학 센서는 적어도 하나의 센서 영역, 즉, 종 방향 광학 센서 내의 영역이 입사 광빔에 의한 조명에 민감한 영역을 갖는다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "종 방향 광학 센서"는 일반적으로 광빔에 의한 센서 영역의 조명에 의존하는 방식으로 적어도 하나의 종 방향 센서 신호를 생성하도록 설계된 장치이며, 상기 종 방향 센서 신호는, 조명의 동일한 총 전력이 주어지면, 소위 "FiP 효과"에 따라 센서 영역에서 광빔의 빔 단면에 의존한다. 따라서, 종 방향 센서 신호는 일반적으로 깊이로도 표시될 수 있는 종 방향 위치를 나타내는 임의의 신호일 수 있다. 일 예로서, 종 방향 센서 신호는 디지털 신호 및/또는 아날로그 신호이거나 이들을 포함할 수 있다. 일 예로서, 종 방향 센서 신호는 전압 신호 및/또는 전류 신호이거나 이들을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 종 방향 센서 신호는 디지털 데이터이거나 이를 포함할 수 있다. 종 방향 센서 신호는 단일 신호값 및/또는 일련의 신호값을 포함할 수 있다. 종 방향 센서 신호는, 2개 이상의 신호를 평균화하는 것 및/또는 2개 이상의 신호의 몫을 형성하는 것과 같이, 2개 이상의 개별 신호를 결합함으로써 도출되는 임의의 신호를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, FiP 효과는 광학 센서로 구성된 용량성 소자를 사용하여 관찰할 수 있다. 여기서, 용량성 소자는, 전술한 바와 같이, 입사 광빔에 의해 조명에 민감한 광학 센서 내의 영역을 구성하는 센서 영역으로 구성된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 적어도 하나의 용량성 소자는 실제로 광학 센서 자체의 센서 영역에 의해 구성된다. 이러한 특징은, 특히, WO 2016/092454 A1에 개시된 광학 검출기와 대조적으로, 개별 센서 픽셀이 제공하는 신호를 더 빨리 판독할 수 있도록 구성된 적어도 하나의 전자 소자(특히, 용량)는 각각의 센서 픽셀과 동일한 표면 상에 센서 영역을 구성하는 다수의 개별 센서 픽셀을 포함하는 픽셀화된 광학 센서인 광학 센서의 센서 픽셀의 근처, 특히, 센서 픽셀 각각의 근처에 배치될 수 있다. 즉, WO 2016/092454 A1의 광학 센서 내의 용량은 센서 영역의 광학 수용성의 어떠한 장애도 허용하지 않기 위해 광학 센서의 주변부에 위치하지만 - 여기서, 용량은 센서 신호가 광학 센서에 의해 이미 생성된 후에 센서 신호를 평가할 목적으로 사용됨 -, 본 발명에 따른 용량성 소자는 광학 센서의 센서 영역에 의해 즉시 구성되며, 상기 용량성 소자는 전하를 생성하고 수집하기 위해 입사 광빔을 수신하도록 구성되고, 그에 따라 광학 센서의 센서 신호를 생성할 수 있다. 센서 신호의 생성 후에, 그 센서 신호는, 이하에 더 상세히 후술되는 바와 같이, 평가 장치에 포함된 추가의 커패시터와 같은 하나 이상의 추가 장치에 의해 전달되어 평가될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "용량성 소자"라는 용어는 적어도 두 개의 전극을 포함하고, 그 사이에 적어도 하나의 절연층과 적어도 하나의 감광층이 위치하는 장치에 관한 것이다. 따라서, 용량성 소자는 대안적으로 "광용량성 소자(photocapacitive device)"또는 "광활성 커패시터(photoactive capacitor)"로 명명 될 수도 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 용량성 소자는 유전체 재료가 전극 사이에 중간 매개체로서 배치되는 커패시터를 포함하며, 상기 각각의 전극은 특정 전하, 즉, 양 전하 또는 음 전하에 대한 저장부로 간주될 수 있다. 종래의 커패시터로부터 알 수 있는 바와 같이, 전극 사이에 유전체 재료를 적용하면, 특정 종류의 전하가 저장된 전극이 직접적으로 전기 접촉되는 것을 방지하여, 적어도 2개의 전극 사이에 단락이 발생하는 것을 회피할 수 있다. 또한, 일반적으로 "유전율(permittivity)"로 명명되는 유전체 재료의 특정 재료 특성에 따라서, 커패시터의 전극 사이의 유전체 재료는, 또한, 전극 사이에 진공이 있는 커패시터와 비교하여 주어진 전압에서 커패시터에 전하를 더 많이 저장하게 할 수 있다.
본 광학 센서에서, 유전체 재료는 적어도 하나의 절연층의 형태로 제공된다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "층(layer)"이라는 용어는 긴 형상과 두께를 갖는 요소를 지칭하며, 측면 치수에서 요소의 연장 길이는 요소의 두께를 적어도 10배, 바람직하게는 20배, 보다 바람직하게는 50배, 가장 바람직하게는 100 이상 초과한다. 이 정의는 또한 광전도층 또는 수송층과 같은 다른 종류의 층에도 적용될 수 있다. 또한, "절연층"이라는 용어는 층 내에서 낮은 전기 전도도를 유도하는 높은 전기 저항을 나타내는 층을 지칭한다. 일반적으로, 절연층은 전기 전도도가 10-6 S/m 미만, 바람직하게는 10 -8 S/m 미만, 보다 바람직하게는 10 -10 S/cm 미만의 값을 나타낼 수 있다. 여기에서, 전기 전도도의 값은 전류를 전달하는 층의 능력을 결정하며, 그 능력은 절연층인 경우 특히 낮아진다. 추가로 사용된 바와 같이, "전기 저항"은 특정 층에 대한 전기 전도도의 역의 값(reciprocal value)을 나타낸다.
바람직한 실시예에서, 절연층은 적어도 하나의 절연 재료를 포함하는 층을 지칭할 수 있고, "절연 재료"로도 표시될 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 절연층에 또는 절연층으로서 사용하기에 적합한, 특히, 바람직한 종류의 유전체 재료에 대한 다양한 실시예가 제공된다. 따라서, 절연층은 원칙적으로 용량성 소자에 필요한 유전체 재료를 제공하는데 적합한 임의의 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 입사 광빔이 용량성 소자의 다른 구획에 도달할 수 있도록 입사 광빔이 절연층을 가로지르는 것을 용이하게 하기 위해 절연층의 적어도 일부가 광학적으로 투명한 특성을 나타낼 수 있는 것이 유리할 수 있다. 대안적으로, 광빔에 대한 경로가 절연층을 가로 지를 필요가 없도록 구성될 수 있으면, 광학적으로 불투명한 절연층이 적용될 수도 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 층은 반도전성 재료와 같은 비절연 재료로 간주될 수 있는 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있지만, 절연층으로 간주될 수도 있다. 그러나, 비절연 재료는 그럼에도 불구하고 유전체 절연층이 생성될 수 있는 방식으로 배치 및/또는 구동될 수 있다. 특히, 바람직한 실시예에서, 절연층은 전기 절연성 성분, 특히, 적어도 하나의 반도전성 재료로 이루어진 적어도 하나의 층에 인접할 수 있는 적어도 두 층의 반도전성 재료 또는 접합부를 갖는 다이오드를 포함하며, 여기서, 전기 절연성 성분은, 바람직하게는, 전기 절연성 성분을 포함하는 층이 절연층과 비교하여 유전 특성을 나타낼 수 있는 방식으로 배열 및/또는 구동될 수 있다. 또한, 절연층으로서 또는 절연층 내에서 사용하기 위해 전기 절연 성분이 더 사용될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 절연층은 적어도 하나의 투명 절연성 금속 함유 화합물을 포함할 수 있으며, 여기서, 금속 함유 화합물은, 바람직하게는, Al, Ti, Ta, Mn, Mo, Zr, Hf, La, Y 및 W로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 적어도 하나의 금속 함유 화합물은 바람직하게는 산화물, 수산화물, 칼코겐화물, 프닉타이드(pnictide), 탄화물 또는 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 본 명세서에서, 용어 "칼코겐화물"은 산화물을 제외한 주기율표의 VI족 원소, 즉, 황화물, 셀렌화물 및 텔루르화물을 포함할 수 있는 화합물을 지칭한다. 유사한 방식으로, "프닉타이드"라는 용어는, 바람직하게, 주기율표의 V족 원소, 즉, 질화물, 인화물, 비소 및 안티몬화물을 포함할 수 있는 2원 화합물을 지칭한다. 특히, 금속 함유 화합물은, 바람직하게는, Al, Ti, Zr 또는 Hf의 적어도 하나의 산화물, 적어도 하나의 수산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 금속 및/또는 금속 함유 화합물도 또한 가능할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 기판 또는 하부층 상에 절연층을 증착시키기 위해 적어도 하나의 증착 방법이 사용될 수 있다. 이 목적을 위해, 증착 방법은, 특히, ALD(Atomic Layer Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 결과적으로, 절연층은, 특히, 바람직한 실시예에서, 원자 증착층 또는 화학적 기상 증착층이거나 이들을 포함할 수 있으며, 여기서는, 원자 증착층이 특히 바람직할 수 있다. 즉, 커버층은, 특히, 바람직한 실시예에서, ALD 프로세스나 CVD 프로세스에 의해 얻어질 수 있고, ALD 프로세스가 특히 바람직하다. 본 명세서에서, "원자층 증착", "원자층 에피택시" 또는 "분자층 증착" 및 이들 각각의 약어인 "ALD", "ALE" 또는 "MLD"와 같은 등가 용어는 일반적으로 자체 제한 프로세스 단계(self-limiting process step) 및 후속 자체 제한 재동작 단계(subsequent self-limiting re-action step)를 포함할 수 있는 증착 프로세스를 지칭하는데 사용된다. 따라서, 본 발명에 따라 적용되는 프로세스는 또한 "ALD 프로세스"로 지칭될 수 있다. ALD 공정에 대한 더 상세한 설명은 George, Chem.(2010년 p.111-131, 개정판 110)에 의해 참조될 수 있다. 또한, 일반적으로 "CVD"로 약기되는 "화학적 기상 증착"이라는 용어는 기판 또는 기판 상에 위치한 층의 표면이 적어도 하나의 기화성 전구체에 노출될 수 있는 방법을 지칭하며, 여기서, 전구체는 목적하는 증착을 생성하기 위해 표면상에서 반응 및/또는 분해될 수 있다. 종종, 발생 가능한 부산물은 표면 위로 가스 흐름을 적용함으로써 제거될 수 있다.
특히, 얇은 산화 알루미늄(Al2O3) 층이 바람직하게는 절연층으로서 사용될 수 있으며, 본 명세서에 사용된 "산화 알루미늄층" 또는 "Al2O3층"이라는 용어는, 당업자에게 공지된 바와 같이, 알루미늄 및 산화물 외에도 수산화물 독립체(hydroxide entities)를 포함할 수 있는 층을 의미한다. 여기서, 얇은 산화 알루미늄(Al2O3) 층은 1nm 내지 1000nm, 바람직하게는 10nm 내지 250nm, 특히, 20nm 내지 150nm만의 두께를 나타낼 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, Al2O3층은 바람직하게는 ALD(Atomic Layer Deposition)를 사용하여, 특히, 50℃ 내지 250℃, 바람직하게는 60℃ 내지 200℃의 적용 온도에서 제공될 수 있다. 특히, 절연층은 저온 ALD에 의해 제공될 수 있고, 여기서, 저온 ALD는 50℃ 내지 120℃, 바람직하게는 60℃ 내지 100℃의 온도에서 수행될 수 있다. 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, ALD에 의해 제공되는 산화 알루미늄층(Al2O3층)은 전술한 감소된 두께에서도 우수한 절연 특성을 나타내는 반면, 이러한 장점은 절연층의 용이한 제조에 의해 달성될 수 있음이 밝혀졌다.
대안적으로, 다른 유전체 화합물, 특히, 이산화 지르코늄(ZrO2), 실리콘 산화물(SiOx, 예컨대, SiO2), 이산화 티타늄(TiO2), 산화 하프늄(HfO2), 오산화 탄탈(Ta2O5), 산화 란탄(La2O3), 또는 산화 이트륨(Y2O3)과 같은 투명한 절연성 금속 산화물뿐만 아니라, 예컨대, 티탄산염(SrTiO3), 탄산 세슘(CsCO3), 하프늄 규산염(HfSiO4), 또는 질화 규소(Si3N4) 또는 상기 유전체 화합물들의 조합과 같은 또 다른 유전체 화합물이 또한 용량성 소자용 절연층을 제공하는 데 적합할 수 있다. 또 다른 적합한 유전체 화합물은 J. Robertson의, High dielectric constant oxides(Eur. Phys. J. Appl. Phys. 28, 265-291 (2004)) 또는 J.A. Kittl 등의, High-k Dielectrics for Future Generation Memory Devices(Microelectronic Engineering 86 (2009) 1789-1795)에서 또한 찾을 수 있다. 대안적으로, 절연층은, 특히, 폴리에틸렌이민 에톡실레이트(PEIE), 폴리에틸렌이민 (PEI), 2,9-디메틸-4,7-디페닐페난트롤린(BCP), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리(메틸메타글릴레이트)(PMMA), 트리스-(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(Alq3), 또는 (3-(4-비-페닐릴)- 4-페닐-5-(4-4급-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(TAZ)로부터 선택된 투명 유기 유전성 재료의 필름을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 재료도 또한 가능할 수 있다. 특히, 절연층에 사용되는 유전체 재료의 전기 저항률 및 유전체 재료의 증착 방법에 따라서, 절연층은 일반적으로 1nm 내지 1000nm, 바람직하게는 10nm 내지 250nm, 특히, 20nm 내지 150nm의 두께를 가질 수 있다.
또한, 절연층은 적어도 2개의 인접한 층을 갖는 적층체이거나 적층체를 포함할 수 있으며, 상기 인접한 층은, 특히, 인접한 층의 하나, 둘, 일부 또는 모두가 개개의 유전체 재료를 포함할 수 있는 방식으로 그들 각각의 성분에 따라 서로 다를 수 있다. 예로서, 적층체는 인접한 층들의 스택으로서 제공된 산화 알루미늄층 및 이산화 지르코늄을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 조합도 가능할 수도 있다.
절연층에 더하여, 본 발명에 따른 용량성 소자는 추가적으로 적어도 하나의 감광층을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "감광층"이라는 용어는 입사 광빔의 영향을 받기 용이한 재료에 관한 것이다. 특히, 입사 광빔에 의해 감광층을 조명할 때, 감광층에는 소정량의 전하 캐리어가 생성되고, 생성되는 소정량의 전하 캐리어는 입사 광빔에 의한 감광층의 조명에 따라 변화한다. 이론에 구애됨이 없이, 감광층 내에서 생성된 전하 캐리어는 후속하여, 전하 캐리어의 각 유형, 즉, 전자 또는 정공을 수집하도록 설계된 대응하는 전극에 의해 수집될 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 용량성 소자는 유전체 재료를 전극 사이에 매립하여 커패시터의 특성을 나타내므로, 진폭이 일정한 직접 입사 광빔을 제공하는 것은 모든 전극에 의해 발생된 전하 캐리어의 수집을 달성하기에 충분하지 않을 수 있는 데, 이는 유전체로 작용하는 절연층이 입사 광빔에 의해 발생되는 감광층으로부터 해당 전극으로 전하가 전달되는 것을 차단할 수 있기 때문이다. 그러나, 커패시터로부터 알려진 바와 같이, 변조된 광빔이 감광층에 적용될 때, 이러한 상황은 본질적으로 변할 수 있다. 따라서, 결과적으로, 변조 입사 광빔은 용량성 소자에서 교류 전류를 발생시킬 수 있는 대체 방식(alternating fashion)으로 전하 캐리어를 생성할 수 있는 대체 광빔으로 간주될 수 있다. 따라서, 센서 영역의 활성 부분으로 간주될 수 있는 감광층을 갖는 용량성 소자는 종 방향 광학 센서가 변조 입사 광빔에 의한 센서 영역의 조명에 의존하는 방식으로 적어도 하나의 종 방향 센서 신호를 생성하게 한다. 결과적으로, 용량성 소자를 포함하는 검출기는 FiP 효과를 나타낸다. 따라서, 용량성 소자에 의해 제공되는 종 방향 센서 신호는, 입사 변조된 입사 광빔이 종 방향 광학 센서에 포함된 센서 영역의 활성 부분으로서 감광층 상에 집속될 때, 감소하는 교류 광전류의 형태일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 광학 검출기의 용량성 소자에서 적어도 하나의 감광층은,
- 나노입자 형태로 제공되는 적어도 하나의 광전도성 재료를 포함하는 적어도 하나의 층과,
- 적어도 하나의 광전도성 재료를 포함하고 인접한 층들의 스택으로서 제공되는 적어도 2개의 개별 광전도층 - 상기 광전도층은 인접한 층 사이의 경계에서 접합부를 생성하도록 구성됨 - 과,
- 적어도 하나의 반도체 흡수체층, 바람직하게는, 비정질 실리콘, 특히, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)을 포함하는 층, 및
- 적어도 하나의 공여 재료와 하나 이상의 수용 재료를 포함하는 적어도 하나의 유기 감광층 - 상기 유기 감광층 내의 공여 재료 및 수용 재료는, 바람직하게는, 공여 재료 및 수용 재료를 포함하는 단일층으로 배열되거나, 또는 대안적으로 각각이 공여 재료나 수용 재료 중 하나를 포함하는 적어도 2개의 개별층의 형태로 배열됨 - 중 하나 이상의 형태로 제공될 수 있다.
그러나 더 많은 종류의 감광성 재료가 또한 가능할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 용량성 소자 내의 적어도 하나의 감광층은 광전도성 재료를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "광전도성 재료"라는 용어는 전류를 유지할 수 있고, 그에 따라 특정한 전기 전도도를 나타낼 수 있는 재료를 지칭하며, 상기 전기 전도도는 재료의 조명에 의존화한다. 본 발명의 목적을 위해, 광전도성 재료는 바람직하게는 무기 광전도성 재료, 유기 광전도성 재료, 그들의 조합체 및/또는 그들의 고용액 및/또는 그들의 도핑된 변이체를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "고용액"이라는 용어는 적어도 하나의 용질이 용매에 포함될 수 있는 광전도성 재료의 상태를 의미하며, 이로 인해 균질한 상이 형성되고, 용매의 결정 구조는 일반적으로 용질의 존재에 의해 변형되지 않을 수 있다. 본 명세서에서 더 사용되는 바와 같이, "도핑된 변이체"라는 용어는 재료 자체의 성분과는 별개인 단일 원자가 도핑되지 않은 상태의 고유 원자가 차지하는 결정 내의 사이트 상에 도입되는 광전도성 재료의 상태를 지칭할 수 있다. 본 발명에 따른 용량성 소자의 감광층에 적용될 수 있는 추가의 광전도성 재료의 선택을 위해, WO 2016/120392 A1에 제공되는 바와 같은 개시 내용이 참조될 수 있다.
이와 관련하여, 무기 광전도성 재료는, 특히, 하나 이상의 셀레늄, 텔루륨, 셀레늄-텔루륨 합금, 금속 산화물, IV족 원소, 특히, 실리콘 또는 IV족 화합물, 즉 적어도 하나의 IV족 원소를 갖는 화학적 화합물, Ⅲ-Ⅴ족 화합물, 즉, 적어도 하나의 Ⅲ족 원소 및 적어도 하나의 Ⅴ족 원소를 갖는 화학적 화합물, Ⅱ-Ⅵ족 화합물, 즉, 한편으로는 적어도 하나의 Ⅱ족 원소 또는 적어도 하나의 XII 족 원소, 및 다른 한편으로는 적어도 하나의 VI족 원소 및/또는 칼코겐화물을 갖는 화학적 화합물을 포함한다. 본 명세서에서, 바람직하게는 칼코겐화 설파이드, 칼코겐화 셀레나이드, 칼코겐화 텔루라이드, 삼원 칼코겐화물, 4원 이상의 칼코겐화물을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있는 칼코겐화물은 종 방향 광학 센서의 센서 영역 내의 광전도성 재료로서 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 다른 무기 광전도성 재료도 마찬가지로 이용될 수 있다.
III-V족 화합물에 대해, 이러한 종류의 반도전성 재료는 안티몬화 인듐(InSb), 질화 붕소(BN), 인화 붕소(BP), 비소화 붕소(BAs), 질화 알루미늄(AlN), 인화 알루미늄(AIP), 비소화 알루미늄(AlAs), 안티몬화 알루미늄(AlSb), 질화 인듐(InN), 인화 인듐(InP), 비소화 인듐(InAs), 안티몬화 인듐(InSb), 질화 갈륨(GaN), 인화 갈륨(GaP), 비소화 갈륨(GaAs) 및 안티몬화 갈륨(GaSb)를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상술한 화합물 또는 이런 종류의 다른 화합물의 고용액 및/또는 도핑된 변이체도 가능할 수 있다.
II-VI족 화합물에 대해서는, 이러한 종류의 반도전성 재료는 황화 카드뮴(CdS), 셀렌화 카드뮴(CdSe), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 황화 아연(ZnS), 셀렌화 아연(ZnSe), 텔루르화 아연(ZnTe), 황화 수은(HgS), 셀렌화 수은(HgSe), 텔루르화 수은(HgTe), 텔루르화 카드뮴 아연(CdZnTe), 텔루르화 카드뮴 수은(HgCdTe), 텔루르화 수은 아연(HgZnTe), 및 셀렌화 수은 아연(CdZnSe)을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 그러나 다른 II-VI족 화합물도 가능할 수 있다. 또한, 상술한 화합물 또는 이런 종류의 다른 화합물의 고용액도 또한 적용 가능할 수 있다.
칼코겐화물과 관련하여, 특히, 칼코겐화 설파이드는 황화 납(PbS), 황화 카드뮴(CdS), 황화 아연(ZnS), 황화 수은(HgS), 황화 은(Ag2S), 황화 망간(MnS), 삼황화 비스무트(Bi2S3), 삼황화 안티몬(Sb2S3), 삼황화 비소(As2S3), 황화 주석(II)(SnS), 이황화 주석(IV)(SnS2), 황화 인듐(In2S3), 황화 구리(CuS 또는 Cu2S), 황화 코발트(CoS), 황화 니켈(NiS), 이황화 몰리브덴(MoS2), 이황화 철(FeS2) 및 삼황화 크롬(CrS3)을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
특히, 칼코겐화 셀레나이드는 셀렌화 납(PbSe), 셀렌화 카드뮴(CdSe), 셀렌화 아연(ZnSe), 삼셀렌화 비스무트(Bi2Se3), 셀렌화 수은(HgSe), 삼셀렌화 안티몬(Sb2Se3), 삼셀렌화 비소(As2Se3), 셀렌화 니켈(NiSe), 셀렌화 탈륨(TlSe), 셀렌화 구리(CuSe 또는 Cu2Se), 디셀렌화 몰리브덴(MoSe2), 셀렌화 주석(SnSe), 셀렌화 코발트(CoSe) 및 셀렌화 인듐(In2Se3)을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상술한 화합물 또는 이런 종류의 다른 화합물의 고용액 및/또는 도핑된 변이체도 가능할 수 있다.
특히, 칼코겐화 텔루라이드는 텔루르화 납(PbTe), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 텔루르화 아연(ZnTe), 텔루르화 은(HgTe), 삼텔루르화 비스무트(Bi2Te3), 삼텔루르화 비소(As2Te3), 삼텔루르화 안티몬(Sb2Te3), 텔루르화 니켈(NiTe), 텔루르화 탈륨(TlTe), 텔루르화 구리(CuTe), 디텔루르화 몰리브덴(MoTe2), 텔루르화 주석(SnTe), 텔루르화 코발트(CoTe), 텔루르화 은(Ag2Te) 및 텔루르화 인듐(In2Te3)을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상술한 화합물 또는 이런 종류의 다른 화합물의 고용액 및/또는 도핑된 변이체도 가능할 수 있다.
특히, 삼원 칼코겐화물은 MCT(Mercury Cadmium Telluride, HgCdTe), 텔루르화 수은 아연(HgZnTe), 황화 수은 카드뮴(HgCdS), 황화 납 카드뮴(PbCdS), 황화 납 수은(PbHgS), CIS(Copper Indium disulfide), 설포셀렌화 카드뮴(CdSSe), 설포셀렌화 아연(ZnSSe), 설포셀렌화 탈륨(TISSe), 황화 카드뮴 아연(CdZnS), 황화 카드뮴 크로뮴(CdCr2S4), 황화 수은 크로뮴(HgCr2S4), 황화 구리 크로뮴(CuCr2S4), 셀렌화 카드뮴 납(CdPbSe), 디셀렌화 구리 인듐(CuInSe2), 인듐 갈륨 비소(InGaAs), 황화 산화 납(Pb2OS), 셀렌화 산화물(Pb2OSe), 설포셀렌화 납(PbSSe), 텔루르화 비소 셀레나이드(As2Se2Te), 인듐 갈륨 인산염(InGaP), 갈륨 비소 인산염(GaAsP), 알루미늄 갈륨 인산염(AlGaP), 카드뮴 셀레나이트(CdSeO3), 텔루르화 카드뮴 아연(CdZnTe) 및 셀렌화 카드뮴 아연(CdZnSe)을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있고, 상기에 열거한 이원 칼코겐화물 및/또는 이원 III-V족 화합물로부터의 화합물을 적용하여 추가 조합할 수 있다. 또한, 상술한 화합물 또는 이런 종류의 다른 화합물의 고용액 및/또는 도핑된 변이체도 가능할 수 있다.
4원 이상의 칼코겐화물과 관련하여, 이러한 종류의 재료는 적절한 광전도성을 나타내는 것으로 알려진 4원 이상의 칼코겐화물로부터 선택될 수 있다. 특히, Cu(In, Ga)S/Se2(CIGS), Cu2ZnSn(S/Se)4(CZTS; CZTSe) 또는 그 합금으로 구성된 화합물이 이 목적을 실현 가능하게 할 수 있다.
특히, 바람직한 실시예에서, 감광층용으로 사용되는 광전도성 재료는 양자점(quantum dot)을 포함하는 콜로이드 필름(colloidal film)의 형태로 제공될 수 있다. 따라서, 동일한 재료의 동종 층에 대해 약간 또는 현저하게 변형된 화학적 및/또는 물리적 특성을 나타낼 수 있는 광 전도성 재료의 이러한 상태는 또한 CQD(Colloidal Quantum Dot)로 표시될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "양자점(quantum dot)"라는 용어는 광전도성 재료가 전자 또는 정공과 같은 전기 전도성 입자를 포함할 수 있는 광전도성 재료의 상태를 지칭하며, 이는, 3차원 공간에서, 통상적으로 "점"으로 명명되는 작은 체적으로 규정된다. 여기서, 양자점은, 단순화를 위해, 언급된 입자의 부피에 근사할 수 있는 구의 직경으로서 간주될 수 있는 크기를 나타낼 수 있다. 이 바람직한 실시예에서, 광전도성 재료의 양자점은, 특히, 1nm 내지 100nm, 바람직하게는 2nm 내지 100nm, 보다 바람직하게는 2nm 내지 15nm의 크기를 나타낼 수 있다. 결과적으로, 광전도성 재료의 양자점을 포함하는 박막은, 특정 박막에서 실제로 구성된 양자점이 특정 박막의 두께보다 작은 크기를 나타낼 수 있다면, 1nm 내지 100nm, 바람직하게는 2nm 내지 100nm, 보다 바람직하게는 2nm 내지 15nm의 두께를 나타낼 수 있다. 실제로, 양자점은, 콜로이드 필름을 형성하기 위해, 계면 활성제 분자로 캡핑되고, 용액에 분해될 수 있는 나노미터 크기의 반도체 결정을 포함할 수 있다. 여기서 계면 활성제 분자는, 특히, 선택된 계면 활성제 분자의 대략적인 공간 확장의 결과로서, 콜로이드 필름 내의 개별 양자점 사이의 평균 거리를 결정할 수 있도록 선택될 수 있다. 또한, 리간드의 합성에 따라, 양자점은 친수성 또는 소수성을 나타낼 수 있다. CQD는 기상, 액상 또는 고체상 접근법을 적용하여 제조할 수 있다. 이에 따라, 특히, 열 분사, 콜로이드 합성 또는 플라즈마 합성과 같은 공지의 프로세스를 채용함으로써, CQD의 합성을 위한 다양한 방법이 가능해진다. 그러나 다른 제조 공정도 가능할 수 있다.
또한, 이 바람직한 실시예에서, 광전도성 재료는 바람직하게는 전술한 바와 같은 광전도성 재료 중 하나, 보다 구체적으로는 황화 납(PbS), 셀렌화 납(PbSe), 텔루르화 납(PbTe), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 인화 인듐(InP), 황화 카드뮴(CdS), 셀렌화 카드뮴(CdSe), 안티몬화 인듐(InSb), MCT(Mercury Cadmium Telluride, HgCdTe), CIS(Copper Indium Sulfide), CIGS(Copper Indium Gallium Selenide), 황화 아연(ZnS), 셀렌화 아연(ZnSe), 페로브스카이트 구조 재료(ABC3, 여기서 A는 알칼리 금속 또는 유기 양 이온, B는 Pb, Sn 또는 Cu를 나타내고, C는 할라이드를 나타냄) 및 CZTS(Copper Zinc Tin Sulfide)을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상술한 화합물 또는 이런 종류의 다른 화합물의 고용액 및/또는 도핑된 변이체도 가능할 수 있다. 이런 종류의 재료의 코어 쉘 구조(core shell structures)의 재료도 가능할 수 있다. 그러나, 다른 광전도성 재료도 또한 가능할 수 있다.
추가의 바람직한 실시예에서, 용량성 소자 내의 적어도 하나의 감광층은, 상술한 바와 같이, 인접한 층들의 스택으로서 제공된 적어도 두 개의 개별 광전도층을 포함할 수 있고, 이에 의해 접합, 특히, 동종 접합(homojunction), 또는 바람직하게는, 인접한 층 사이의 경계에서 이종 접합(heterojunction)이 생성된다. 본 발명에 따르면, 이러한 종류의 배열은, 특히, 반도전성 재료의 인접한 층을 제공함으로써 달성될 수 있는 데, 여기서, 인접한 층이 "동종 접합"의 경우에는, n형 및 p형 반도전성 재료과 같은 상이한 유형의 도핑과 함께 동일한 종류의 반도전성 재료를 포함하고, 또는 인접한 층이 "이종 접합"의 경우에는, 상이한 종류의 반도전성 재료를 포함하며, 각각의 경우에 인접한 층들은 경계, 인터페이스 및/또는 접합부에 의해 서로 구분될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "경계", "인터페이스" 및 "접합부"와 같은 용어는 관련 재료의 스케일링 거동, 즉, 도전 특성과 관련하여 접합 양측에 위치한 반도전성 재료를 참조할 수 있다. 본 명세서에서, 특히, 관련 재료의 접합부 내에서 발생하는 스케일링 거동은 그들의 도전 특성의 값의 변경을 포함한다. 이론적으로 스케일링 거동은 비연속 함수로 설명될 수 있지만, 실제 접합부에서는 항상 연속적인 전이가 관찰될 수 있다. 특히, 접합부 내의 저항성 거동은 비선형 형태를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 접합부 내에서의 전기 저항의 비선형 거동은 포커스 스폿 직경에 대한 광전류의 선형 의존성을 야기하도록 조정될 수 있다. 그러나, 이 결과는 본 발명에 따른 광학 검출기, 즉, 용량성 소자의 감광층에 적어도 하나의 접합부를 포함하는 광학 검출기에서도 관찰될 수 있는 FiP 효과 외에는 다른 것은 설명하지 않는다. 일반적으로, 경계를 형성하는 광전도성 재료의 인접한 두 층은 상술한 바와 같은 광전도성 재료로부터 선택되는 것과 같이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 이하의 도면에서 더 상세하게 설명하는 바와 같이, 황화 카드뮴(CdS)과 텔루르화 카드뮴(CdTe), 또는 황화 카드뮴(CdS)과 CZTS(Copper Zinc Tin Sulfide)를 각각 포함하는 인접한 층은 이 목적에, 특히, 적합한 것으로 판명되었다. 대안으로, CZTSe(Copper Zinc Tin Selenide), 상응하는 황-셀레늄 합금 CZTSSe, 또는 추가의 4원 칼코겐화물 광전도성 I2-II-IV-VI4 화합물이 또한 사용될 수 있다. 다른 대안으로 CIGS(Copper Indium Gallium Selenide) 또는 박막 태양 전지 흡수체층으로 알려진 다른 칼코겐화물 광전도체가 포함될 수 있다.
추가의 바람직한 실시예에서, 용량성 소자에 적어도 하나의 감광층이 적어도 하나의 반도전성 흡수체층, 특히, 비정질 실리콘을 포함할 수 있고, 이 비정질 실리콘은 바람직하게는 층으로서, 특히, 박막으로서 적절한 기판 상에 증착하여 얻어질 수 있다. 그러나, 다른 방법이 적용될 수 있다. 또한, 비정질 실리콘은, 가장 바람직하게는, 수소를 사용하여 부동태화(passivated)될 수 있고, 이로 인해 비정질 실리콘 내의 다수의 댕글 링 본드(dangling bond)가 수 배만큼 감소될 수 있다. 결과적으로, 수소화된 비정질 실리콘(일반적으로 "a-Si:H"로 약칭 됨)은 적은 결함을 나타낼 수 있으므로 광학 장치용으로 사용할 수 있다. 그러나, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "비정질 실리콘"이라는 용어는 명시적으로 지시하지 않는 한, 수소화된 비정질 실리콘을 지칭할 수도 있다. 대안으로, 실리콘과 탄소의 비정질 합금(a-SiC), 바람직하게는 수소화된 비정질 실리콘 카본 합금(a-SiC:H), 또는 게르마늄과 실리콘의 비정질 합금(a-GeSi), 바람직하게는 수소화 비정질 게르마늄 실리콘 합금(a-GeSi:H)도 사용될 수 있다. 본 명세서에서, a-GeSi:H는 공통 반응기 내의 프로세스 가스로서, 바람직하게는 SiH4, GeH4 및 H2를 이용하여 제조될 수 있고, 다른 제조 방법도 가능할 수 있다. 반도체 흡수체층에 대한 또 다른 대안으로서, 결정질 실리콘(c-Si) 또는 미세결정 실리콘(μc-Si), 바람직하게는 수소화된 미세결정 실리콘(μc-Si:H)이 또한 적용 가능할 수 있다. 본 명세서에서, 수소화된 미세결정 실리콘(μc-Si:H)은 바람직하게는 SiH4 및 H2의 기체 혼합물에서 제조될 수 있다. 결과적으로, 5nm 내지 30nm의 전형적인 크기를 갖고, 서로에 대해 10nm 내지 200nm 이격된 기판 재료가 정렬된 컬럼 사이에 위치되는 미세결정을 포함하는 기판 상의 2상 재료가 얻어질 수 있다. 그러나, 다른 제조 방법도 또한 가능할 수 있다.
추가의 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 감광층은 적어도 하나의 공여 재료 및 적어도 하나의 수용 재료를 갖는 적어도 하나의 유기 감광층을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 유기 감광층 내의 공여 재료 및 수용 재료는, 바람직한 실시예에서, 공여 재료 및 수용 재료 모두를 포함할 수 있는 단일층으로서 배열될 수 있거나, 대안적인 실시예로서 적어도 2개의 개별층의 형태로 배열될 수 있고, 여기서, 각각의 개별층은 공여 재료 및 수용 재료 중 하나를 포함할 수 있다. 이하에 설명되는 바와 같이, 적어도 2개의 개별층을 보완하도록 적응된 추가층이 또한 실현 가능할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 공여 중합체, 특히, 유기 공여 중합체를 포함하는 적어도 하나의 전자 공여 재료, 및 다른 한편으로는 적어도 하나의 전자 수용 재료, 특히, 바람직하게는 풀러렌 기반 전자 수용 재료, TCNQ(tetracyanoquino- dimethane), 페릴렌 유도체, 수용 중합체 및 무기 나노 결정으로 이루어진 그룹으로부터 바람직하게 선택된 수용체 소분자가 사용될 수 있다. 그러나, 다른 재료도 또한 가능할 수 있다. 따라서, 특정 실시예에서, 전자 공여 재료는 공여 중합체를 포함할 수 있는 반면, 전자 수용 재료는 수용 중합체를 포함할 수 있으며, 그에 따라 모든 폴리머 감광층에 대한 기초를 제공할 수 있다. 특정 실시예에서, 공중합체는 공여 중합체 중 하나 및 수용 중합체 중 하나로부터 동시에 구성될 수 있고, 따라서 공중 합체의 각 구성 성분의 각각의 기능에 기초하여 "푸시 풀 공중 합체"로 명명될 수도 있다.
바람직하게는, 전자 공여 재료 및 전자 수용 재료는 혼합물의 형태로 감광층 내에 포함될 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "혼합물(mixture)"이라는 용어는 2종 이상의 개별 화합물의 혼합에 관한 것이고, 혼합물 내의 개별 화합물은 화학적 동일성을 유지한다. 특히, 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 감광층에 사용되는 혼합물은 전자 공여 재료 및 전자 수용 재료를 1:100 내지 100:1, 보다 바람직하게는 1:10 내지 10:1, 특히, 바람직하게는 1:2 내지 2:1, 예를 들어, 1:1의 비율로 포함할 수 있다. 그러나, 각각의 화합물의 다른 비율이 또한 적용될 수 있고, 특히, 관련되는 개별 화합물의 종류 및 수에 따라 상이하게 적용될 수 있다. 바람직하게는, 감광층 내에 혼합물의 형태로 포함된 전자 공여 재료 및 전자 수용 재료는 도너 영역과 수용체 영역의 상호 침투 네트워크를 구성할 수 있고, 도너 영역과 수용체 영역 사이에 계면 영역이 존재할 수 있고, 퍼콜레이션 경로(percolation pathway)는 도메인을 전극에 연결할 수 있으며, 특히, 도너 도메인은 애노드의 기능을 가정한 전극에 그리고 수용체 도메인은 캐소드의 기능을 가정한 전극에 연결할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "도너 도메인"이라는 용어는 전자 공여 재료가 우세하게, 특히, 완전하게 존재할 수 있는 감광층 내의 영역을 지칭한다. 유사하게, "수용체 도메인"이라는 용어는 전자 수용 재료가 우세하게, 특히, 완전하게 존재할 수 있는 감광층 내의 영역을 지칭한다. 본 명세서에서, 도메인은 상이한 종류의 영역 간의 직접적인 접촉을 허용하는 "계면 영역(interfacial area)"으로 표시되는 영역을 나타낼 수 있고, 이에 따라 벌크 이종 접합(bulk heterojunction)이 감광층 내에 생성될 수 있다. 또한, "퍼콜레이션 경로"라는 용어는 각각 전자나 정공의 전달이 주로 이루어질 수 있는 감광층 내의 도전 경로를 지칭한다.
전술한 바와 같이, 적어도 하나의 전자 공여 재료는 바람직하게는 공여 중합체, 특히, 유기 공여 중합체를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "폴리머"라는 용어는 일반적으로 "단량체(monomer)" 또는 "단량체 단위(monomeric unit)"로 명명되는 다수의 분자 반복 단위를 일반적으로 포함하는 거대 분자 조성물을 지칭한다. 그러나, 본 발명의 목적을 위해, 합성 유기 폴리머가 바람직할 수 있다. 이와 관련하여, "유기 폴리머"라는 용어는 일반적으로 유기 화학 화합물로 간주될 수 있는 단량체 단위의 성질을 가리킨다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "공여 중합체"라는 용어는, 특히, 전자 공여 재료로서 전자를 제공하도록 적응될 수 있는 폴리머를 지칭한다.
바람직하게는, 공여 중합체는 단일 결합과 다중 결합을 함께 번갈아 사용하여 결합되는 원자 그룹에 분산되는 전자를 비국소화(delocalized)시킬 수 있는 공액 시스템(conjugated system)으로 구성될 수 있고, 이 공액 시스템은 순환형(cyclic), 비순환형(acyclic) 및 선형 중 하나 이상일 수 있다. 따라서, 유기 공여 중합체는, 바람직하게는,
- P3HT(poly[3-hexylthiophene-2,5.diyl]),
- POPT(poly[3-(4-n-octyl)-phenylthiophene]),
- PTZV-PT(poly[3-10-n-octyl-3-phenothiazine-vinylenethiophene-co-2,5-thiophene]),
- PTB7(poly[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophe ne-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]),
- PBT-T1(poly[thiophene-2,5-diyl-alt-[5,6-bis(dodecyloxy)benzo[c][1,2, 5]thiadiazole]-4,7-diyl]),
- PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)]),
- PDDTT(poly[5,7-bis(4-decanyl-2-thienyl)-thieno(3,4-b)diathiazole thiophene-2,5]),
- PCDTBT(poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)]), 또는
- PSBTBT(poly[(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b;2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]),
- PPHT(poly[3-phenyl hydrazone thiophene]),
- MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]),
- M3EH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene-1,2-etheny lene-2,5-dimethoxy-1,4-phenylene-1,2-ethenylene]),
- MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene vinylene]),
- PFB(poly[9,9-di-octylfluorene-co-bis-N,N-4-butylphenyl-bis-N,N-phenyl -1,4-phenylenediamine]),
또는 이들의 유도체, 변형체 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
그러나, 다른 종류의 공여 중합체 또는 추가의 전자 공여 재료가 또한 적합할 수 있고, 특히, 1000nm 이상의 적외선 스펙트럼 범위에서 민감한 폴리머, 바람직하게는 디케토피롤로피롤 폴리머(diketopyrrolopyrrol polymer), 특히, EP 2 818 493 A1에 기재된 폴리머, 더욱 바람직하게는 "P-1"내지 "P-10"으로 표시되는 폴리머와, WO 2014/086722 A1에 개시된 벤조디티오펜 폴리머(benzodithiophene polymer), 특히, 벤조디티오펜 단위를 포함하는 디케토피롤로피롤 폴리머와, US 2015/0132887 A1에 따른 디티에노벤조 퓨란 폴리머(dithienobenzofuran polymer), 특히, 디케토피롤로피롤 단위를 포함하는 디티에노벤조 퓨란 폴리머와, US 2015/0111337 A1에 설명된 페난트로 [9, 10-B] 퓨란 폴리머, 특히, 디케토피롤로피롤 단위를 포함하는 페난트로 [9,10-B] 퓨란 폴리머, 및 US 2014/0217329 A1에 개시된 바와 같이, 특히, 1:10 또는 1:100의 올리고머-폴리머 비율로 디케토피롤로피롤 올리고머를 포함하는 폴리머 조성물이 적합할 수 있다.
추가로 언급한 바와 같이, 전자 수용 재료는 바람직하게는 풀러렌 기반 전자 수용 재료를 포함할 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "풀러렌(fullerenes)"이라는 용어는 버크민스터 풀러렌(Buckminster Fullerene)(C60) 및 관련 구형 풀러렌(spherical fullerenes)을 포함하여 케이지와 유사한 순수한 탄소 분자를 가리킨다. 원칙적으로, C20 내지 C2000 범위의 풀러렌이 사용될 수 있고, C60 내지 C96 범위가 바람직하고, 특히, C60, C70 및 C84가 바람직하다. 가장 바람직한 것은 화학적으로 변형된 풀러렌, 특히,
- PC60BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester),
- PC70BM([6,6]-Phenyl-C71-butyric acid methyl ester),
- PC84BM([6,6]-Phenyl-C84-butyric acid methyl ester), 또는
- ICBA(indene-C60 bisadduct) 중 하나 이상이지만,
또한, 하나 또는 2개의 C60 또는 C70 모이어티(moiety)를 포함하는 이량체(dimers), 특히,
- 하나의 부착된 OE(oligoether) 체인을 포함하는 DPM(diphenyl methanofullerene) 모이어티(C70-DPM-OE), 또는
- 2개의 부착된 OE(oligoether) 체인을 포함하는 DPM(diphenyl methanofullerene) 모이어티(C70-DPM-OE2),
또는 이들의 유도체, 변형체 또는 이들의 혼합물이 바람직하다. 그러나, TCNQ 또는 페릴렌 유도체가 또한 적합할 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 전자 수용 재료는 바람직하게는 셀렌화 카드뮴(CdSe), 황화 카드뮴(CdS), 아황산염 구리 인듐(CuInS2) 또는 황화 납(PbS)으로부터 선택된 무기 나노 결정을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 무기 나노 결정은 2nm 내지 20nm, 바람직하게는 2nm 내지 10nm 크기의 구형 또는 긴 입자의 형태로 제공될 수 있고, 이는 선택된 공여 중합체, 예컨대, CdSe 나노 결정 및 P3HT, 또는 PbS 나노입자 및 MEH-PPV와 혼합되어 제공될 수 있다. 그러나 다른 종류의 혼합도 가능할 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 전자 수용 재료는 바람직하게는 수용 중합체를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "수용 중합체"라는 용어는, 특히, 전자 수용 재료로서 전자를 수용하도록 적응될 수 있는 폴리머를 지칭한다. 일반적으로, 시안화된 폴리(페닐렌비닐렌)(poly(phenylenevinylene)), 벤조티아디아졸(benzothiadiazole), 페릴렌(perylene) 또는 나프탈렌디이미드(naphthalenediimide)를 기반으로 하는 공액 폴리머가 이 목적에 바람직하다. 특히, 수용 중합체는 바람직하게는하기 이하의 폴리머,
- C6-CN-PPV 또는 C8-CN-PPV와 같은 CN-PPV(cyano-poly[phenylene vinylene]),
- MEH-CN-PPV(poly[5-(2-(ethylhexyloxy)-2-methoxycyanoterephthalyliden ]),
- CN-ether-PPV(poly[oxa-1,4-phenylene-1,2-(1-cyano)-ethylene-2,5-diocty loxy-1,4-phenylene-1,2-(2-cyano)-ethylene-1,4-phenylene]),
- DOCN-PPV(poly[1,4-dioctyloxyl-p-2,5-dicyanophenylenevinylene]),
- PF8BT(poly[9,9'-dioctylfluoreneco-benzothiadiazole]),
또는 이들의 유도체, 변형체 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다. 그러나, 다른 종류의 수용 중합체가 적합할 수도 있다.
공여 중합체 또는 전자 수용 재료로서 사용될 수 있는 상술한 화합물에 관한 보다 상세한 내용은, 위에서 언급한 L. Biana, E. Zhua, J. Tanga, W. Tanga 및 F. Zhang의 Progress in Polymer Science 37(2012년, 1292-1331 페이지), A. Facchetti의 Materials Today(Vol. 16, No. 4, 2013년, 123-132 페이지), S. Gunes 및 N.S. Sariciftci의 Inorganica Chimica Acta 361(2008년, 581-588 페이지)의 검토 기사 및 거기에 인용된 각각의 참조 문헌을 포함하여 참조할 수 있다. 추가의 화합물은 F.A.의 논문에 기술되어 있다. Sperlich의 유기 광전 변환을 위한 공액 폴리머 및 풀러렌의 전자선 자계 공명 분광법(Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy of Conjugated Polymers and Fullerenes for Organic Photovoltaics)(Julius-Maximilians-University Wurzburg, 2013년) 및 이에 인용된 참고 문헌.
대안적인 실시예에서, 용량성 소자 내의 유기 감광층은 각각 공여 재료 및 수용 재료 중 하나를 각각 포함하는 개별 공여 재료층 및 개별 수용 재료층을 포함할 수 있다. 특히, 공여 재료층 및 수용 재료층은 서로의 상부에 적층되고, 상이한 종류의 물질들로 인해 이종 접합을 형성할 수 있는 접합부에 의해 분리될 수 있다. 여기서, 각각의 층은 각각 10nm 내지 1000nm, 바람직하게는 10nm 내지 100nm의 두께를 나타낼 수 있다.
바람직한 실시예에서, 수용 재료층은 수용 재료로서 하나 이상의 증발된 작은 유기 분자를 포함할 수 있고, 여기서, 증발된 유기 분자는 바람직하게는 C60(버크민스터 풀러렌), C70 또는 페릴렌 유도체, 바람직하게는 페릴렌 디이미드 유도체, 특히, PTCBI(3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic Bisbenzimidazole)로부터 선택된다. 수용 재료로서 사용될 수 있는 추가로 증발된 작은 유기 분자는, 예를 들어, J.E. Anthony, A. Facchetti, M. Heeny, SR Marder 및 X. Zhan의 n-Type Organic Semiconductors in Organic Electronics(Adv. Mater. 2010년, 22, 3876-3892 페이지)에서 찾을 수 있다.
바람직한 실시예에서, 공여 재료층은 공여 재료로서 하나 이상의 증발된 작은 유기 분자를 포함할 수 있고, 여기서, 증발된 작은 유기 분자는 바람직하게는 프탈로시아닌 유도체, 바람직하게는 CuPc(copper phthalocyanine) 또는 ZnPc(zinc phthalocyanine), 특히, F4ZnPc(fluorinated zinc phthalocyanine) 유도체; 올리고티오펜(oligothiophene), 바람직하게는 디시아노비닐-터티오펜(dicyanovinyl-terthiophene)으로부터, 올리고티오펜 유도체, 바람직하게는 DCV5T(α, α'-bis(dicyanovinyl)quinquethiophene)로부터, BODIPY(4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene) 또는 aza-BODIPY 유도체로부터; 스쿠아레인 유도체(squaraine derivative)로부터, 디케토피롤로피롤 유도체로부터 또는 벤지디티오펜 유도체(benzdithiophene derivative)로부터 선택될 수 있다. 특히, 흥미로운 재료는 T.Y. Li, T. Meyer, Z. Ma, J. Benduhn, C. Kφrner, O. Zeika, K. Vandewal 및 L. Leo의 유기 탠덤 태양 전지를 위한 저분자 근적외선 붕소 디피로메텐 도너(Small Molecule Near-Infrared Boron Dipyrromethene Donors for Organic Tandem Solar Cells)(J. Am. Chem. Soc. 2017년, 139, 13636-13639)에 기술되어 있다. 자세한 내용은 C. Uhrich, R. Schueppel, A. Petrich, M. Pfeiffer, K. Leo, E. Brier, P. Kilickiran 및 P. Baeuerle의 감소된 밴드 갭을 갖는 올리고티오펜을 기본으로 하는 유기 박막 태양 전지(Organic Thin-Film Photovoltaic Cells Based on Oligothiophenes with Reduced Bandgap)(Adv. Funct. Mater. 2007년, 17, 2991-2999 페이지), 또는 R. Gresser, M. Hummert, H. Hartmann, K. Leo 및 M. Riede의 근적외선 흡수제 벤즈고리화된 Aza-BODIPY 염료의 합성 및 특성 분석(Synthesis and Characterization of Near-Infrared Absorbing Benzannulated Aza-BODIPY Dyes) (Chem. Eur. J. 2011년, 17, 2939-2947 페이지), A. Mishra 및 P. Bδuerle의 이동 중인 저분자 유기 반도체: 미래의 태양 에너지 기술에 대한 약속(Small Molecule Organic Semiconductors on the Move: Promises for Future Solar Energy Technology) (Angew. Chem. Int. Ed. 2012년, 51, 2020-2067), 또는 H. Yao, L. Ye, H. Zhang, S. Li, S. Zhang 및 J. Hou의 벤조디티오펜 기반 유기 광전지 재료의 분자 설계(Molecular Design of Benzodithiophene-Based Organic Photovoltaic Materials) (Chem. Rev. 2016, 116, 7397-7457)를 참조할 수 있다.
여기에서, 공여 재료층은 프탈로시아닌 유도체 및 추가의 작은 유기 분자, 특히, F4ZnPc:C60 혼합, 즉, F4ZnPc 및 버크민스터 풀러렌을 포함하는 층을 포함할 수 있다. F4ZnPc 및 F4ZnPc:C60 층에 대한 자세한 내용은, 특히, M. Riede, C. Uhrich, J. Widmer, R. Timmreck, D. Wynands, G. Schwartz, W. M. Gnehr, D. Hildebrandt, A. Weiss, J. Hwang, S. Sundarraj, Peter Erk, Martin Pfeiffer 및 K. Leo의, 저분자 기반의 효율적인 유기 탠덤 태양 전지(Efficient Organic Tandem Solar Cells based on Small Molecules) (Adv. Funct. Mater. 2011년, 21, 3019-3028 페이지) 또는 J. Meiss, A. Merten, M. Hein, C. Schuenemann, S. Schδfer, M. Tietze, C. Uhrich, M. Pfeiffer, K. Leo 및 M. Riede의 효율적인 진공 증착 유기 태양 전지를 위한 도너로서의 불소화된 아연 프탈로시아닌(Fluorinated Zinc Phthalocyanine as Donor for Efficient Vacuum-Deposited Organic Solar Cells) (Adv. Funct. Mater. 2012년, 22, 405-414 페이지)를 참조할 수 있다. 그러나, 또 다른 종류의 재료가 유기 감광층에 적용될 수도 있다.
용량성 소자는, 유기 감광층 외에도, 전술한 바와 같이, 인접 전극에 생성된 각각의 전하 캐리어를 유기 감광층으로부터 추출 및 이송하기 쉽도록 적응된 정공 추출층 또는 전자 추출층과 같은 전하 캐리어 추출층을 더 포함할 수 있다. 정공 추출층의 바람직한 예는 BPAPF((N,N-bis-biphenyl-4-yl-amino)phenyl]-9H-fluorene) 및 DiNPB(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(4'-(N,N-bis(naphth-1-yl)-amino)-biphenyl-4-yl)-benzidine)를 포함하고, 한편으로 BPhen(Bathophenantroline)은 전자 추출층에 적합한 재료의 바람직한 예로서 고려된다. 그러나, 다른 재료도 또한 적용 가능할 수 있다.
또한, 그 기능을 향상시키기 위해 용량성 소자에 추가의 층이 도입될 수도 있다. 특히, 추가의 n-도핑된 수용체층이 절연층과 수용 재료층 사이에 도입될 수 있는 반면, 바람직하게 추가의 p-도펀트층에 의해 도펀트가 제공될 수 있는 p 도핑 추출층이 정공 추출층과 제 2 전극 사이에 도입될 수 있다. 또한, 추가의 n-도펀트층이 층의 n-도핑을 위해 마찬가지로 사용될 수 있다. 추가로 n-도핑된 수용체층을 도입하는 것은, 특히, 입사 광빔의 위상 및 제 2 전극에서 반사되고 있는 광빔의 위상 매칭을 향상시키기 위해, 투명 전극층으로부터 상기 반사하는 제 2 전극까지의 거리를 조정하는 데 사용될 수 있고, 그에 따라 유기 감광층 내의 조명 전력과 관련하여 용량층(capacitive layer)의 성능을 최적화할 수 있다. 비교 효과는 R. Schueppel, R. Timmreck, N. Allinger, T. Mueller, M. Furno, C. Uhrich, K. Leo 및 M. Riede의 도핑된 스페이서층을 사용하는 저분자 유기 탠덤 태양 전지에서 제어된 전류 매칭(Controlled current matching in small molecule organic tandem solar cells using doped spacer layers) (J.Appl. Phys. 107, 044503, 2010, 탠덤 태양 전지 내)에 의해 설명된다.
상술한 바와 같이, 절연층 및 감광층 모두는 용량성 소자에 포함된 2개 이상의 전극 사이에 매립된다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "전극"이라는 용어는 전기 전도성이 높은 재료를 지칭하고, 전기 전도성은 전도성이 나쁜 재료나 비전도성 재료와 접촉하는 금속 또는 고전도성의 반도체 영역 내에 있을 수 있다. 특히, 광빔이 용량성 소자에 충돌하여 감광층에 용이하게 도달하도록 하기 위해, 전극 중 적어도 하나, 특히, 입사 광빔의 경로 내에 위치되는 전극은 적어도 일부가 광학적으로 투명할 수 있다. 바람직하게는, 적어도 일부의 광학적으로 투명한 전극은 적어도 하나의 TCO(Transparent Conductive Oxide), 특히, ITO(Indium-doped Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), 또는 AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide)를 포함할 수 있다. 그러나, 전극 재료로서 적합한 다른 종류의 광학적으로 투명한 재료도 또한 적용 가능할 수 있다. 또한, 특히, 최소의 광학적으로 투명한 재료를 사용하지만, 적어도 일부의 광학적으로 투명한 전극의 기계적 안정성을 증가시키는 경우, 광학적으로 투명한 기판은 적어도 일부의 광학적으로 투명한 전극에 의해 적어도 부분적으로 덮일 수 있다. 여기서, 광학적으로 투명한 기판은, 특히, 유리 기판, 석영 기판, 또는 PET(polyethylene terephthalate)와 같은 광학적으로 투명하지만 전기적으로 절연성인 폴리머를 포함하는 기판으로부터 선택될 수 있다. 따라서, 이러한 종류의 설정을 통해, 투명 기판 상에 얇은 전극층을 얻는 것이 가능할 수 있고, 그럼에도 불구하고, 충분한 기계적 안정성을 함께 나타낼 수 있다.
적어도 하나의 광학적으로 투명한 전극 외에도, 나머지의 하나 이상의 전극, 특히, 용량성 소자에 충돌하는 광빔의 경로 외부에 위치하는 하나 이상의 전극은 감광층 내의 조명을 증가시키기 위해 광학적으로 불투명하고, 바람직하게는 반사성일 수 있다. 이 특정 실시예에서, 적어도 하나의 광학적으로 불투명한 전극은 바람직하게는 금속 전극, 특히, 은(Ag) 전극, 백금(Pt) 전극, 금(Au) 전극, 알루미늄(Al) 전극 또는 몰리브덴(Mo) 전극 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 광학적으로 불투명한 재료의 최소량을 사용하지만, 특히, 광학적으로 불투명한 전극의 기계적 안정성을 증가시키려는 경우, 금속 전극은 기판 상에 증착되는 얇은 금속층을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 얇은 금속층은 10nm 내지 1000nm, 바람직하게는 50nm 내지 500nm, 특히, 100nm 내지 250nm의 두께를 나타낼 수 있다. 여기에서, 기판은 광학적으로 불투명할 수도 있지만, 적어도 일부가 광학적으로 투명한 기판을 또한 적용할 수도 있다.
본 발명에 따른 용량성 소자의 특정 실시예를 설계할 때, 당업자는 입사 광빔이 실제로 광학 검출기의 용량성 소자 내의 감광층에 도달할 수 있는 방식으로 불투명, 부분 투명 또는 투명 광학 특성을 갖는 소자 배열을 고려할 수 있다. 따라서, 입사 광빔의 경로 내에 배열되는 층들은 바람직하게는 투명할 수 있으며, 즉, 그들은 입사 광빔의 스펙트럼 범위의 적어도 하나의 구획에 대해 입사 광빔의 조명 전력을 가능한 한 적게 감소시킬 수 있는 투과율을 나타낼 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "투과율(transmittance)"이라는 용어는 층을 통해 투과될 수 있는 입사 조명 전력의 일부분을 지칭한다. 예로써, 입사 광빔은 우선 투명 기판(예를 들어, 유리 기판)과, 뒤이어 감광층에 도달할 때까지 투명 전극(예컨대, TCO를 포함)을 통과할 수 있다. 다른 예로서, 입사 광빔은 먼저 투명 기판 및 투명 전극, 뒤이어 투명 절연층(예를 들어, Al2O3 또는 ZrO2 층)을 통과하여 감광층에 도달할 수 있다. 추가층 및/또는 대안적인 배열을 포함할 수 있는 추가의 예가 또한 고려될 수 있다.
본 발명에 따른 광학 센서 내에 사용되는 용량성 소자의 특히 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 전하 캐리어 수송층이 감광층과 적어도 하나의 전극 사이에 위치될 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "전하 캐리어 수송층"은 재료를 통과하는 경로, 특히, 전하 캐리어 수송층에 모두 인접하는 제 1 인접 재료로부터 제 2 인접 재료로 이동하는 경로에서 특정 유형의 전하 캐리어(즉, 전자 또는 정공)의 수송을 용이하게 하기 위해 적응된 재료를 지칭한다. 대안적으로, 전하 캐리어 수송층은 또한 "전하 캐리어 추출층"으로도 표시될 수 있다. 일반적으로, 용량성 소자 내에서 수송되거나 추출될 수 있는 전하 캐리어는 전자 또는 정공일 수 있다. 이론에 구애되지 않고, 제 1 인접 재료로부터 제 2 인접 재료로의 경로 상에 특정 유형의 전하 캐리어의 수송을 용이하게 하는 전술한 효과는 전하 캐리어 수송층을 사용하여 제 1 인접 재료 및 제 2 인접 재료의 에너지 레벨을 조정함으로써 달성될 수 있다.
특히, 바람직한 실시예에서, 전하 캐리어 수송층은 정공 수송층 또는 정공 추출층일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 여기서, 정공 수송층은, 바람직하게는
- 전이 금속 산화물, 특히, 산화 몰리브덴(MoO3) 또는 산화 니켈(NiO2)과,
- PEDOT(a poly-3,4-ethylenedioxythiophene), 바람직하게는 적어도 하나의 카운터 이온으로 전기 도핑된 PEDOT, 더욱 바람직하게는 PEDOT:PSS( (PSS(polystyrene sulfonate) 나트륨으로 도핑된 PEDOT)과,
- PANI(polyaniline), 및
- Pt(polythiophene)로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
그러나 다른 종류의 재료 및 그들 재료들 간의 조합 및/또는 기언급된 재료와의 조합도 적용될 수 있다.
또한, 용량성 소자는 추가적으로 하나 이상의 특정 목적을 위해 적응될 수 있는 하나 이상의 추가층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광학 센서에 적합한 용량성 소자의 제조를 용이하게 하기 위해, 감광층 및/또는 전하 캐리어 수송층은 증착법, 바람직하게는 코팅법, 더 바람직하게는 스핀 코팅법(spin-coating method), 슬롯 코팅법(slot-coating method), 블레이드 코팅법(blade-coating method), 또는 대안적으로 증착에 의한 방법 등을 이용하여 제공될 수 있다. 따라서, 생성된 층은 바람직하게는 스핀 캐스트층, 슬롯 코팅층, 블레이드 코팅층, 또는 증착에 의해 얻어진 층일 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 용량성 소자 내의 하나 이상의 전극은 해당 기판 상에 박막으로서 제공될 수 있다. 이 목적을 위해, 각각의 전극 재료는 코팅 또는 증착법(evaporation method)과 같은 적합한 증착 방법(deposition method)을 사용함으로써 해당 기판 상에 증착될 수도 있다.
특히, 전술한 바와 같은 이유로, 센서 영역에 충돌하는 적어도 하나의 입사 광빔은 변조 광빔이다. 따라서, 본 발명에 따른 검출기는 대상체로부터 검출기로 진행하는 변조 광빔을 생성할 수 있고, 그에 따라 대상체의 조명 및/또는 예컨대, 적어도 하나의 종 방향 광학 센서의 적어도 하나의 센서 영역과 같은 검출기의 적어도 하나의 센서 영역을 변조할 수 있는 적어도 하나의 변조 장치를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 변조 장치는 주기적 빔 차단 장치를 사용하는 것과 같은 주기적 변조를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 검출기는 0.05Hz 내지 1MHz, 예컨대, 0.1Hz 내지 10kHz의 주파수로, 대상체의 조명 및/또는 적어도 하나의 종 방향 광학 센서의 적어도 하나의 센서 영역과 같은 검출기의 적어도 하나의 센서 영역의 변조를 일으키도록 설계될 수 있다. 이와 관련하여, "조명의 변조"라는 용어는 조명의 총 전력이, 바람직하게는 주기적으로, 특히, 단일 변조 주파수로 변화되거나, 또는 복수의 변조 주파수로 동시에 및/또는 연속적으로 변화되는 프로세스를 의미하는 것으로 이해된다. 특히, 조명의 총 전력의 최대값과 최소값 사이에서 주기적인 변조가 발생할 수 있다. 여기서, 최소값은 0일 수 있지만, 예를 들어, 완전한 변조가 영향을 받지 않도록 0 초과의 값일 수도 있다. 특히, 바람직한 방식으로, 적어도 하나의 변조는 사인 변조(sinusoidal modulation), 사각형 변조(square modulation), 또는 영향받는 광빔의 삼각형 변조(triangular modulation)와 같은 주기적 변조일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 또한, 변조는 정현파 제곱 함수 또는 sin(t2) 함수와 같은 2개 이상의 정현파 함수의 선형 조합일 수 있고, 여기서 t는 시간이다. 본 발명의 특정 효과, 이점 및 실현 가능성을 입증하기 위해, 사각형 변조는 일반적으로 변조의 예시적인 형태로서 본 명세서에서 채용되지만, 이 표현은 본 발명의 범주를 변조의 이러한 특정 형상으로 한정하도록 의도하는 것은 아니다. 이러한 예에 의해, 당업자라면 상이한 형상의 변조를 사용할 때, 관련 파라미터 및 조건을 적응시키는 방법을 쉽게 인식할 수 있다.
또한, 변조는 짝수 또는 홀수 함수일 수 있거나, 또는 대안적으로 짧고 강한 펄스에 이어 광원이 스위치 오프되는 시간(오프 타임)과 같이 짝수 또는 홀수가 아닌 함수를 사용하는 것이, 특히, 유리할 수 있고, 이 때, 오프 타임의 지속 시간은 펄스의 지속 시간(온 타임)보다 2배, 3배, 4배, 5배 이상 더 길다. 오프 타임은 잡음 통계, 배경 광 측정, 교란 변조 또는 변조되지 않은 광원의 측정 등을 위해 사용될 수 있기 때문에, 더 긴 오프 타임과 결합하여 짧은 온 타임이 유용할 수 있는 한편, 짧은 온 타임은 펄스의 광 강도가 더 높은 센서 신호를 유도하기 위해 훨씬 더 높을 수 있고, 눈의 안전 고려 사항 및 안구 안전 규정에서 일반적으로 고려되는 평균 광 강도는, 직사각형 함수와 비교할 때, 일정하게 유지되기 때문에 유용할 수 있다. 또한, 이 이론에 구애되지 않고, 전하가 생성되는 방식 및 FiP 효과가 유도되는 방식에 따라, 더 긴 오프 타임과 함께 짧은 온 타임을 갖는 강한 펄스는 전하 재결합을 증가시켜 비선형성을 증가시키는데 도움이 될 수 있고, 이로 인해 비선형 FiP 신호에 대해 더 우수한 신호 대 잡음비를 갖게 한다. 또한, 더 짧은 펄스는 변조 주파수를 용량성 소자로부터 추출하기 쉬운 고주파수로 이동시킨다.
상기 변조는, 예를 들어, 상기 빔 경로 내에 배열되어 있는 적어도 하나의 변조 장치에 의해, 대상체와 광학 센서 사이의 빔 경로에서 수행될 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 부가적으로, 변조는, 예를 들어, 상기 빔 경로 내에 배열되어 있는 적어도 하나의 변조 장치에 의해, 이하에 설명하는 바와 같이 상기 대상체를 조명하기 위한 선택적 조명원과 대상체 사이의 빔 경로에 영향을 받을 수도 있다. 이러한 가능성의 조합도 또한 고려될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 적어도 하나의 변조 장치는, 예를 들어, 바람직하게는 정속으로 회전하고 조명을 주기적으로 차단할 수 있는 적어도 하나의 인터럽터 블레이드(interrupter blade) 또는 인터럽터 휠(interrupter wheel)과 같은 것을 포함하는 빔 초퍼(beam chopper)나 몇몇 다른 유형의 주기적 빔 차단 장치를 포함할 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 부가적으로, 하나 또는 복수의 상이한 유형의 변조 장치, 예를 들어, 전자 광학 효과 및/또는 음향 광학 효과에 기초한 변조 장치를 사용할 수도 있다. 다시 한번, 대안적으로 또는 부가적으로, 적어도 하나의 선택 조명원 자체는, 예를 들어, 변조된 강도 및/또는 총 전력(예를 들어, 주기적으로 변조된 총 전력)을 갖는 조명원 자체에 의해, 및/또는 펄스 조명원(예를 들어, 펄스 레이저)으로 구현되어 있는 상기 조명원에 의해, 변조된 조명을 생성하도록 설계될 수도 있다. 따라서, 예로서, 적어도 하나의 변조 장치는 전체적으로 또는 부분적으로 조명원에 통합될 수도 있다. 또한, 대안적으로 또는 부가적으로, 검출기는 조정 가능 렌즈와 같은 적어도 하나의 선택 전송 장치를 포함할 수 있는 데, 예를 들어, 적어도 하나의 종 방향 광학 센서에 충돌하기 전에, 이를 횡단하기 위해 적어도 하나의 전송 장치에 충돌하는 입사 광빔의 총 강도 및/또는 총 전력을 변조함으로써, 특히, 주기적으로 변조함으로써, 조명을 변조하도록 자체 설계될 수 있다. 여러 가지 가능성이 있다.
또한, 조명의 동일한 총 전력이 주어지면, 센서 신호는 변조 조명의 변조 주파수에 좌우될 수 있다. 센서 영역 내의 광빔의 빔 단면과 변조 주파수에 대한 의존성을 포함한 종 방향 광학 센서 및 종 방향 센서 신호의 잠재적인 실시예에 대해서는, WO2012/110924 A1 및 WO2014/097181 A1에 개시된 광학 센서가 참조될 수 있다. 이러한 관점에서, 검출기는, 특히, 상이한 변조의 경우에 적어도 2개의 센서 신호, 특히, 상이한 변조 주파수 각각에서 적어도 2개의 종 방향 센서 신호를 검출하도록 설계될 수 있다. 평가 장치는 적어도 2개의 종 방향 센서 신호로부터 기하학적 정보를 생성하도록 설계될 수 있다. WO 2012/110924 A1 및 WO 2014/097181 A1에 기술된 바와 같이, 모호성을 해결할 수 있고, 및/또는, 예를 들어, 조명의 총 출력이 일반적으로 알려지지 않았다는 사실을 고려하는 것이 가능하다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "평가 장치"라는 용어는 일반적으로 정보 항목, 즉, 대상체의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된 임의의 장치를 지칭한다. 예를 들어, 평가 장치는 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASICs)와 같은 하나 이상의 집적 회로 및/또는 하나 이상의 컴퓨터, 바람직하게는 하나 이상의 마이크로컴퓨터 및/또는 마이크로컨트롤러와 같은 하나 이상의 데이터 처리 장치일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 하나 이상의 AD 변환기 및/또는 하나 이상의 필터와 같은 센서 신호의 수신 및/또는 전처리를 위한 하나 이상의 장치와 같은 하나 이상의 전처리 장치 및/또는 데이터 획득 장치와 같은 추가 구성 요소가 포함될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 센서 신호는 종 방향 센서 신호나 횡 방향 센서 신호 중 하나를 일반적으로 지칭할 수 있다. 또한, 평가 장치는 하나 이상의 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 평가 장치는 하나 이상의 무선 인터페이스 및/또는 하나 이상의 유선 인터페이스와 같은 하나 이상의 인터페이스를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 평가 장치는 정보 항목을 생성하는 단계를 수행하거나 지원하는 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램과 같은 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램을 수행하도록 적응될 수 있다. 일 예로서, 센서 신호를 입력 변수로 이용함으로써, 대상체의 위치로의 사전 결정된 변환을 수행할 수 있는 하나 이상의 알고리즘이 구현될 수 있다.
평가 장치는, 특히, 센서 신호를 평가함으로써, 정보 항목을 생성하도록 설계될 수 있는 적어도 하나의 데이터 처리 장치, 특히, 전자 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 평가 장치는 센서 신호를 입력 변수로서 사용하고, 이들 입력 변수를 처리함으로써 대상체의 종 방향 위치 및/또는 횡 방향 위치에 관한 정보 항목을 생성하도록 설계된다. 처리는 병렬로, 연속해서 또는 결합 방식으로도 수행될 수 있다. 평가 장치는, 예를 들어, 계산 및/또는 적어도 하나의 저장 및/또는 알려진 관계식을 사용하여, 이들의 정보 항목을 생성하는 임의의 프로세스를 사용할 수 있다. 센서 신호 이외에, 하나 또는 복수의 추가 파라미터 및/또는 정보 항목이 상기 관계식, 예를 들어, 변조 주파수에 관한 적어도 하나의 정보 항목에 영향을 미칠 수 있다. 관계식은 경험적으로, 분석적으로 또는 반경험적인 다른 방식으로 결정되거나 결정될 수 있다. 특히, 바람직하게, 관계식은 적어도 하나의 검량선(calibration curve), 적어도 하나의 검량선 세트, 적어도 하나의 함수 또는 기술된 가능성의 조합을 포함한다. 하나 또는 복수의 검량선은, 예를 들어, 데이터 저장 장치 및/또는 테이블에 값들의 세트(a set of values) 및 그와 관련된 함수값의 형태로 저장될 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 부가적으로, 적어도 하나의 검량선은, 예를 들어, 파라미터 형태 및/또는 함수 방정식으로서 저장될 수도 있다. 센서 신호를 정보 항목으로 처리하기 위해 별도의 관계식이 사용될 수 있다. 대안적으로, 센서 신호를 처리하기 위한 적어도 하나의 조합된 관계식이 가능하다. 다양한 가능성을 생각할 수 있고, 또한 조합될 수도 있다.
예를 들어, 평가 장치는 정보 항목을 결정할 목적으로 프로그래밍의 관점에서 설계될 수 있다. 평가 장치는, 특히, 적어도 하나의 컴퓨터, 예를 들어, 적어도 하나의 마이크로컴퓨터를 포함할 수 있다. 또한, 평가 장치는 하나 또는 복수의 휘발성 또는 비휘발성 데이터 메모리를 포함할 수 있다. 데이터 처리 장치, 특히, 적어도 하나의 컴퓨터에 대한 대안으로서 또는 추가로서, 평가 장치는 정보 항목을 결정하기 위해 설계되는 하나 또는 복수의 또 다른 전자 구성 요소, 예를 들어, 전자 테이블과, 특히, 적어도 하나의 룩업 테이블 및/또는 적어도 하나의 주문형 집적 회로(ASIC)를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 검출기는 적어도 하나의 평가 장치를 갖는다. 특히, 적어도 하나의 평가 장치는, 이하에 더욱 상세하게 설명하는 바와 같이, 예를 들어, 적어도 하나의 조명원을 제어하고/제어하거나 검출기의 적어도 하나의 변조 장치를 제어하도록 설계되어 있는 평가 장치에 의해 검출기를 완전히 또는 부분적으로 제어하거나 구동하도록 또한 설계될 수 있다. 평가 장치는, 특히, 복수의 센서 신호와 같은 하나 또는 복수의 센서 신호, 예를 들어, 조명의 상이한 변조 주파수에서 연속적으로 나오는 복수의 센서 신호가 포착되는 적어도 하나의 측정 사이클을 수행하도록 설계될 수 있다.
평가 장치는, 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 센서 신호를 평가함으로써, 대상체의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된다. 대상체의 위치는 정적일 수 있거나 또는 대상체의 적어도 한 번의 이동, 예를 들어, 검출기 또는 그 일부와, 대상체 또는 그 일부간의 상대적 이동을 포함할 수도 있다. 이 경우, 상대적 이동은 일반적으로 적어도 하나의 직선 이동 및/또는 적어도 하나의 회전 이동을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이동 정보 항목은 상이한 시간에 수집된 적어도 2개의 정보 항목, 예를 들어, 대상체 또는 그 일부와, 검출기 또는 그 일부 사이의 적어도 하나의 상대 속도에 관한 적어도 하나의 정보 항목의 비교에 의해 또한 획득될 수 있으며, 예컨대, 적어도 하나의 위치 정보 항목은 적어도 하나의 속도 정보 항목 및/또는 적어도 하나의 가속 정보 항목을 또한 포함할 수 있다. 특히, 적어도 하나의 위치 정보 항목은, 대상체 또는 그 일부와 검출기 또는 그 일부 사이의 거리에 관한 정보 항목, 특히, 광학 경로 길이와, 대상체 또는 그 일부와 광 전송 장치 또는 그 일부 사이의 거리 또는 광학 거리에 관한 정보 항목과, 검출기 또는 그 일부에 대한 대상체 또는 그 일부의 위치 결정에 관한 정보 항목과, 검출기 또는 그 일부에 대한 대상체 및/또는 그 일부의 방향에 관한 정보 항목과, 대상체 또는 그 일부와 검출기 또는 그 일부 사이의 상대 이동에 관한 정보 항목, 및 대상체 또는 그 일부, 특히, 대상체의 기하학적 형상 또는 형태의 2차원 또는 3차원 공간적 구성에 관한 정보 항목으로부터 일반적으로 선택될 수 있다. 일반적으로, 적어도 하나의 위치 정보 항목은, 예를 들어, 대상체 또는 그 대상체의 적어도 일부의 적어도 하나의 위치에 관한 정보 항목과, 상기 대상체 또는 그 대상체의 일부의 적어도 하나의 방위에 관한 정보 항목과, 대상체 또는 그 일부의 기하학적 형상 또는 형태에 관한 정보 항목과, 대상체 또는 그 일부의 속도에 관한 정보 항목과, 대상체 또는 그 일부의 가속에 관한 정보 항목, 및 검출기의 가시 범위에서의 대상체 또는 그 일부의 존재 유무에 관한 정보 항목으로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
적어도 하나의 위치 정보 항목은, 예를 들어, 적어도 하나의 좌표계, 예컨대, 검출기 또는 그 일부가 위치하는 좌표계에서 특정될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 위치 정보는, 예를 들어, 단순히 검출기 또는 그 일부와, 대상체 또는 그 일부 사이의 거리를 포함할 수도 있다. 언급된 가능성의 조합도 또한 고려할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 검출기는 바람직하게는 하나의 개별 종 방향 광학 센서를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 종 방향 광학 센서가 입사 광빔에 대해 상이한 스펙트럼 감도를 나타낼 수 있는 경우와 같은 특정 실시예에서, 검출기는 2개 이상의 종 방향 광학 센서를 포함할 수 있으며, 여기서, 각각의 종 방향 광학 센서는 적어도 하나의 종 방향 센서 신호를 생성하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 종 방향 광학 센서의 센서 영역이나 센서 표면은 평행하게 배향될 수 있으며, 여기서, 약간의 각도 공차는, 예를 들어, 10° 미만, 바람직하게는 5° 미만의 각도 공차가 허용될 수 있다. 여기에서, 검출기의 광축을 따라 스택 형태로 바람직하게 배열될 수 있는 검출기의 종 방향 광학 센서 모두는 투명한 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 광빔은 다른 종 방향 광학 센서에 충돌하기 전에, 바람직하게는 계속해서 제 1 투명 종 방향 광학 센서를 통과할 수 있다. 따라서, 대상체로부터의 광빔은 광학 검출기에 존재하는 모든 종 방향 광학 센서에 계속해서 도달할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 검출기는 WO 2014/097181 A1에 개시된 바와 같은 광학 센서의 스택, 특히, 하나 이상의 종 방향 광학 센서와 하나 이상의 횡 방향 광학 센서의 조합을 포함할 수 있다. 일 예로서, 하나 이상의 횡 방향 광학 센서는 대상체를 향하도록 적어도 하나의 종 방향 광학 센서의 일측면 상에 위치될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 횡 방향 광학 센서는 대상체로부터 멀어지는 방향을 향하는 적어도 하나의 종 방향 광학 센서의 일측면 상에 위치될 수 있다. 또한, 부가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 횡 방향 광학 센서가 스택 내에 배열된 적어도 2개의 종 방향 광학 센서 사이에 개재될 수 있다. 또한, 광학 센서들의 스택은 단일 개별 종 방향 광학 센서와 단일 개별 횡 방향 광학 센서의 조합일 수 있다. 그러나, 횡 방향 광학 센서를 포함하지 않고, 단일 개별 종 방향 광학 센서만 포함하는 실시예는, 예를 들어, 대상체의 깊이만을 결정하는 것이 바람직할 수 있는 경우에 여전히 유리할 수 있다.
전술한 바와 같이, 광 검출용 검출기, 특히, 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하기 위한 검출기는 구체적으로 적어도 하나의 대상체의 종 방향 위치(깊이), 적어도 하나의 대상체의 횡 방향 위치(폭), 또는 적어도 하나의 대상체의 공간 위치(깊이 및 폭 모두)를 결정하기 위해 지정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 양태 내에서, "횡 방향 광학 센서"로 지칭될 수 있는 적어도 하나의 대상체의 횡 방향 위치(폭)를 결정하는 검출기가 추가로 개시된다. 횡 방향 광학 센서는 여기에 설명된 종 방향 광학 센서의 대안으로서 또는 여기에 설명된 종 방향 광학 센서에 추가하여 사용될 수 있다. 추가의 대안으로서, 본 명세서에 설명된 바와 같은 종 방향 광학 센서는 WO 2012/110924 A1, WO 2014/097181 A1 또는 WO 2016/120392 A1에 개시된 바와 같은 공지된 PSD(position sensitive device)에 추가하여 공지된 횡 방향 광학 센서에 추가하여 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 대상체의 폭을 광학적으로 검출하기 위한 검출기는,
- 적어도 하나의 센서 영역을 갖는 적어도 하나의 횡 방향 광학 센서 - 여기서, 센서 영역은 적어도 하나의 용량성 소자를 포함하고, 용량성 소자는 적어도 두 개의 전극을 포함하고, 전극 사이에는 적어도 하나의 절연층 및 적어도 하나의 감광층이 매립되며, 전극 중 적어도 하나는 광빔에 대해 적어도 일부의 광학적으로 투명하고, 전극 중 하나는 센서 영역에 충돌되는 입사 광빔의 위치를 결정하기 위해 지정된 전기 전도도가 낮은 전극층이며, 횡 방향 광학 센서는 입사 광빔이 센서 영역과 충돌하는 위치 및 광빔의 변조 주파수에 따라 적어도 하나의 횡 방향 센서 신호를 생성하도록 설계됨 -, 및
- 횡 방향 센서 신호를 평가함으로써, 대상체의 횡 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된 적어도 하나의 평가 장치를 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "횡 방향 광학 센서"라는 용어는 일반적으로 대상체로부터 검출기로 이동하는 적어도 하나의 광빔의 횡 방향 위치를 결정하도록 적응되는 장치를 지칭한다. "위치"라는 용어에 관해서는 상기의 정의를 참조할 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 횡 방향 위치는 검출기의 광축에 수직인 적어도 1차원의 적어도 하나의 좌표를 이거나 이를 포함할 수 있다. 일 예로서, 횡 방향 위치는 횡 방향 광학 센서의 광 감지 센서 표면과 같이 광축에 수직인 평면에서 광빔에 의해 생성된 광 스폿의 위치일 수 있다. 예를 들어, 평면 내의 위치는 직교 좌표 및/또는 극좌표로 주어질 수 있다. 다른 실시예도 가능하다. 횡 방향 광학 센서의 추가 상세는 WO 2014/097181 A1을 참조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 횡 방향 광학 센서의 센서 영역은 적어도 2개의 전극을 갖는 적어도 하나의 용량성 소자를 포함하고, 여기서, 전극 사이에는 적어도 하나의 절연층 및 적어도 하나의 감광층이 매립된다. 입사 광빔이 적어도 하나의 감광층에 도달하도록 하기 위해, 적어도 하나의 전극은 입사 광빔에 대해 적어도 일부가 광학적으로 투명하다. 이러한 배열은, 특히, 위에서 보다 상세하게 기술된 바와 같은 WO 2016/092454 A1에 개시된 광학 검출기와는 대조적이다.
또한, 횡 방향 광학 센서의 전극 중 하나는 전기 전도도가 낮은 전극층이므로, 입사 광빔이 센서 영역에 충돌하는 횡 방향 위치를 전극층이 결정하게 한다. 따라서, 전극층은 시트 저항이 100Ω/sq 내지 20,000Ω/sq, 바람직하게는 100Ω/sq 내지 10,000Ω/sq, 더욱 바람직하게는 125Ω/sq 내지 1,000Ω/sq, 특히, 150Ω/sq ~ 500Ω/sq를 나타낼 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, 단위 "Ω/sq"는 치수적으로 SI 단위(The International System of Units)인 Ω와 같지만, 시트 저항에 대해서만 전용으로 사용된다. 예를 들어, 10Ω/sq의 시트 저항을 갖는 정사각형 시트는 정사각형의 크기에 관계없이 10Ω의 실제 저항을 갖는다. 시트 저항이 표시된 범위 내에 있기 때문에, 용량성 소자는 공지의 PSD(position-sensitive device)에서와 마찬가지의 접근법을 사용하여 횡 방향 검출기로서 작용할 수 있다. 이 특징은 절연층을 통해 교류 전류를 유도할 수 있는 변조된 광을 사용하여 이러한 목적을 달성하기 위해 사용할 수 있다. 또한, 전극층은 적어도 일부가 광학적으로 투명한 특성을 나타내도록 선택될 수 있으며, 따라서 투명 전기 전도성 유기 폴리머의 층을 포함할 수 있다. 특히, PEDOT(poly(3,4-ethylene-dioxythio-phene)) 또는 PEDOT:PSS의 분산액이 이 목적을 위해 선택될 수 있다. 한편, 다른 전극이 이미 적어도 부분적으로 투명하여 빔 배스(beam bath)가 전극층을 통과할 수 없는 경우에, 광학적으로 불투명한 재료를 포함하여 보다 많은 다양한 재료가 전극층에 사용될 수 있다.
따라서, 횡 방향 광학 센서는 적어도 하나의 횡 방향 센서 신호를 제공하도록 지정된다. 여기서, 횡 방향 센서 신호는 일반적으로 횡 방향 위치를 나타내는 임의의 신호일 수 있다. 일 예로서, 횡 방향 센서 신호는 디지털 신호 및/또는 아날로그 신호이거나 이들을 포함할 수 있다. 일 예로서, 횡 방향 센서 신호는 전압 신호 및/또는 전류 신호일 수 있거나 이들을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 횡 방향 센서 신호는 디지털 데이터일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 횡 방향 센서 신호는 단일 신호값 및/또는 일련의 신호값을 포함할 수 있다. 횡 방향 센서 신호는 2개 이상의 신호를 평균화하는 것 및/또는 2개 이상의 신호의 몫을 형성하는 것과 같이, 2개 이상의 개별 신호를 결합함으로써 도출될 수 있는 임의의 신호를 더 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 횡 방향 센서 신호는 입사 광빔이 센서 영역에 충돌하는 위치와 입사 광빔의 변조 주파수에 따라 달라진다.
특히, 횡 방향 센서 신호를 기록하기 위해, 횡 방향 광학 센서는 적어도 두 개의 부분 전극을 갖는 분할 전극을 포함할 수 있다. 따라서, 횡 방향 센서 신호는, 분할 전극이 위치하는 도전층이 해당 분할 전극의 전기 저항에 비해 더 높은 전기 저항을 나타낼 수 있는 한, 횡 방향 광학 센서의 감광층 내에서 광빔에 의해 발생된 광 스폿의 위치를 나타낼 수 있다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "부분 전극"이라는 용어는 적어도 하나의 전류 및/또는 전압 신호를 측정하도록 적응된, 바람직하게는 다른 부분 전극과는 독립적인, 복수의 전극 외의 전극을 지칭한다. 따라서, 복수의 부분 전극이 제공되는 경우, 각각의 전극은 적어도 2개의 부분 전극을 통해, 독립적으로 측정 및/또는 사용될 수 있는 복수의 전위 및/또는 전류 및/또는 전압을 제공하도록 구성된다. 또한, 특히, 더 양호한 전자 접촉을 가능하게 하기 위해, 금속 접촉부를 각각 포함할 수 있는 적어도 2개의 부분 전극을 갖는 분할 전극이 도전층 중 하나의 상부에, 바람직하게는 전기 전도성 폴리머의 층을 포함할 수 있는 제 2 전도층의 상부에 배열될 수 있다. 여기에서, 분할 전극은 바람직하게는 전기적으로 전도성 폴리머의 층을 포함할 수 있는 제 2 전도층의 상부에 배열되는 증발 금속 접촉부를 더 포함할 수 있으며, 여기서, 증발 금속 접촉부는, 특히, 은, 알루미늄, 백금, 티타늄, 크롬 또는 금을 포함할 수 있다. 금속 접촉부는 바람직하게는 증발 접촉부 또는 스퍼터링 접촉부 중 하나일 수 있거나, 대안적으로 전도성 잉크를 제조할 수 있는 인쇄 접촉부 또는 코팅 접촉부일 수 있다. 그러나 다른 종류의 배열이 또한 가능할 수도 있다.
횡 방향 광학 센서는 부분 전극을 통한 전류에 따라 횡 방향 센서 신호를 발생시키도록 추가 적응될 수 있다. 따라서, 2개의 수평 부분 전극을 흐르는 전류의 비율을 형성하여 x 좌표를 생성하고/생성하거나 수직 부분 전극을 흐르는 전류의 비율을 형성하여 y 좌표를 생성할 수 있다. 검출기, 바람직하게는 횡 방향 광학 센서 및/또는 평가 장치는 부분 전극을 흐르는 전류의 적어도 하나의 비율로부터 대상체의 횡 방향 위치에 대한 정보를 도출하도록 적응될 수 있다. 부분 전극을 통해 전류를 비교하여 위치 좌표를 생성하는 다른 방법도 가능하다.
부분 전극은, 일반적으로, 감광층에서 광빔의 위치를 결정하기 위해 다양한 방법으로 정의될 수 있다. 따라서, 수평 좌표, 즉, x 좌표를 결정하기 위해 2 이상의 수평 부분 전극이 제공될 수 있고, 수직 좌표, 즉, y 좌표를 결정하기 위해 2 이상의 수직 부분 전극이 제공될 수 있다. 특히, 광빔의 횡 방향 위치를 측정하여 가능한 한 많은 영역을 유지하기 위해, 부분 전극이 횡 방향 광학 센서의 테두리에 제공될 수 있고, 횡 방향 광학 센서의 내부 공간은 제 2 전도층으로 덮여있다. 바람직하게는, 분할 전극은 정사각형이나 직사각형의 횡 방향 광학 센서의 네 측면에 배열된 4개의 부분 전극을 포함할 수 있다. 대안적으로, 횡 방향 광학 센서는 양 측방(duo-lateral) 유형일 수 있고, 양 측방형 횡 방향 광학 센서는 감광층을 매립하는 2개의 도전층 중 하나에 각각 위치한 2개의 개별 분리 전극을 포함할 수 있고, 여기서, 2개의 전도층의 각각은 해당 분할 전극에 비해 더 높은 전기 저항을 나타낼 수 있다. 그러나, 특히, 횡 방향 광학 센서의 형태에 따라, 다른 실시예가 가능할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 제 2 전도층 재료는 바람직하게는 분할 전극에 비하여 더 높은 전기 저항을 나타낼 수 있는 투명 전도성 산화물 및/또는 가장 바람직하게는 투명 전도성 폴리머와 같은 투명 전극 재료일 수 있다.
하나의 전극이 2개 이상의 부분 전극을 갖는 분할 전극인 횡 방향 광학 센서를 사용함으로써, 부분 전극을 흐르는 전류는 감광층 내의 광빔의 위치에 의존할 수 있고, 따라서 "센서 영역"으로 표시될 수도 있다. 이러한 종류의 영향은 일반적으로 감광층 상의 충돌광(impinging light)의 위치로부터 부분 전극으로 가는 도중에 전기 전하 캐리어에 대해 오믹 손실(Ohmic loss) 또는 저항 손실이 발생할 수 있다는 사실에 기인할 수 있다. 따라서, 전하 캐리어의 생성 및/또는 변형 위치로부터 제 1 전도층을 통한 부분 전극까지의 오옴 손실로 인해, 부분 전극을 흐르는 각각의 전하 캐리어의 생성 및/또는 변형의 위치, 및 그에 따른 감광층에서의 광빔의 위치에 따라 달라진다. 전자 및/또는 정공에 대한 폐회로를 달성하기 위해, 전술한 바와 같은 제 2 전도층이 바람직하게 사용될 수 있다. 광빔의 위치 결정에 관한 보다 상세한 내용은 WO 2014/097181 A1 또는 WO 2016/120392 A1의 개시 내용에 대한 이하의 바람직한 실시예를 참조할 수 있다.
본 발명의 추가 실시예는 대상체로부터 검출기로 전파하는 광빔의 본질을 나타낸다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광"이라는 용어는 일반적으로 가시 스펙트럼 범위, 자외선 스펙트럼 범위 및 적외선 스펙트럼 범위 중 하나 이상의 전자기 방사선을 지칭한다. 여기서, 가시 스펙트럼 범위라는 용어는 일반적으로 380nm 내지 780nm의 스펙트럼 범위를 지칭한다. 적외선(IR) 스펙트럼 범위라는 용어는 일반적으로 780nm 내지 1000μm의 전자기 방사를 지칭하며, 여기서 780nm 내지 1.5μm의 범위는 일반적으로 근적외선(NIR) 스펙트럼 범위, 1.5μm 내지 15μm의 범위는 중적외선 범위(MidIR), 15μm 내지 1000μm 범위는 원적외선(FIR) 스펙트럼 범위로서 명명된다. 자외선 스펙트럼 범위라는 용어는 일반적으로 1nm 내지 380nm, 특히 100nm 내지 380nm의 전자기 방사선을 지칭한다. 바람직하게는, 본 발명에 사용되는 광은 적외선, 특히, NIR 스펙트럼 범위 내의 광이다.
"광빔"이라는 용어는 일반적으로 특정 방향으로 방출되는 빛의 양을 지칭한다. 따라서, 광빔은 광빔의 전파 방향에 수직인 방향으로 사전 결정된 연장을 갖는 광선(light rays)의 묶음일 수 있다. 바람직하게는, 광빔은 빔 웨이스트(beam waist), 레일레이 길이(Rayleigh-length) 또는 임의의 다른 빔 파라미터 또는 빔 직경 및/또는 공간에서의 빔 전파의 전개를 특성화하는 데 적합한 빔 파라미터들의 조합 중 하나 이상과 같은 하나 이상의 가우스 빔 파라미터에 의해 특성화될 수 있는 하나 이상의 가우스 광빔이거나 이를 포함할 수 있다.
광빔은 대상체 자체에 의해 허용될 수 있고, 즉, 대상체로부터 비롯될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 다른 기원의 광빔도 가능하다. 따라서, 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 사전 결정된 특성을 갖는 하나 이상의 1차 광선 및 광빔과 같이, 하나 이상의 1차 광선 또는 광빔을 이용함으로써, 대상체를 조명하는 하나 이상의 조명원이 제공될 수 있다. 후자의 경우, 대상체로부터 검출기로 전파하는 광빔은 대상체 및/또는 대상체에 연결된 반사 장치에 의해 반사되는 광빔일 수 있다.
상술한 바와 같이, 광빔에 의해 조명의 동일한 총 전력이 주어지면, 적어도 하나의 종 방향 센서 신호는, FiP 효과에 따라, 적어도 하나의 종 방향 광학 센서의 센서 영역 내의 광빔의 빔 단면에 좌우된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 빔 단면이라는 용어는 일반적으로 특정 위치에서 광빔에 의해 생성된 광 스폿 또는 광빔의 측방향 연장부를 지칭한다. 원형의 광 스폿이 생성되는 경우, 반경, 직경 또는 가우스 빔 웨이스트 또는 2배의 가우스 빔 웨이스트가 빔 단면의 척도(measure)로서 기능할 수 있다. 비원형 광 스폿이 발생되는 경우, 등가 빔 단면이라고도 지칭되는, 비원형 광 스폿과 동일한 면적을 갖는 원의 단면을 결정하는 것과 같은 임의의 다른 가능한 방법으로 단면이 결정될 수 있다. 이와 관련하여, 광전 재료(photovoltaic material)와 같은 상응하는 재료가 광학 렌즈에 의해 영향을 받는 초점 또는 그 부근에 위치될 수 있는 경우와 같이, 가능한 한 최소 단면을 가진 광빔에 의해 충돌될 수 있는 조건 하에서, 종 방향 센서 신호의 극값, 즉, 최대값 또는 최소값, 특히, 전역의 극값(global extremum)의 관측을 이용하는 것이 가능할 수 있다. 극값이 최대값인 경우, 이 관측은 양의 FiP 효과로 명명될 수 있는 반면, 극값이 최소값인 경우, 이 관측은 음의 FiP 효과로 명명될 수 있다. 이하의 예에서 설명하는 바와 같이, 본 발명에 따른 센서 영역 내에 감광층을 갖는 용량성 소자를 포함하는 광학 센서는 FiP 효과, 특히, 음의 FiP 효과를 나타낸다.
따라서, 실제로 센서 영역에 포함된 재료에 관계없이, 광빔에 의한 센서 영역의 조명의 동일한 총 전력이 주어지면, 제 1 빔 직경 또는 빔 단면을 갖는 광빔은 제 1 종 방향 센서 신호를 생성하는 반면에, 제 1 빔 직경 또는 빔 단면과 상이한 제 2 빔 직경 또는 빔 단면을 갖는 광빔은 제 1 종 방향 센서 신호와 상이한 제 2 종 방향 센서 신호를 생성한다. WO 2012/110924 A1에 기재된 바와 같이, 종 방향 센서 신호들을 비교함으로써, 빔 단면, 특히, 빔 직경에 관한 적어도 하나의 정보 항목이 생성될 수 있다. 따라서, 종 방향 광학 센서에 의해 생성된 종 방향 센서 신호는, 광 빔의 총 전력 및/또는 강도에 대한 정보를 얻기 위해, 및/또는 광 빔의 총 전력 및/또는 총 강도에 있어서의 대상체의 종 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목 및/또는 종 방향 센서 신호를 정규화하기 위해, 비교될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 종 방향 광학 센서 신호의 최소값이 검출되고, 모든 종 방향 센서 신호가 이러한 최소값으로 분할되어, 정규화된 종 방향 광학 센서 신호를 생성한 후, 상술한 알려진 관계를 이용하여, 대상체에 대한 적어도 하나의 종 방향 정보 항목으로 변환될 수 있다. 종 방향 센서 신호의 평균값(mean value)을 사용하며, 모든 종 방향 센서 신호를 이 평균값으로 나누는 정규화(normalization)와 같은 다른 정규화 방법이 가능하다. 다른 옵션도 가능하다.
본 실시예는, 특히, 광빔의 빔 단면과 대상체의 종 방향 위치 사이의 알려진 관계의 모호성을 해결하기 위해 평가 장치에 의해 사용될 수 있다. 따라서, 대상체로부터 검출기로 전파하는 광빔의 빔 특성을 완전히 또는 부분적으로 알고 있더라도, 많은 빔에서, 빔 단면이 초점에 도달하기 전에 좁아지고, 이후에 다시 넓어지는 것으로 알려져 있다. 따라서, 광빔이 가장 좁은 빔 단면을 갖는 초점 전후에서, 광빔 위치의 전파 축을 따라 동일한 단면을 갖는 광빔이 발생한다. 따라서, 예를 들어, 초점 전후의 거리 z0 에서, 광빔의 단면은 동일하다. 따라서, 광학 검출기가 단일 종 방향 광학 센서만을 포함하고, 광빔의 총 전력 또는 강도를 알고 있는 경우, 광빔의 특정 단면이 결정될 수 있다. 이 정보를 사용함으로써, 초점으로부터 종 방향 광학 센서 각각의 거리 z0이 결정될 수 있다. 그러나, 각각의 종 방향 광학 센서가 초점 전후에 위치할 수 있는지 여부를 결정하기 위해, 대상체 및/또는 검출기의 이동 이력, 및/또는 검출기가 초점의 전후에 위치되는지 여부에 관한 정보와 같은 부가적인 정보가 요구된다.
대상체로부터 검출기로 전파하는 광빔의 하나 이상의 빔 특성이 알려져 있는 경우, 대상체의 종 방향 위치에 대한 적어도 하나의 정보 항목은 따라서 적어도 하나의 종 방향 센서 신호 및 대상체의 종 방향 위치 사이의 알려진 관계로부터 도출될 수 있다. 알려진 관계식은 알고리즘 및/또는 하나 이상의 교정 곡선으로서 평가 장치에 저장될 수 있다. 예를 들어, 특히 가우스 빔의 경우, 빔 직경 또는 빔 웨이스트와 대상체의 위치 사이의 관계식이 빔 웨이스트와 종 방향 좌표 간의 가우스 관계식을 이용하여 용이하게 도출될 수 있다. 따라서, WO 2014/097181 A1에 설명된 바와 같이, 또한 본 발명에 따르면, 평가 장치는, 대상체의 종 방향 위치에 대한 적어도 하나의 정보 항목을, 바람직하게는 광빔의 전파 방향의 적어도 하나의 전파 좌표 상의 광빔의 빔 직경의 알려진 의존도 및/또는 광빔의 알려진 가우스 프로파일로부터 결정하기 위해, 광빔의 알려진 빔 특성과 광빔의 빔 단면 및/또는 직경을 비교하도록 구성될 수 있다.
대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표에 더해서, 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표가 결정될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 평가 장치는 또한 적어도 하나의 횡 방향 광학 센서상의 광빔의 위치를 결정함으로써 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표를 결정하도록 적응될 수도 있으며, 이는 또한 WO 2014/097181 A1에도 개략적으로 설명된 바와 같이, 픽셀화, 세그먼트화, 또는 대면적의 횡 방향 광학 센서일 수 있다.
또한, 검출기는 광학 렌즈, 특히, 하나 이상의 굴절 렌즈, 특히, 볼록 렌즈 또는 양면 볼록 렌즈 및/또는 하나 이상의 볼록 거울과 같은 수렴하는 얇은 굴절 렌즈와 같은 적어도 하나의 전송 장치를 포함할 수 있고, 공통 광축을 따라 추가로 배열될 수 있다. 가장 바람직하게는, 대상체로부터 나오는 광빔은, 이 경우, 적어도 하나의 전송 장치를 우선 통과하고, 그 후 단일 투명 종 방향 광학 센서나 투명 종 방향 광학 센서의 스택을 통과하여 최종적으로 촬상 장치에 충돌할 때까지 이동할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전송 장치"라는 용어는 대상체로부터 나오는 적어도 하나의 광빔을 검출기 내의 광학 센서, 즉, 적어도 2개의 종 방향 광학 센서 및 적어도 하나의 횡 방향 광학 센서로 전달하도록 구성될 수 있는 광학 소자를 지칭한다. 따라서, 전송 장치는 대상체로부터 검출기로 전파하는 광을 광학 센서에 공급하도록 설계될 수 있으며, 이 공급은 촬상 수단에 의해 또는 다른 한편으로는 전송 장치의 비촬상 특성(non-imaging properties)에 의해 선택적으로 영향을 받을 수 있다. 특히, 전송 장치는 전자기 방사선이 횡 방향 및/또는 종 방향 광학 센서에 공급되기 전에 전자기 방사선을 수집하도록 설계될 수도 있다.
또한, 적어도 하나의 전송 장치는 촬상 특성이 있을 수 있다. 결과적으로, 전송 장치는 적어도 하나의 촬상 소자, 예를 들어, 적어도 하나의 렌즈 및/또는 적어도 하나의 곡면 거울을 포함하는데, 그 이유는, 이러한 촬상 소자의 경우, 예를 들어, 센서 영역 상의 조명의 기하학적 형상이 전송 장치와 대상체 사이의 상대적인 위치, 예를 들어, 거리에 의존적일 수 있기 때문이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 전송 장치는 대상체로부터 나오는 전자기 방사선이 센서 영역으로 완전히 전달되는 방식으로, 예를 들어, 대상체가, 특히, 검출기의 가시 범위에 배열되는 경우, 센서 영역에 완전히 집중되도록 설계될 수 있다.
또한, 전송 장치는, 변조 전송 장치를 사용하는 것과 같이, 광빔을 변조하기 위해 사용될 수도 있다. 여기서, 변조 전송 장치는 광빔이 종 방향 광학 센서 상에 충돌하기 전에 입사 광빔의 주파수 및/또는 강도를 변조하도록 적응될 수 있다. 여기서, 변조 전송 장치는 광빔을 변조하기 위한 수단을 포함할 수 있고/있거나, 평가 장치의 구성 부품일 수 있고/있거나 적어도 부분적으로는 별도의 유닛으로 구현될 수도 있는 변조 장치에 의해 제어될 수 있다.
추가로, 검출기는 적어도 하나의 촬상 장치, 즉, 적어도 하나의 영상을 획득할 수 있는 장치를 포함할 수 있다. 촬상 장치는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 따라서, 촬상 장치는, 예를 들어, 검출기 하우징 내의 검출기의 일부일 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 부가적으로, 촬상 장치는 또한 검출기 하우징 외부에, 예를 들어, 별도의 촬상 장치로서 배치될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 촬상 장치는 또한 검출기에 연결되거나 검출기의 일부일 수도 있다. 바람직한 배열에서, 투명 종 방향 광학 센서들의 스택 및 촬상 장치는 광빔이 이동하는 공통의 광축을 따라 정렬된다. 따라서, 광빔이 촬상 장치에 충돌할 때까지 투명 종 방향 광학 센서들의 스택을 통해 이동하는 방식으로 광빔의 광학 경로 내에 촬상 장치를 위치시키는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 다른 배열도 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "촬상 장치"는 일반적으로 대상체 또는 그 일부의 1차원, 2차원 또는 3차원 이미지를 생성할 수 있는 장치로서 이해된다. 특히, 적어도 하나의 선택적인 촬상 장치를 갖거나 갖지 않는 검출기는 IR 카메라 또는 RGB 카메라, 즉, 빨간색, 초록색 및 파란색으로 지정된 3개의 기본색을 3개의 개별 연결부에 전달하도록 설계된 카메라와 같은 카메라로서 완전히 또는 부분적으로 사용될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 적어도 하나의 촬상 장치는: 픽셀화된 유기 카메라 소자, 바람직하게는 픽셀화된 유기 카메라 칩과, 픽셀화된 무기 카메라 소자, 바람직하게는 픽셀화된 무기 카메라 칩, 더 바람직하게는 CCD 칩 또는 CMOS 칩과, 단색 카메라 소자, 바람직하게는 단색 카메라 칩과, 다색 카메라 소자, 바람직하게는 다색 카메라 칩, 및 풀컬러 카메라 소자, 바람직하게는 풀컬러 카메라 칩으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 촬상 장치이거나 또는 이를 포함할 수 있다. 촬상 장치는 단색 촬상 장치, 멀티-크롬 촬상 장치 및 적어도 하나의 풀컬러 촬상 장치로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 장치이거나 또는 이를 포함할 수 있다. 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이, 필터 기술 및/또는 고유의 색 감도 또는 다른 기술을 사용함으로써, 멀티-크롬 촬상 장치 및/또는 풀컬러 촬상 장치를 제조할 수도 있다. 촬상 장치의 다른 실시예도 가능하다.
촬상 장치는 대상체의 복수의 부분 영역을 연속적으로 및/또는 동시에 촬상하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 대상체의 부분 영역은, 예를 들어, 촬상 장치의 해상도 제한에 의해 경계가 정해지고, 또한 이로부터 전자기 방사선이 방출되는 대상체의 1차원, 2차원 또는 3차원 영역일 수 있다. 이러한 맥락에서, 촬상은 대상체의 부분 영역의 각각으로부터 나오는 전자기 방사선이, 예를 들어, 검출기의 적어도 하나의 선택적인 전송 장치에 의해 촬상 장치로 공급되는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 전자기선(electromagnetic rays)은 대상체 자체에 의해, 예를 들어, 발광 방사선(luminescent radiation)의 형태로 생성될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 적어도 하나의 검출기는 대상체를 조명하기 위한 적어도 하나의 조명원을 포함할 수 있다.
특히, 촬상 장치는, 예를 들어, 스캐닝 방법에 의해, 특히, 적어도 하나의 로우 스캔(row scan) 및/또는 라인 스캔(line scan)을 사용하여, 복수의 부분 영역을 순차적으로 촬상하도록 설계될 수 있다. 그러나, 다른 실시예, 예를 들어, 복수의 부분 영역이 동시에 촬상되는 실시예도 가능하다. 촬상 장치는, 대상체의 부분 영역의 이러한 촬상 동안, 부분 영역과 관련된 신호, 바람직하게는 전자 신호를 생성하도록 설계된다. 상기 신호는 아날로그 및/또는 디지털 신호일 수 있다. 예를 들어, 전자 신호는 각각의 부분 영역과 연관될 수 있다. 따라서, 전자 신호는 동시에 또는 일시적으로 스태거되는 방식으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 로우 스캔 또는 라인 스캔 동안, 예를 들어, 라인으로 함께 연결되어 있는 대상체의 부분 영역에 상응하는 전자 신호의 시퀀스를 생성할 수 있다. 또한, 촬상 장치는 전자 신호를 처리 및/또는 전처리하기 위한 하나 이상의 필터 및/또는 아날로그-디지털 컨버터와 같은 하나 이상의 신호 처리 장치를 포함할 수 있다.
대상체에서 나오는 광은 대상체 자체에서 유래할 수 있지만, 선택적으로 다른 원천을 가지며, 이 원천에서 대상체로 그리고 이후 광학 센서를 향해 전파될 수 있다. 후자의 경우는, 예를 들어, 사용되는 적어도 하나의 조명원에 의해 영향을 받을 수 있다. 조명원은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 따라서, 조명원은, 예를 들어, 검출기 하우징 내의 검출기의 일부일 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 부가적으로, 적어도 하나의 조명원은 검출기 하우징 외부에, 예를 들어, 별도의 광원으로서 배치될 수도 있다. 조명원은 대상체과는 별개로 배열될 수 있고, 거리를 두고 대상체를 조명할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 조명원은, 예를 들어, 대상체로부터 나오는 전자기 방사선 또한 조명원에 의해 직접 생성될 수 있도록, 대상체에 연결되거나, 심지어 대상체의 일부가 될 수도 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 조명원은 대상체 상에 및/또는 대상체 내에 배치될 수 있고, 센서 영역이 조명되는 전자기 방사선을 직접 생성할 수 있다. 이 조명원은, 예를 들어, 주변 광원이거나 이를 포함할 수 있고/있거나 인공 조명원이거나 이를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 적외선 방출기 및/또는 가시광을 위한 적어도 하나의 방출기 및/또는 자외광을 위한 적어도 하나의 방출기가 대상체 상에 배열될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 발광 다이오드 및/또는 적어도 하나의 레이저 다이오드는 대상체 상 및/또는 대상체 내에 배치될 수 있다. 조명원은, 특히, 하나 또는 복수의 조명원, 예컨대, 레이저, 특히, 레이저 다이오드 - 원칙적이지만 대안적으로 또는 부가적으로, 다른 유형의 레이저가 또한 사용될 수 있음 -와, 발광 다이오드와, 백열 램프와, 네온 등과, 화염원과 유기 광원, 특히, 유기 발광 다이오드 및 구조화된 광원을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 다른 조명원이 사용될 수도 있다. 조명원이 가우스 빔 프로파일을 갖는 하나 이상의 광빔을 생성하도록 설계되는 것이, 특히, 바람직하며, 이는, 예를 들어, 많은 레이저에서 적어도 대략적으로 그러하다. 선택 사항인 조명원의 추가의 잠재적인 실시예에 대해서는, WO 2012/110924 A1 및 WO 2014/097181 A1 중 하나를 참조할 수 있다. 여전히, 다른 실시예가 가능하다.
적어도 하나의 선택적인 조명원은 일반적으로 자외선 스펙트럼 범위, 바람직하게는 200nm 내지 380nm의 범위이고, 가시 스펙트럼 범위, 즉, 380nm 내지 780nm의 범위이며, 적외선 스펙트럼 범위, 바람직하게는 780nm 내지 15㎛ 범위 중 적어도 하나의 범위에서 광을 방출할 수 있다. 가장 바람직하게는, 적어도 하나의 조명원은 NIR 스펙트럼 범위, 바람직하게는 780nm 내지 1500nm의 범위에서 광을 방출하도록 적응된다. 본 명세서에서, 특히, 각각의 조명원에 의해 조명될 수 있는 광학 센서가 고강도의 센서 신호를 제공하여, 충분한 신호 대 잡음비를 갖는 고해상도 평가를 가능하게 할 수 있는 방식으로, 조명원이 광학 센서의 스펙트럼 감도와 관련될 수 있는 스펙트럼 범위를 나타낼 수 있는 경우에 특히, 바람직할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 상술한 실시예 중 어느 하나에 따른 적어도 2개의 검출기를 포함하는 배열(arrangement)이 제안된다. 여기서, 적어도 2개의 검출기는 바람직하게는 동일한 광학 특성이 있을 수 있지만, 서로에 대해 상이한 광학 특성이 있을 수도 있다. 또한, 상기 배열은 적어도 하나의 조명원을 더 포함할 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 대상체는 1차 광을 생성하는 적어도 하나의 조명원을 사용하여 조명될 수 있고, 여기서 적어도 하나의 대상체는 1차 광을 탄성적으로 또는 비탄성적으로 반사하여, 적어도 2개의 검출기 중 하나의 검출기로 전파하는 복수의 광빔을 발생시킨다. 적어도 하나의 조명원은 적어도 2개의 검출기 각각의 구성 부분을 형성하거나 형성하지 않을 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 조명원 자체는, 주변 광원이거나 이를 포함할 수 있고/있거나 인공 조명원이거나 이를 포함할 수 있다. 이러한 실시예는, 적어도 2개의 검출기, 바람직하게는, 2개의 동일한 검출기가 깊이 정보를 획득하기 위해, 특히, 단일 검출기의 고유 측정 볼륨을 확장시키는 측정 볼륨을 제공할 목적으로 사용되는 애플리케이션에 바람직하게 적용된다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 사용자와 기계간에 적어도 하나의 정보 항목을 교환하기 위한 인간-기계 인터페이스가 제안된다. 제안된 인간-기계 인터페이스는, 전술하거나 이하에서 더 상세히 언급되는 하나 이상의 실시예에서, 전술한 검출기가 정보 및/또는 명령을 기계에 제공하기 위해 하나 이상의 사용자에 의해 사용될 수 있다는 사실을 이용할 수 있다. 따라서, 인간-기계 인터페이스는 제어 명령을 입력하는데 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
인간-기계 인터페이스는, 전술한 하나 이상의 실시예 및/또는 이하에 더 상세히 개시되는 하나 이상의 실시예와 같은 본 발명의 실시예에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함하고, 여기서 인간-기계 인터페이스는 검출기에 의해 사용자의 적어도 하나의 기하학적 정보 항목을 생성하도록 설계되며, 인간-기계 인터페이스는 기하학적 정보를 적어도 하나의 정보 항목, 특히, 적어도 하나의 제어 명령에 할당하도록 설계된다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 적어도 하나의 엔터테인먼트 기능을 수행하기 위한 엔터테인먼트 장치가 개시된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 엔터테인먼트 장치는 한 명 이상의 사용자(이하에서는 한 명 이상의 플레이어라고도 함)의 여가 및/또는 오락의 목적으로 제공될 수 있는 장치이다. 예를 들어, 엔터테인먼트 장치는 게임, 바람직하게는 컴퓨터 게임을 목적으로 제공될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 엔터테인먼트 장치는 일반적으로 운동, 스포츠, 물리 치료 또는 모션 추적과 같은 다른 목적으로도 사용될 수 있다. 따라서, 엔터테인먼트 장치는 컴퓨터, 컴퓨터 네트워크 또는 컴퓨터 시스템으로 구현될 수 있거나, 하나 이상의 게임 소프트웨어 프로그램을 구동하는 컴퓨터, 컴퓨터 네트워크 또는 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다.
엔터테인먼트 장치는, 예를 들어, 전술한 하나 이상의 실시예 및/또는 이하에 개시된 하나 이상의 실시예와 같은 본 발명에 따른 적어도 하나의 인간-기계 인터페이스를 포함한다. 엔터테인먼트 장치는 인간-기계 인터페이스를 통해 플레이어가 적어도 하나의 정보 항목을 입력할 수 있도록 설계된다. 적어도 하나의 정보 항목은 엔터테인먼트 장치의 제어기 및/또는 컴퓨터에 의해 전송 및/또는 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 적어도 하나의 이동 가능한 대상체의 위치를 추적하기 위한 추적 시스템이 제공된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 추적 시스템은 적어도 하나의 대상체나 대상체의 적어도 일부에 대한 일련의 과거 위치에 관한 정보를 수집하도록 적응된 장치이다. 또한, 추적 시스템은 적어도 하나의 대상체 또는 대상체의 적어도 일부에 대한 적어도 하나의 예측되는 향후의 위치에 관한 정보를 제공하도록 적응될 수 있다. 추적 시스템은 전자 장치, 바람직하게는 적어도 하나의 데이터 처리 장치, 더 바람직하게는 적어도 하나의 컴퓨터 또는 마이크로컨트롤러에 의해 전체적 또는 부분적으로 구현될 수 있는 적어도 하나의 추적 제어기를 포함할 수 있다. 다시, 적어도 하나의 추적 제어기는 적어도 하나의 평가 장치를 포함할 수 있고/있거나 적어도 하나의 평가 장치의 일부일 수 있고/있거나 적어도 하나의 평가 장치와 완전히 또는 부분적으로 동일할 수 있다.
추적 시스템은 상술한 하나 이상의 실시예 및/또는 이하의 하나 이상의 실시예에 개시된 적어도 하나의 검출기와 같이, 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함한다. 추적 시스템은 적어도 하나의 추적 제어기를 더 포함한다. 추적 시스템은 1개, 2개 또는 그 이상의 검출기, 특히, 2개 이상의 동일한 검출기를 포함할 수 있고, 이를 통해 2개 이상의 검출기 사이에 중첩하는 볼륨에서 적어도 하나의 대상체에 대한 신뢰할 수 있는 깊이 정보를 획득할 수 있다. 추적 제어기는 대상체의 일련의 위치를 추적하도록 적응되고, 각 위치는 특정 시점에서 대상체의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 포함한다.
상기 추적 시스템은 상기 대상체에 연결할 수 있는 적어도 하나의 비콘 장치를 더 포함할 수 있다. 비콘 장치의 잠재적인 정의에 대해서는 WO 2014/097181 A1을 참조할 수 있다. 추적 시스템은, 바람직하게는, 검출기가 적어도 하나의 비콘 장치의 대상체 위치에 대한 정보를 생성할 수 있도록, 특히, 특정 스펙트럼 감도를 나타내는 특정 비콘 장치를 포함하는 대상체의 위치에 대한 정보를 생성하도록 적응된다. 따라서, 상이한 스펙트럼 감도를 나타내는 하나 초과의 비콘 장치는 바람직하게는 동시에 본 발명의 검출기에 의해 추적될 수 있다. 여기서, 비콘 장치는 능동 비콘 장치 및/또는 수동 비콘 장치로 전체 또는 부분적으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 비콘 장치는 검출기로 전송될 적어도 하나의 광빔을 생성하도록 적응된 적어도 하나의 조명원을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 비콘 장치는 조명원에 의해 생성된 광을 반사시키도록 적응된 적어도 하나의 반사기를 포함할 수 있고, 이를 통해 검출기로 전송될 반사 광빔을 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 위치를 결정하기 위한 스캐닝 시스템이 제공된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 스캐닝 시스템은 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 표면에 위치한 적어도 하나의 도트를 조명하기 위해, 또한 적어도 하나의 도트와 스캐닝 시스템 간의 거리에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하기 위해 구성되는 적어도 하나의 광빔을 방출하도록 적응된 장치이다. 적어도 하나의 도트와 스캐닝 시스템 사이의 거리에 대한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하기 위해, 스캐닝 시스템은 위에 열거한 적어도 하나의 실시예 및/또는 이하의 하나 이상의 실시예에서 개시된 바와 같은 본 발명에 따른 검출기 중 적어도 하나를 포함한다.
따라서, 스캐닝 시스템은 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 표면에 위치된 적어도 하나의 도트의 조명용으로 구성되어 있는 적어도 하나의 광빔을 방출하도록 적응된 적어도 하나의 조명원을 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "도트(dot)"라는 용어는, 예를 들어, 스캐닝 시스템의 사용자가, 조명원에 의해 조명되도록 선택할 수 있는 대상체 표면의 일부분의 작은 영역을 지칭한다. 스캐닝 시스템이 스캐닝 시스템에 포함된 조명원과, 도트가 가능한 한 정확하게 위치될 수 있는 대상체 표면의 일부분 사이의 거리에 대한 값을 결정할 수 있게 하기 위해, 도트는 가능한 한 작은 크기를 나타낼 수 있는 것이 바람직한 반면에, 스캐닝 시스템의 사용자 또는 스캐닝 시스템 자체, 특히, 자동화 절차에 의해 대상체 표면의 관련된 부분 상의 도트의 존재를 검출할 수 있게 하기 위해, 도트는 가능한 한 크게 형성될 수도 있다.
이 목적을 위해, 조명원은 인공 조명원, 특히, 적어도 하나의 레이저 광원 및/또는 적어도 하나의 백열 램프 및/또는 적어도 하나의 반도체 광원, 예를 들어, 적어도 하나의 발광 다이오드, 특히, 유기 및/또는 무기 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 일반적으로 정의된 빔 프로파일 및 처리 가능한 다른 특성으로 인해, 적어도 하나의 레이저 광원을 조명원으로서 사용하는 것이, 특히, 바람직하다. 여기서, 사용자가 쉽게 저장 및 전송할 수 있는 소형 스캐닝 시스템을 제공하는 것이 중요한 경우에는, 단일 레이저 광원을 사용하는 것이, 특히, 바람직할 수 있다. 따라서, 조명원은 바람직하게는 검출기의 구성 부품일 수 있고, 따라서, 특히, 검출기, 예를 들어, 검출기의 하우징 내에 통합될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 특히, 스캐닝 시스템의 하우징은 읽기 쉬운 방식으로 사용자에게 거리 관련 정보를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 디스플레이를 포함할 수 있다. 추가의 바람직한 실시예에서, 특히, 스캐닝 시스템의 하우징은 하나 이상의 동작 모드를 설정하는 것과 같이, 스캐닝 시스템에 관한 적어도 하나의 기능을 동작하도록 구성될 수 있는 적어도 하나의 버튼을 더 포함할 수 있다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 특히, 스캐닝 시스템의 하우징은 특히, 사용자에 의해 스캐닝 시스템의 거리 측정 및/또는 처리의 정확도를 증가시키기 위해, 자성 재료를 포함하는고무 받침(rubber foot), 베이스 플레이트 또는 벽 홀더(wall holder)와 같은 다른 표면에 스캐닝 시스템을 고정하도록 구성될 수 있는 적어도 하나의 고정 유닛을 포함할 수 있다.
따라서, 특히, 바람직한 실시예에서, 스캐닝 시스템의 조명원은 대상체의 표면에 위치한 단일 도트의 조명을 위해 구성될 수 있는 단일 레이저 빔을 방출할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 사용함으로써, 적어도 하나의 도트와 스캐닝 시스템 사이의 거리에 관한 적어도 하나의 정보 항목이 생성될 수 있다. 이로써, 바람직하게는, 예컨대, 적어도 하나의 검출기에 포함된 평가 장치를 사용함으로써, 스캐닝 시스템에 포함된 조명 시스템과, 조명원에 의해 생성된 단일 도트 사이의 거리가 결정될 수 있다. 그러나, 스캐닝 시스템은, 특히, 이러한 목적을 위해 적응될 수 있는 추가의 평가 시스템을 포함할 수도 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 스캐닝 시스템의 크기, 특히, 스캐닝 시스템의 하우징의 크기가 고려될 수 있고, 따라서 스캐닝 시스템의 하우징상의 특정 지점, 예를 들어, 하우징의 전방 에지 또는 후방 에지와 단일 도트 사이의 거리가 대안적으로 결정될 수 있다.
대안적으로, 스캐닝 시스템의 조명원은 빔의 방출 방향 간의 개별 각도, 예를 들어, 직각을 제공하도록 구성될 수 있는 2개의 개별 레이저 빔을 방출할 수 있고, 이에 의해 동일한 대상체의 표면 또는 2개의 개별 대상체에서 2개의 상이한 표면에 위치된 2개의 도트 각각이 조명될 수 있다. 그러나, 2개의 개별 레이저 빔 사이의 각도에 대하여 다른 값들이 또한 가능할 수 있다. 이 특징은, 예를 들어, 스캐닝 시스템과 도트 사이에 하나 이상의 장애물이 존재하는 것으로 인해, 직접적으로 접근할 수 없는 간접 거리를 도출하는 것과 같은 간접 측정 함수를 위해 사용될 수 있거나, 그렇지 않은 경우 도달하기가 어렵다. 예를 들어, 2개의 개별 거리를 측정하고 피타고라스 공식을 사용하여 높이를 도출함으로써 대상체의 높이 값을 결정할 수 있다. 특히, 대상체에 대해 사전 정의된 레벨을 유지할 수 있기 때문에, 스캐닝 시스템은 적어도 하나의 레벨링 유닛, 특히, 사용자에 의해 사전 정의된 레벨을 유지하는데 사용될 수 있는 일체화된 버블 바이알(bubble vial)을 더 포함할 수 있다.
또 다른 대안으로서, 스캐닝 시스템의 조명원은 서로에 대해 각각의 피치, 특히, 정규 피치(regular pitch)를 나타낼 수 있고, 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 표면 상에 배치된 도트의 어레이를 생성하기 위한 방식으로 배열되는 레이저 빔의 어레이와 같은 복수의 개별 레이저 빔을 방출할 수 있다. 이 목적을 위해, 빔 분할 장치 및 미러와 같은 특별히 적응된 광학 소자가 제공되어 레이저 빔의 상술한 어레이를 생성하게 할 수 있다.
따라서, 스캐닝 시스템은 하나 이상의 대상체의 하나 이상의 표면 상에 배치된 하나 이상의 도트의 정적 배열을 제공할 수 있다. 대안적으로, 스캐닝 시스템의 조명원, 특히, 상술한 레이저 빔의 어레이와 같은 하나 이상의 레이저 빔은 시간 경과에 따라 변화하는 강도를 나타낼 수 있는 하나 이상의 광빔 및/또는 시간의 경과에 따라 방출 방향이 교대로 적용될 수 있는 하나 이상의 광빔을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 조명원은 스캐닝 장치의 적어도 하나의 조명원에 의해 생성된 교번 특징(alternating features)을 갖는 하나 이상의 광빔을 사용함으로써 이미지로서 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 표면의 일부를 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 따라서, 스캐닝 시스템은, 특히, 하나 이상의 대상체의 하나 이상의 표면을 순차적으로 또는 동시에 스캐닝하는 것과 같이, 적어도 하나의 행 스캔 및/또는 라인 스캔을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 단일 원형 3차원 이미지를 생성하기 위한 입체 시스템이 제공된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 상술한 및/또는 이하에 개시되는 입체 시스템은 광학 센서로서 적어도 2개의 FiP 센서를 포함할 수 있으며, 제 1 FiP 센서는 추적 시스템, 특히, 본 발명에 따른 추적 시스템에 포함될 수 있고, 반면에 제 2 FiP 센서는 스캐닝 시스템, 특히, 본 발명에 따른 스캐닝 시스템에 포함될 수 있다. 여기에서, FiP 센서는, 바람직하게는, 예를 들어, FiP 센서를 광축에 평행하게 정렬시킴으로써 시준된 배열의 별도의 빔 경로에 배열되고, 입체 시스템의 광축에 수직으로 개별 배치될 수 있다. 따라서, FiP 센서는, 특히, 시야가 중복되고, 바람직하게는, 개별 변조 주파수에 민감한 개별 FiP 센서로부터 유도된 시각 정보의 조합에 의해 깊이 정보를 얻음으로써, 깊이 정보의 인식 결과를 생성 또는 증가시킬 수 있다. 이러한 목적을 위해, 개별 FiP 센서는, 바람직하게는, 광축에 수직인 방향으로 결정되도록 1cm 내지 100cm, 바람직하게는 10cm 내지 25cm의 거리만큼 서로 이격될 수 있다. 따라서, 이러한 바람직한 실시예에서, 추적 시스템은 변조된 활성 타겟(active target)의 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있고, 반면에 1개 이상의 대상체의 하나 이상의 표면 상에 하나 이상의 도트를 투영시키도록 적응된 스캐닝 시스템은 적어도 하나의 도트와 스캐닝 시스템 간의 거리에 대한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하는 데 사용될 수 있다. 또한, 입체 시스템은, 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 바와 같이, 이미지 내의 적어도 하나의 대상체의 횡 방향 위치에 관한 정보 항목을 생성하기 위해 적응되어 있는 별도의 위치 감지 장치를 더 포함할 수 있다.
입체 시각를 허용하는 것 외에, 주로 하나 초과의 광학 센서의 사용을 기초로 하는 입체 시스템의 또 다른 특별한 이점은 총 강도 및/또는 낮은 검출 임계값의 증가를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 2개의 종래의 위치 감지 장치를 포함하는 종래의 입체 시스템에서, 각각의 이미지의 상응하는 픽셀은 상당한 계산 노력을 적용하여 결정해야 하는 반면, 적어도 2개의 FiP 센서를 포함하는 본 발명에 따른 입체 시스템에서, 각각이 서로 다른 변조 주파수로 동작될 수 있는 FiP 센서를 사용하여 기록되어 있는 각각의 이미지의 상응하는 픽셀은 명백하게 서로에 대해 할당될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 입체 시스템은 적은 노력으로 대상체의 횡 방향 위치뿐만 아니라 대상체의 종 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성할 수 있게 한다는 것을 강조할 수 있다.
입체 시스템의 더 상세한 설명을 위해, 추적 시스템 및 스캐닝 시스템 각각의 설명을 참조할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 적어도 하나의 대상체를 촬상하기 위한 카메라가 개시된다. 카메라는 상술하거나 이하에 상세하게 설명될 하나 이상의 실시예에 개시된 바와 같이 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함한다. 따라서, 검출기는 사진기, 특히, 디지털 카메라의 일부일 수 있다. 특히, 검출기는 3D 포토그래피, 특히, 디지털 3D 포토그래피에 사용될 수 있다. 따라서, 검출기는 디지털 3D 카메라를 형성하거나, 디지털 3D 카메라의 일부일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "포토그래피(photography)"라는 용어는 일반적으로 적어도 하나의 대상체의 이미지 정보를 획득하는 기술을 지칭한다. 본 명세서에서 또한 사용되는 바와 같이, "카메라"는 일반적으로 포토그래피를 수행하는 데 적응된 장치이다. 본 명세서에서 또한 사용되는 바와 같이, "디지털 포토그래피"라는 용어는 일반적으로 조명 강도, 바람직하게는, 디지털 전기 신호를 나타내는 전기 신호를 생성하도록 적응된 복수의 감광 요소를 사용함으로써 적어도 하나의 대상체의 이미지 정보를 획득하는 기술을 지칭한다. 본 명세서에서 또한 사용되는 바와 같이, "3D 포토그래피"라는 용어는 일반적으로 3개의 공간 차원에서 적어도 하나의 대상체의 이미지 정보를 획득하는 기술을 지칭한다. 따라서, 3D 카메라는 3D 포토그래피를 수행하도록 적응된 장치이다. 카메라는 일반적으로 단일 3D 이미지와 같은 단일 이미지를 획득하도록 적응될 수 있거나, 일련의 이미지와 같은 복수의 이미지를 획득하도록 적응될 수도 있다. 따라서, 카메라는 또한 디지털 비디오 시퀀스를 획득하는 것과 같은 비디오 애플리케이션에 적응된 비디오 카메라일 수 있다.
따라서, 일반적으로, 본 발명은 또한 적어도 하나의 대상체를 촬상하기 위한 카메라, 특히, 디지털 카메라, 보다 구체적으로는 3D 카메라 또는 디지털 3D 카메라를 지칭한다. 전술한 바와 같이, 본 명세서에서 사용된 촬상(imaging)이라는 용어는 일반적으로 적어도 하나의 대상체의 이미지 정보를 획득하는 기술을 지칭한다. 카메라는 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함한다. 전술한 바와 같이, 카메라는 단일 이미지를 획득하거나, 이미지 시퀀스와 같은 복수의 이미지를 획득하기 위해, 바람직하게는 디지털 비디오 시퀀스를 획득하기 위해 적응될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 카메라는 비디오 카메라일 수 있거나 이를 포함할 수도 있다. 후자의 경우, 카메라는 이미지 시퀀스를 저장하기 위한 데이터 메모리를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 형태에서, 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 바람직하게는 상술한 또는 이하에서 더 상세히 개시되는 하나 이상의 실시예에 따른 적어도 하나의 검출기와 같이 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 사용할 수 있다. 따라서, 본 방법의 선택적인 실시예에서, 검출기의 다양한 실시예에 대한 설명이 참조될 수 있다.
상기 방법은 주어진 순서 또는 상이한 순서로 수행될 수 있는 다음의 단계들을 포함한다. 또한, 열거되지 않은 추가적인 방법 단계가 제공될 수 있다. 또한, 상기 방법 단계 중 2개 또는 그 이상 또는 모두가 적어도 부분적으로 동시에 수행될 수 있다. 또한, 2개 이상 또는 심지어 모든 방법 단계가 2회 또는 심지어 2회 이상 반복적으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은,
- 센서 영역을 갖는 적어도 하나의 광학 센서를 사용하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하는 단계 - 여기서, 센서 신호는 변조 입사 광빔에 의한 광학 센서의 센서 영역의 조명에 의존하고, 센서 신호는 또한 광빔의 변조 주파수에 의존하고, 센서 영역은 적어도 하나의 용량성 소자를 포함하고, 용량성 소자는 적어도 두 개의 전극을 포함하고, 적어도 하나의 절연층 및 적어도 하나의 감광층은 이 전극들 사이에 매립되고, 적어도 하나의 전극은 광빔에 대해 적어도 일부가 광학적으로 투명함 -, 및
- 센서 신호로부터 대상체의 위치에 대한 정보 항목을 결정함으로써 광학 센서의 센서 신호를 평가하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법에 관한 더 상세한 설명을 위해, 상기 및/또는 이하에 제공된 광학 검출기의 설명을 참조할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 본 발명에 따른 광학 검출기의 사용이 개시된다. 여기에서, 대상체의 위치, 특히, 대상체의 측 방향 위치를 결정하기 위한 검출기의 사용이 제안되며, 여기서, 검출기는 이하를 포함하는 그룹에서 선택되는 사용을 위해서, 바람직하게는 적어도 하나의 종 방향 광학 센서로서 동시에 사용될 수 있거나, 적어도 하나의 추가적인 종 방향 광학 센서와 결합되어 사용될 수 있다. 상기 그룹은 특히, 교통 기술에서의 위치 측정; 엔터테인먼트 애플리케이션; 보안 애플리케이션; 인간-기계 인터페이스 애플리케이션; 추적 애플리케이션; 스캐닝 애플리케이션; 포토그래피 애플리케이션; 촬상 애플리케이션 또는 카메라 애플리케이션; 적어도 하나의 공간 맵을 생성하는 매핑 애플리케이션; 차량용 호밍(homing) 또는 추적 비콘 검출기; (배경보다 더 차갑고 더 뜨거운) 열 시그니처를 갖는 대상체의 위치 측정; 머신 비전 애플리케이션; 로봇 애플리케이션을 포함한다.
본 발명에 따른 광학 검출기의 다른 용도는 대상체의 존재 또는 부재를 결정하는 것과 같은 이미 공지된 애플리케이션; 확장 광학 애플리케이션, 예를 들어, 자동 노광 제어, 자동 슬라이드 포커스, 자동 백미러, 전자 스케일, 특히, 변조 광원, 자동 헤드라이트 조광기, 야간(거리) 조명 제어, 오일 버너 화염(flame outs) 또는 연기 검출기에서의 자동 이득 제어; 또는, 예를 들어, 복사기 내의 토너의 농도를 결정하는 밀도계 또는 색도 측정과 같은 다른 애플리케이션과의 조합을 또한 지칭할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 적외선 검출 애플리케이션, 열 검출 애플리케이션, 온도계 애플리케이션, 열 탐색 애플리케이션, 화염 검출 애플리케이션, 화재 검출 애플리케이션, 연기 검출 애플리케이션, 온도 감지 애플리케이션, 분광학 애플리케이션 등에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 복사 또는 제로그래피 애플리케이션에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 배기 가스를 모니터링하고, 연소 프로세스를 모니터링하고, 오염을 모니터링하고, 산업 프로세스를 모니터링하고, 화학 프로세스를 모니터링하고, 식품 가공 프로세스를 모니터링하고, 수질을 평가하고, 공기 품질을 평가하는 것 등에서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 품질 제어, 온도 제어, 모션 제어, 배기 제어, 가스 감지, 가스 분석, 모션 감지, 화학적 감지 등에 사용될 수 있다.
바람직하게는, 광학 검출기, 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하기 위한 방법, 인간-기계 인터페이스, 엔터테인먼트 장치, 추적 시스템, 카메라 및 검출기의 다양한 용도, 특히, 전송 장치, 횡 방향 광학 센서, 종 방향 광학 센서, 평가 장치, 변조 장치, 조명원 및 촬상 장치와 관련하고, 특히, 잠재적인 재료, 설정 및 추가의 세부 사항들과 관련하여, WO 2012/110924 A1, WO 2014/097181 A1, 및 WO 2016/120392 A1 중 하나 이상을 참조할 수 있으며, 이 모든 것의 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 포함된다.
상술한 검출기, 방법, 인간-기계 인터페이스 및 엔터테인먼트 장치 및 제안된 용도는 종래 기술에 비해 상당한 이점을 갖는다. 따라서, 일반적으로, 공간에서의 적어도 하나의 대상체의 위치를 정확하게 결정하기 위한 간단하고 효율적인 검출기가 제공될 수 있다. 여기에서, 일 예로서, 대상체 또는 그 일부의 3 차원 좌표가 빠르고 효율적인 방식으로 결정될 수 있다.
특히, DSC(Dye-sensitized Solar Cells)를 사용하는 FiP 장치를 당업계에 공지된 장치와 비교하면, 비교 조명 레벨에 있어서 본 발명에 따른 광학 검출기에서 보다 큰 교류 광전류를 관찰할 수 있다. 따라서, 더 큰 센서 신호를 획득할 수 있다. 주파수 응답(대역폭)은 유사한 동작을 나타낼 수 있는 반면, 인 포커스(in-focus) 응답 대 아웃 포커스(out-of-focus) 응답의 비율에 대해서도 마찬가지일 수 있다. 대표적인 예는 이하의 도면을 참조하여 설명한다.
요약하면, 본 발명의 맥락에서, 다음의 실시예가 특히, 바람직한 것으로 간주된다.
실시예 1: 적어도 하나의 대상체의 광 검출을 위한 검출기로서,
- 적어도 하나의 센서 영역을 갖고, 변조 입사 광빔에 의해 상기 센서 영역의 조명에 의존하는 방식으로 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계되는 적어도 하나의 광학 센서 - 여기서, 상기 종 방향 센서 신호는 상기 광빔의 변조 주파수에 의존하고, 상기 센서 영역은 적어도 두 개의 전극을 포함하는 적어도 하나의 용량성 소자를 포함하고, 상기 전극 사이에는 적어도 하나의 절연층 및 적어도 하나의 감광층이 매립되며, 상기 전극들 중 적어도 하나는 상기 광빔에 대해 적어도 일부가 광학적으로 투명함 -, 및
- 상기 센서 신호를 평가함으로써, 상기 대상체의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된 적어도 하나의 평가 장치를 포함한다.
실시예 2: 실시예 1에 따른 검출기에 있어서, 상기 광학 센서는,
- 적어도 하나의 종 방향 센서 신호를 생성하도록 설계되는 적어도 하나는 종 방향 광학 센서 - 여기서, 상기 종 방향 센서 신호는, 조명의 총 전력이 동일하면, 상기 센서 영역 내의 상기 광빔의 빔 단면에 더 좌우되고, 상기 평가 장치는 상기 종 방향 센서 신호를 평가함으로써 상기 대상체의 종 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계됨 -, 또는
- 적어도 하나의 횡 방향 광학 센서 - 여기서, 상기 전극들 중 하나는 상기 입사 광빔이 상기 센서 영역에 충돌한 위치를 결정하도록 지정된 전기 전도도가 낮은 전극층이고, 상기 횡 방향 광학 센서는 상기 입사 광빔이 상기 센서 영역에 충돌한 위치에 의존하는 적어도 하나의 횡 방향 센서 신호를 생성하도록 설계되고, 상기 평가 장치는 상기 횡 방향 센서 신호를 평가함으로써 상기 대상체의 횡 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계됨 - 로부터 선택된다.
실시예 3: 실시예 1 또는 실시예 2에 따른 검출기에 있어서, 상기 절연층은 각각 각각 10-6S/m, 바람직하게는 10-8S/m 미만, 보다 바람직하게는 10-10S/cm 미만의 전기 전도도를 갖는 절연 재료 또는 전기 절연 부품을 포함한다.
실시예 4: 실시예 3에 따른 검출기에 있어서, 상기 절연 재료는 적어도 하나의 투명 절연성 금속 함유 화합물을 포함하되, 상기 금속 함유 화합물은 바람직하게는 Al, Ti, Ta, Mn, Mo, Zr, Hf, La, Y 및 W로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하고, 상기 적어도 하나의 금속 함유 화합물은 산화물, 수산화물, 칼코겐화물, 프닉타이드, 탄화물 또는 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
실시예 5: 실시예 4에 따른 검출기에 있어서, 상기 투명 금속 함유 화합물은, 특히, 산화 알루미늄(Al2O3), 이산화 지르코늄(ZrO2), 산화 규소(SiOx, 예컨대, SiO2), 이산화 티탄(TiO2), 산화 하프늄(HfO2), 오산화 탄탈(Ta2O5), 산화 란탄(La2O3), 또는 산화 이트륨(Y2O3)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 절연성 금속 산화물, 또는 티탄산 스트론튬(SrTiO3), 탄산 세슘(CsCO3), 규산 하프늄(HfSiO4) 및 질화 규소(Si3N4)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 투명 유전체 재료이거나 또는 이들을 포함한다.
실시예 6: 실시예 3에 따른 검출기에 있어서, 상기 투명 절연층은, 특히, PEIE(polyethylenimine ethoxylate) PEI(poly-ethylen-imine), BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenylphenanthroline), PVA(poly(vinylalcohol)), PMMA(poly(methylmethacrylate)), Alq3(tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum), 또는 TAZ((3-(4-bi-phenylyl)-4-phenyl-5-(4-tert-butylphenyl)-1,2,4-triazole))로부터 선택된 적어도 하나의 투명 유기 유전성 재료의 필름을 포함한다.
실시예 7: 실시예 4 내지 실시예 6 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 절연층은, 특히, 50℃ 내지 250℃, 바람직하게는 60℃ 내지 200℃의 온도에서 수행되는 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)에 의해 얻어진다.
실시예 8: 실시예 6 또는 실시예 7에 따른 검출기에 있어서, 상기 절연층은, 50℃ 내지 120℃, 바람직하게는 60℃ 내지 100℃의 온도에서 수행되는 저온 원자층 증착에 의해 얻어진다.
실시예 9: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 절연층은 1nm 내지 1000nm, 바람직하게는 10nm 내지 250nm, 특히, 20nm 내지 150nm만의 두께를 나타낸다.
실시예 10: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 절연층은 적어도 2개의 인접한 층을 갖는 적층체이거나 상기 적층체를 포함하고, 상기 인접한 층은 각각의 조성에 따라 상이하다.
실시예 11: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 감광층은 상기 광빔이 상기 감광층에 도달할 수 있는 방식으로 상기 전극들 사이에 위치된다.
실시예 12: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 감광층은,
- 적어도 하나의 광전도성 재료를 나노입자 형태로 포함하는 적어도 하나의 층과,
- 적어도 하나의 광전도성 재료를 포함하고, 적어도 하나의 경계가 형성되는 인접한 층으로서 제공되는 적어도 2개의 광전도층 - 여기서, 상기 광전도층은 인접한 층 사이의 경계에서 접합부를 생성하도록 적응됨 - 과,
- 적어도 하나의 반도체 흡수체층, 및
- 적어도 하나의 전자 공여 재료 및 적어도 하나의 전자 수용 재료를 포함하는 적어도 하나의 유기 감광층 중 하나 이상으로서 제공된다.
실시예 13: 실시예 12에 따른 검출기에 있어서, 상기 광전도성 재료는 IV족 원소, 특히, 규소와, IV족 화합물과, III-V족 화합물과, II-VI족 화합물, 및 칼코겐화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 무기 광전도성 재료이다.
실시예 14: 실시예 13에 따른 검출기에 있어서, 상기 광전도성 재료는 황화 납(PbS) 또는 셀렌화 납(PbSe) 중에서 선택된다.
실시예 15: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 광전도성 재료는 나노입자 형태로 제공된다.
실시예 16: 실시예 15에 따른 검출기에 있어서, 상기 나노입자 광전도성 재료는 황화 납(PbS), 셀렌화 납(PbSe), 황화 카드뮴(CdS), 셀렌화 카드뮴(CdSe), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 셀렌화 아연(ZnSe), CIS(Copper Indium Sulfide) 또는 CIGS(Copper Indium Gallium Selenide) 중에서 선택된다.
실시예 17: 실시예 12에 따른 검출기에 있어서, 상기 개별 광전도층을 위한 상기 광전도성 재료는 황화 납(PbS), 셀렌화 납(PbSe), 황화 카드뮴(CdS), 셀렌화 카드뮴(CdSe), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 셀렌화 아연(ZnSe), CIS(Copper Indium Sulfide), CIGS(Copper Indium Gallium Selenide), 또는 4원 칼코겐화물 광전도성 I2-II-IV-VI4 화합물, 특히, CZTS(Copper Zinc Tin Sulfide), CZTSe(Copper Zinc Tin Selenide) 또는 CZTSSe(Copper Zinc Tin Sulfur-Selenium) 합금 중에서 선택된다.
실시예 18: 실시예 12에 따른 검출기에 있어서, 반도체 흡수체층은 c-Si(crystalline silicon), μc-Si(microcrystalline silicon), μc-Si:H(hydrogenated microcrystalline silicon), a-Si(amorphous silicon), a-Si:H(hydrogenated amorphous silicon), a-SiC(amorphous silicon carbon alloy), a-SiC:H(hydrogenated amorphous silicon carbon alloy), a-GeSi(germanium silicon alloy) 또는 a-GeSi:H(hydrogenated amorphous germanium silicon alloy) 중 하나 이상을 포함한다.
실시예 20: 실시예 12에 따른 검출기에 있어서, 상기 유기 감광층 내의 상기 공여 재료 및 상기 수용 재료는 상기 공여 재료 및 상기 수용 재료를 포함하는 단일층으로 배치된다.
실시예 21: 실시예 20에 따른 검출기에 있어서, 상기 전자 공여 재료는 공여 중합체를 포함하고, 상기 전자 공여 재료는 유기 공여 중합체를 포함한다.
실시예 22: 실시예 21에 따른 검출기에 있어서, 상기 공여 중합체는 공액 시스템(conjugated system)을 포함하고, 상기 공액 시스템은 순환형(cyclic), 비순환형(acyclic) 및 선형(linear) 중 하나 이상의 형태이다.
실시예 23: 실시예 22에 따른 검출기에 있어서, 상기 유기 공여 중합체는, P3HT(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)), POPT(poly[3-(4-n-octyl)phenylthiophene]), PTZV-PT(poly[3-10-n-octyl-3-phenothiazine-vinylenethiophene-co-2,5-thiophene]), PTB7(poly[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy] benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]), PBT-T1(poly{thiophene-2,5-diyl-alt-[5,6-bis(dodecyloxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole]-4,7-diyl}), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)]), PDDTT(poly(5,7-bis(4-decanyl-2-thienyl)-thieno(3,4-b)diathiazolethiophene-2,5)), PCDTBT(poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)]), PSBTBT(poly[(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b;2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PPHT(poly[3-phenyl hydrazone thiophene]), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]), M3EH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene-1,2-ethenylene-2,5-dimethoxy-1,4-phenylene-1,2-ethenylene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]), PFB(poly[9,9-di-octylfluorene-co-bis-N,N-4-butylphenyl-bis-N,N-phenyl-1,4-phenylenediamine]), 또는 이들의 유도체, 변형체 또는 이들의 혼합물 중 하나이다.
실시예 24: 실시예 12에 따른 검출기에 있어서, 상기 전자 수용 재료는 풀러렌 기반 전자 수용 재료이다.
실시예 25: 실시예 24에 따른 검출기에 있어서, 상기 풀러렌 기반 전자 수용 재료는 PC60BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC70BM([6,6]-Phenyl-C71-butyric acid methyl ester), PC84BM([6,6]-phenyl-C84-butyric acid methyl ester), ICBA(indene-C60 bisadduct), 또는 이들의 유도체, 변형체, 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예 26: 실시예 24 또는 실시예 25에 따른 검출기에 있어서, 상기 풀러렌 기반 전자 수용 재료는 하나 또는 2개의 C60 또는 C70 모이어티(moieties)를 포함하는 이량체(dimer)를 포함하며, 상기 풀러렌 기반 전자 수용체는 바람직하게는 1 또는 2개의 부착된 OE(oligoether) 체인(각각, C70-DPM-OE 또는 C70-DPM-OE2)을 포함하는 DPM(diphenylmethanofullerene) 모이어티를 포함한다.
실시예 27: 실시예 12에 따른 검출기에 있어서, 상기 전자 수용 재료는 TCNQ(tetracyanoquinodimethane), 페릴렌 유도체 또는 무기 나노입자 중 하나 이상이다.
실시예 28: 실시예 12에 따른 검출기에 있어서, 상기 전자 수용 재료는 수용 중합체를 포함한다.
실시예 29: 실시예 28에 따른 검출기에 있어서, 상기 수용 중합체는 시안화된 폴리(페닐렌비닐렌), 벤조티아디아졸, 페릴렌 또는 나프탈렌디이미드 중 하나 이상을 주성분으로 하는 공액 폴리머를 포함한다.
실시예 30: 실시예 28에 따른 검출기에 있어서, 상기 수용 중합체는 CN-PPV(cyano-poly[phenylenevinylene]), MEH-CN-PPV(poly[5-(2-(ethylhexyloxy)-2-methoxycyanoterephthalyliden]), CN-ether-PPV(poly[oxa-1,4-phenylene-1,2-(1-cyano)-ethylene-2,5-dioctyloxy-1,4-phenylene-1,2-(2-cyano)-ethylene-1,4-phenylene]), DOCN-PPV(poly[1,4-dioctyloxyl-p-2,5-dicyanophenylenevinylene]), PF8BT(poly[9,9'-dioctylfluoreneco-benzothiadiazole]), 또는 이들의 유도체, 변형체 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된다.
실시예 31: 실시예 12 및 앞선 12개의 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 전자 공여 재료와 상기 전자 수용 재료는 혼합물을 형성한다.
실시예 32: 실시예 31에 따른 검출기에 있어서, 상기 혼합물은 상기 전자 공여 재료와 상기 전자 수용 재료를 1:100 내지 100:1, 더 바람직하게는 1:10 내지 10:1, 특히, 1:2 내지 2:1의 비율로 포함한다.
실시예 33: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 전자 공여 재료 및 상기 전자 수용 재료는 도너 및 수용체 도메인의 상호 침투 네트워크, 도너 및 수용체 도메인 사이의 계면 영역, 및 도메인을 전극에 연결시키는 퍼콜레이션 경로를 포함하고, 그로 인해 벌크 이종 접합이 감광층 내에 생성된다.
실시예 34: 실시예 12에 따른 검출기에 있어서, 상기 유기 감광층은 상기 공여 재료를 포함하는 개별 공여 재료층 및 상기 수용 재료를 포함하는 개별 수용 재료층을 포함하며, 바람직하게는 서로의 상부에 적층된 상기 공여 재료층 및 수용 재료층은 접합부에 의해 분리된다.
실시예 35: 실시예 33 또는 실시예 34에 따른 검출기에 있어서, 상기 공여 재료는 프탈로시아닌 유도체, 올리고티오펜, 올리고티오펜 유도체, BODIPY(4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene) 유도체, aza-BODIPY 유도체, 스쿠아레인 유도체, 디케토피롤로피롤 유도체 또는 벤조디티오펜 유도체를 포함하는 작은 유기 분자로부터 선택되고, 상기 수용 재료는 C60, C70 또는 페릴렌 유도체 중에서 선택된다.
실시예 36: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 광빔에 대해 적어도 일부의 광학적으로 투명한 전극은 적어도 하나의 TCO(Transparent Conductive Oxide)을 포함한다.
실시예 37: 실시예 36에 따른 검출기에 있어서, 상기 적어도 일부의 광학적으로 투명한 전극은 ITO(Indium-doped Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide) 및 AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예 38: 실시예 35 내지 실시예 37 중 어느 하나의 검출기에 있어서, 광학적으로 투명한 기판은 상기 적어도 일부의 광학적으로 투명한 전극에 의해 적어도 부분적으로 덮인다.
실시예 39: 실시예 38에 따른 검출기에 있어서, 상기 광학적으로 투명한 기판은 유리 기판, 석영 기판, 또는 광학적으로 투명한 절연 폴리머, 특히, PET(polyethylene terephthalate) 중에서 선택된다.
실시예 40: 이전 실시예들 중 어느 하나의 검출기에 있어서, 상기 전극 중 하나는 광학적으로 불투명하고/불투명하거나 반사되며, 금속 전극을 포함한다.
실시예 41: 실시예 40에 따른 검출기에 있어서, 상기 금속 전극은 은(Ag) 전극, 백금(Pt) 전극, 금(Au) 전극 및 알루미늄(Al) 전극 중 하나 이상의 전극이다.
실시예 42: 실시예 41에 따른 검출기에 있어서, 상기 금속 전극은 기판 상에 증착된 금속 박층을 포함하고, 상기 박층은 10nm 내지 1,000nm, 바람직하게는 50nm 내지 500nm, 특히, 100nm 내지 250nm의 두께로 형성된다.
실시예 43: 이전 실시예들 중 어느 하나의 검출기에 있어서, 상기 용량성 소자는 하나 이상의 전하 캐리어 수송층을 더 포함하되, 여기서, 상기 전하 캐리어 수송층은 상기 감광층과 상기 전극 중 하나의 전극 사이에 배치된다.
실시예 44: 실시예 43에 따른 검출기에 있어서, 상기 전하 캐리어 수송층은 정공 수송층이다.
실시예 45: 실시예 44에 따른 검출기에 있어서, 상기 정공 수송층은 PEDOT(poly-3,4-ethylenedioxythiophene) 또는 PEDOT가 전기적으로 도핑된 적어도 하나의 상대 이온, 특히, PEDOT:PSS(PSS(polystyrene sulfonate) 나트륨으로 도핑된 PEDOT)와, PANI(polyaniline)와, PT(polythiophene), 전이 금속 산화물, 특히, 산화 니켈(NiO2) 또는 산화 몰리브덴(MoO3)과 BPAPF(9,9-bis[4-(N,N-bis-biphenyl-4-yl-amino)phenyl]-9H-fluorene) 또는 DiNPB(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(4'-(N,N-bis(naphth-1-yl)-amino)-biphenyl-4-yl)-benzidine) 중 하나 이상을 포함한다.
실시예 46: 실시예 43 내지 실시예 45 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 전하 캐리어는 스핀 캐스트층(spin-cast layer), 블레이드 코팅층(blade-coated layer), 슬롯 코팅층(slot-coated layer) 또는 증착에 의해 얻어진 층 중 하나이다.
실시예 47: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 종 방향 광학 센서의 상기 센서 영역은 정확히 하나의 연속 센서 영역이고, 상기 종 방향 센서 신호는 상기 센서 영역 전체에 대해 균일한 센서 신호이다.
실시예 48: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 광학 센서는 센서 영역의 적어도 일부분의 전기 저항이나 전기 전도도 중 하나 이상을 측정하여 센서 신호를 생성하도록 적응된다.
실시예 49: 실시예 48에 따른 검출기에 있어서, 상기 광학 센서는 적어도 하나의 전류-전압 측정 및/또는 적어도 하나의 전압-전류 측정을 수행함으로써, 센서 신호를 생성하도록 적응된다.
실시예 50: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 검출기는 조명을 변조하기 위한 적어도 하나의 변조 장치를 더 포함한다.
실시예 51: 실시예 50에 따른 검출기에 있어서, 상기 검출기는 상이한 변조의 경우에 적어도 2개의 센서 신호, 특히, 각기 상이한 변조 주파수에서 적어도 2개의 센서 신호를 검출하도록 설계되고, 상기 평가 장치는, 상기 적어도 2개의 센서 신호를 평가함으로써, 상기 대상체의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된다.
실시예 52: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 적어도 하나의 조명원을 더 포함한다.
실시예 53: 실시예 52에 따른 검출기에 있어서, 상기 조명원은, 상기 대상체에 적어도 부분적으로 연결되고/연결되거나 상기 대상체와 적어도 부분적으로 동일한 조명원과, 1차 방사선으로 상기 대상체를 적어도 부분적으로 조명하도록 설계된 조명원 중에서 선택된다.
실시예 54: 실시예 53에 따른 검출기에 있어서, 상기 광빔은 상기 대상체에 대한 1차 방사선의 반사 및/또는 1차 방사선에 의해 자극된 대상체 자체에 의해 방출되는 광에 의해 생성된다.
실시예 55: 실시예 52 내지 실시예 54 중 어느 하나의 검출기에 있어서, 상기 광학 센서의 스펙트럼 감도는 상기 조명원의 스펙트럼 범위에 의해 커버된다.
실시예 56: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 검출기는 적어도 두 개의 광학 센서를 갖고, 상기 광학 센서는 적층된다.
실시예 57: 실시예 56에 따른 검출기에 있어서, 상기 광학 센서는 광학 축을 따라 적층된다.
실시예 58: 실시예 2에 따른 검출기에 있어서, 횡 방향 광학 센서에 포함되는 상기 적어도 하나의 전극층은 시트 저항이 100Ω/sq 내지 20,000Ω/sq, 바람직하게는 100Ω/sq 내지 10,000Ω/sq, 더욱 바람직하게는 125Ω/sq 내지 1,000Ω/sq, 특히, 150Ω/sq ~ 500Ω/sq를 나타낸다.
실시예 59: 실시예 58에 따른 검출기에 있어서, 상기 전극층은 투명 전기 전도성 유기 폴리머, 특히, PEDOT(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)) 또는 PEDOT:PSS의 분산을 포함한다.
실시예 60: 실시예 58 또는 실시예 59에 따른 검출기에 있어서, 상기 횡 방향 광학 센서는 분할 전극을 사용하여 입사 광빔이 상기 센서 영역에 충돌하는 위치를 결정하도록 지정된다.
실시예 61: 실시예 60에 따른 검출기에 있어서, 상기 분할 전극은 전극층의 상면에 배치된다.
실시예 62: 실시예 60 또는 실시예 61에 따른 검출기에 있어서, 상기 분할 전극은 적어도 2개의 부분 전극을 포함한다.
실시예 63: 실시예 62에 따른 검출기에 있어서, 적어도 4 개의 부분 전극이 제공된다.
실시예 64: 실시예 62 또는 실시예 63에 따른 검출기에 있어서, 상기 부분 전극을 흐르는 전류는 상기 센서 영역 내의 상기 광빔의 위치에 의존한다.
실시예 65: 실시예 64에 따른 검출기에 있어서, 상기 횡 방향 광학 센서는 상기 부분 전극을 흐르는 전류에 따라 상기 횡 방향 센서 신호를 발생시키도록 적응된다.
실시예 66: 실시예 64 또는 실시예 65에 따른 검출기에 있어서, 상기 검출기는 바람직하게는 상기 횡 방향 광학 센서 및/또는 상기 평가 장치가 상기 부분 전극을 흐르는 적어도 하나의 전류 비율로부터 상기 대상체의 횡 방향 위치에 대한 정보를 도출하도록 적응된다.
실시예 67: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 검출기는 적어도 하나의 촬상 장치를 더 포함한다.
실시예 68: 실시예 67에 따른 검출기에 있어서, 상기 촬상 장치는 상기 대상체로부터 가장 먼 위치에 배치된다.
실시예 69: 실시예 67 또는 실시예 68에 따른 검출기에 있어서, 상기 광빔은 상기 촬상 장치를 조명하기 전에 상기 적어도 하나의 광학 센서를 통과한다.
실시예 70: 실시예 67 내지 실시예 69 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 촬상 장치는 카메라를 포함한다.
실시예 71: 실시예 67 내지 실시예 69 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 촬상 장치는 무기 카메라와, 단색 카메라와, 다색 카메라와, 풀 컬러 카메라와, 픽셀화된 무기 칩과, 픽셀화된 유기 카메라와, CCD 칩, 바람직하게는 멀티 컬러 CCD 칩 또는 풀 컬러 CCD 칩과, CMOS 칩과, IR 카메라, 및 RGB 카메라 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예 72: 이전 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기를 적어도 2개 포함하는 배열체.
실시예 73: 실시예 72에 따른 배열체에 있어서, 상기 배열체는 적어도 하나의 조명원을 더 포함한다.
실시예 74: 사용자와 기계 사이에서, 특히, 제어 명령을 입력하기 위해 적어도 하나의 정보 항목을 교환하기 위한 인간-기계 인터페이스로서, 상기 인간-기계 인터페이스는 검출기에 관한 상기 실시예 1 내지 71 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함하고, 상기 인간-기계 인터페이스는 검출기에 의해 사용자의 적어도 하나의 기하학적 정보 항목을 생성하도록 설계되고, 상기 인간-기계 인터페이스는 적어도 하나의 정보 항목, 특히, 적어도 하나의 제어 명령을 기하학적 정보에 할당하도록 설계된다.
실시예 75: 실시예 74에 따른 인간-기계 인터페이스에 있어서, 상기 사용자의 적어도 하나의 기하학적 정보 항목은 사용자의 신체의 위치와 사용자의 적어도 하나의 신체 부위의 위치와 사용자의 몸의 방향, 및 사용자의 적어도 하나의 신체 부분의 방향으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
실시예 76: 실시예 74 또는 실시예 75에 따른 인간-기계 인터페이스에 있어서, 상기 인간-기계 인터페이스는 사용자에게 연결 가능한 적어도 하나의 비콘 장치를 더 포함하며, 상기 인간-기계 인터페이스는 상기 검출기가 상기 적어도 하나의 비콘 장치의 위치에 관한 정보를 생성할 수 있다.
실시예 77: 실시예 76에 따른 인간-기계 인터페이스에 있어서, 상기 비콘 장치는 상기 검출기로 전송되는 적어도 하나의 광빔을 생성하도록 적응된 적어도 하나의 조명원을 포함한다.
실시예 78: 적어도 하나의 엔터테인먼트 기능을 실행하기 위한 엔터테인먼트 장치로서, 상기 엔터테인먼트 장치는 인간-기계 인터페이스를 나타내는 실시예 74 내지 실시예 77 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 인간-기계 인터페이스를 포함하며, 상기 엔터테인먼트 장치는 상기 인간-기계 인터페이스에 의해 플레이어에 의해 적어도 하나의 정보 항목이 입력될 수 있도록 설계되며, 상기 엔터테인먼트 장치는 상기 정보에 따라 엔터테인먼트 기능을 변경시키도록 설계된다.
실시예 79: 적어도 하나의 이동 가능한 대상체의 위치를 추적하기 위한 추적 시스템으로서, 상기 추적 시스템은 검출기에 관한 실시예 1 내지 실시예 71 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함하고, 상기 추적 시스템은 적어도 하나의 추적 제어기를 더 포함하며, 상기 추적 제어기는 상기 대상체의 일련의 위치를 추적하도록 구성되며, 각각의 위치는 특정 시점에서 상기 대상체의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 포함한다.
실시예 80: 실시예 79에 따른 추적 시스템에 있어서, 상기 추적 시스템은 상기 대상체에 연결 가능한 적어도 하나의 비콘 장치를 더 포함하고, 상기 추적 시스템은 상기 검출기가 상기 적어도 하나의 비콘 장치에 대한 상기 대상체의 위치에 관한 정보를 생성할 수 있도록 적응된다.
실시예 81: 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 위치를 결정하는 스캐닝 시스템으로서, 상기 스캐닝 시스템은 검출기에 관한 실시예 1 내지 실시예 71 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함하고, 상기 스캐닝 시스템은 상기 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 표면에 위치한 적어도 하나의 도트의 조명용으로 구성된 적어도 하나의 광빔을 방출하도록 적응된 적어도 하나의 조명원을 더 포함하되, 여기서 상기 스캐닝 시스템은 상기 적어도 하나의 도트와 상기 적어도 하나의 검출기를 사용하는 상기 스캐닝 시스템간의 거리에 대한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된다.
실시예 82: 실시예 81에 따른 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 조명원은 적어도 하나의 인공 조명원, 특히, 적어도 하나의 레이저 소스 및/또는 적어도 하나의 백열 램프 및/또는 적어도 하나의 반도체 광원을 포함한다.
실시예 83: 실시예 81 또는 실시예 82에 따른 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 조명원은 복수의 개별 광빔, 특히, 각각의 피치, 특히, 정규 피치를 나타내는 광빔의 어레이를 방사한다.
실시예 84: 실시예 81 내지 실시예 83 중 어느 하나에 따른 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 스캐닝 시스템은 적어도 하나의 하우징을 포함한다.
실시예 85: 실시예 84에 따른 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 적어도 하나의 도트와 상기 스캐닝 시스템 사이의 거리에 관한 적어도 하나의 정보 항목은 상기 적어도 하나의 도트와, 상기 스캐닝 시스템의 상기 하우징상의 특정 지점, 특히, 상기 하우징의 전방 에지 또는 후방 에지와의 사이에서 결정된다.
실시예 86: 실시예 84 또는 실시예 85에 따른 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 하우징은 디스플레이, 버튼, 고정 유닛 및 레벨링 유닛 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예 87: 적어도 하나의 대상체를 촬상하기 위한 카메라에 있어서, 카메라는 검출기를 지칭하는 실시예 1 내지 실시예 71 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함한다.
실시예 88: 특히, 검출기에 관한 실시예 1 내지 실시예 71 중 어느 하나에 따른 검출기를 사용하는 적어도 하나의 대상체의 광학적 검출을 위한 방법으로서,
- 적어도 하나의 광학 센서를 사용하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하는 단계 - 여기서, 상기 센서 신호는 변조 입사 광빔에 의한 상기 광학 센서의 센서 영역의 조명에 의존하고, 상기 센서 신호는 또한 상기 광빔의 변조 주파수에 의존하고, 상기 센서 영역은 적어도 하나의 용량성 소자를 포함하고, 상기 용량성 소자는 적어도 두 개의 전극을 포함하고, 상기 전극들 사이에는 적어도 하나의 절연층 및 적어도 하나의 감광층이 매립되며, 적어도 하나의 상기 전극은 상기 광빔에 대해 적어도 일부가 광학적으로 투명함 -, 및
- 상기 센서 신호로부터 상기 대상체의 위치에 대한 정보 항목을 결정함으로써 상기 광학 센서의 상기 센서 신호를 평가하는 단계를 포함한다.
실시예 89: 실시예 1 내지 실시예 71에 따른 검출기의 용도는, 사용 목적에 따라, 특히, 교통 기술에서의 거리 측정과, 특히, 교통 기술에서의 위치 측정과, 엔터테인먼트 애플리케이션과, 보안 애플리케이션과, 인간-기계 인터페이스 애플리케이션과, 스캐닝 애플리케이션과, 추적 애플리케이션과, 물류 애플리케이션과, 머신 비전 애플리케이션과, 안전 애플리케이션과, 감시 애플리케이션과, 데이터 수집 애플리케이션과, 포토그래피 애플리케이션과, 촬상 애플리케이션 또는 카메라 애플리케이션, 및 적어도 하나의 공간의 맵을 생성하는 매핑 애플리케이션으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 특징 및 추가의 선택적인 상세한 설명은 종속항과 함께 이하의 바람직한 예시적인 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다. 이러한 맥락에서, 특정 특징들은 단독으로 또는 특징들을 조합하여 구현될 수 있다. 본 발명은 예시적인 실시예들에 제한되지 않는다. 예시적인 실시예가 도면에 개략적으로 도시된다. 각 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 요소 또는 동일한 기능을 갖는 요소, 또는 그 기능과 관련하여 서로 상응하는 요소를 지칭한다.
특히, 도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 적어도 하나의 대상체의 광 검출을 위한 검출기의 바람직한 실시예를 개략적인 방식으로 도시하는 것이고, 여기서, 검출기는 적어도 하나의 용량성 소자를 포함하는 센서 영역을 갖는 적어도 하나의 종 방향 광학 센서를 포함한다.
도 2a 및 도 2b는 개략적인 방식으로 종 방향 광학 센서에 적용하기 위한 용량성 소자의 특히 바람직한 예시적인 구성의 단면을 각각 도시한다.
도 3a 내지 도 3n은, 개략적인 방식으로 종 방향 광학 센서에 적용하기 위한 용량성 소자의 제 1 예시적인 실시예의 두 가지 바람직한 예의 단면도(도 3a 및 도 3b), 대상체에 대한 센서 영역의 거리 함수로서의 광전류(도 3c, 도 3g, 도 3j, 도 3k 및 도 3n), 변조 입사 광빔의 변조 주파수의 함수로서의 광전류(도 3d, 도 3h, 도 3l, 도 3l 및 도 3m), 및 용량성 소자의 전류 대 전압 특성화(도 3e 및 3f)를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4g는, 개략적인 방식으로 종 방향 광학 센서에 적용하기 위한 용량성 소자의 제 2 예시적인 실시예의 바람직한 예의 단면도(도 4a), 대상체에 대한 센서 영역의 거리 함수로서의 광전류(도 4b 내지 도 4e), 및 변조 입사 광빔의 변조 주파수의 함수로서의 광전류(도 4f 및 도 4g)를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5i는, 개략적인 방식으로 종 방향 광학 센서에 적용하기 위한 용량성 소자(134)의 제 3 예시적인 실시예의 두 가지 바람직한 예의 단면도(도 5a 및 도 5b), 대상체에 대한 센서 영역의 거리 함수로서의 광전류(도 5c 내지 도 5g), 및 변조 입사 광빔의 변조 주파수의 함수로서의 광전류(도 5h 및 도 5i)를 나타낸다.
도 6a 내지 도 6e는, 개략적인 방식으로 종 방향 광학 센서에 적용하기 위한 용량성 소자의 바람직한 제 4 예시적인 실시예의 바람직한 예의 단면도(도 6a), 대상체에 대한 센서 영역의 거리 함수로서의 광전류(도 6b 및 도 6c), 및 변조 입사 광빔의 변조 주파수의 함수로서의 광전류(도 6d 및 도 6e)를 나타낸다.
도 7a 내지 도 7i는, 개략적인 방식으로 종 방향 광학 센서에 적용하기 위한 용량성 소자의 제 5 예시적인 실시예의 두 가지 바람직한 예의 단면도(도 7a 및 도 7b), 대상체에 대한 센서 영역의 거리 함수로서의 광전류(도 7c, 도 7e, 및 도 7h), 변조 입사 광빔의 변조 주파수의 함수로서의 광전류(도 7d, 도 7f, 및 도 7i), 및 용량성 소자의 전류 대 전압 특성화(도 7g)를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 광학 검출기와 그 광학 검출기를 각각 포함하는 검출기 시스템, 인간-기계 인터페이스, 엔터테인먼트 장치, 추적 시스템 및 카메라의 예시적인 실시예를 개략적인 방식으로 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 개략적인 방식으로 횡 방향 광학 센서에 적용하기 위한 용량성 소자의 바람직한 제 6 예시적인 실시예의 바람직한 예의 단면도(도 9a), 및 달리 사용 가능한 실제 위치와 비교하여 본 발명에 따른 검출기를 사용하여 결정된 다수의 측정 지점 위치(도 9b 및 도 9c)를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10c는 횡 방향 광학 센서의 용량성 소자의 제 7 예시적인 실시예의 바람직한 예의 단면을 개략적인 방식으로 나타낸다.
도 1은 적어도 하나의 대상체(112)의 위치를 결정하기 위한, 본 발명에 따른 검출기(110)의 제 1 예시적인 실시예를 매우 개략적으로 나타낸다. 그러나, 다른 실시예도 가능하다. 일반적으로, 도면 및 그 도면에 도시된 다양한 소자는 축척이 비례하지 않는다.
도 1에 개략적으로 도시된 검출기(110)는, 특정 실시예에서, 검출기(110)의 광축(116)을 따라 배열되는 적어도 하나의 종 방향 광학 센서(114)를 포함한다. 특히, 광축(116)은 광학 센서(114)의 구성의 대칭축 및/또는 회전축일 수 있다. 광학 센서(114)는 검출기(110)의 하우징(118) 내부에 위치될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 전송 장치(120)는 바람직하게는 굴절 렌즈(122)를 포함할 수 있다. 특히, 광축(116)을 중심으로 위치될 수 있는 하우징(118) 내의 개구(124)는 바람직하게 검출기(110)의 시야 방향(126)을 한정한다. 광축(116)에 평행한 방향 또는 역평행한 방향은 종 방향으로 정의되는 한편, 광축(116)에 수직인 방향은 횡 방향으로 정의될 수 있는 좌표계(128)가 정의될 수 있다. 도 1에 상징적으로 도시되는 좌표계(128)에서, 종 방향은 "z"로 표시되는 반면, 횡 방향은 각각 "x" 및 "y"로 표시된다. 그러나, 다른 유형의 좌표계(128)가 또한 가능할 수도 있다.
또한, 종 방향 광학 센서(114)는 변조 입사 광빔(132)에 의해 종 방향 광학 센서(114)에 포함된 센서 영역(130)의 조명에 의존하는 방식으로 적어도 하나의 종 방향 센서 신호를 생성하도록 설계된다. 따라서, FiP 효과에 따르면, 종 방향 센서 신호는, 조명의 동일한 총 전력이 주어지면, 각각의 센서 영역(130)에서의 광빔(132)의 빔 단면과 변조 광빔(132)의 변조 주파수에 좌우된다. 본 발명에 따르면, 특히, WO 2016/092454 A1에 개시된 광학 검출기와 대조적으로, 종 방향 광학 센서(114)의 센서 영역(130)은, 특히, 도 2a, 도 2b, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 7a, 도 7b, 도 10a, 도 10b 또는 도 10c, 또는 이들의 조합에 더 자세히 설명된 바람직한 실시예들 중 하나에서 적어도 하나의 용량성 소자(134)를 포함한다.
종 방향 광학 센서(114)의 센서 영역(130)을 조명하기 위한 변조 광빔(132)은 변조 방식으로 조명을 제공할 수 있는 발광 대상체(112)에 의해 생성될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 광빔(132)이 바람직하게 광축(116)을 따라 개구(124)를 통해 광학 검출기(110)의 하우징(118)에 진입함으로써, 종 방향 광학 센서(114)의 센서 영역(130)에 도달할 수 있는 방식으로, 대상체(112)가 조명원(136)에 의해 생성된 광의 적어도 일부를 반사할 수 있게 대상체(112)를 조명하도록 적응될 수 있는 LED(140, Light-Emitting Diode)와 같은 주변 광원 및/또는 인공 조명원(138)을 포함할 수 있는 개별 조명원(136)에 의해 광빔(132)이 생성될 수 있다.
따라서, 조명원(136)은 변조 광원(142)일 수 있고, 조명원의 하나 이상의 변조 특성은 적어도 하나의 변조 장치(144)에 의해 제어될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 변조는 조명원과 대상체(112) 사이의 제 1 빔 경로(146), 및/또는 대상체(112)와 종 방향 광학 센서(114) 사이의 제 2 빔 경로(148)에서 수행될 수 있다. 다른 가능성이 고려될 수 있다. 이 특정 실시예에서, 평가 장치(150) 내의 대상체(112)의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 결정하기 위한 횡 방향 광학 센서(114)의 센서 신호를 평가할 경우, 하나 이상의 변조 특성, 특히, 변조 주파수를 고려하면 유리할 수 있다.
평가 장치(150)는 일반적으로 종 방향 광학 센서(114)에 의해 센서 신호를 평가함으로써 대상체(112)의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된다. 본 명세서에서, 평가 장치(150)는 종 방향 평가 유닛(152)("z"로 표시됨)에 의해 기호로 표시되는 센서 신호를 평가하기 위해, 하나 이상의 전자 장치 및/또는 하나 이상의 소프트웨어 구성 요소를 포함할 수 있다. 이를 위해, 평가 장치(150)는 바람직하게는 종 방향 광학 센서(114)의 하나 초과의 종 방향 센서 신호를 비교함으로써 대상체(112)의 종 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 결정하도록 적응될 수 있다. 전술한 바와 같이, 변조 광빔(132)에 의한 충돌 시 종 방향 광학 센서(114)가 제공되는 종 방향 센서 신호는 광빔(132)에 의한 센서 영역(130)의 조명에 좌우되고, 여기서, 종 방향 센서 신호는, 조명의 동일한 총 전력이 주어지면, 센서 영역(130) 내의 광빔(132)의 빔 단면과 광빔(132)의 변조 주파수에 좌우된다. 따라서, 예를 들어, WO 2012/110924 A1에서 보다 상세하게 설명한 바와 같이, 평가 장치(150)는 종 방향 광학 센서(114)의 하나 초과의 종 방향 센서 신호를 비교함으로써, 대상체(112)의 종 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 결정하도록 적응될 수 있다.
일반적으로, 평가 장치(150)는 데이터 처리 장치의 일부일 수 있고/있거나 하나 이상의 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 평가 장치(150)는 하우징(118) 내에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있고/있거나, 예를 들어, 하나 이상의 신호 리드(154)를 거쳐 무선 또는 유선으로 종 방향 광학 센서(114)에 전기적으로 접속되는 별도의 장치로 완전히 또는 부분적으로 내장될 수 있다. 평가 장치(150)는, 예를 들어, 하나 이상의 측정 유닛 및/또는 하나 이상의 평가 유닛(도 1에 도시되지 않음) 및/또는 하나 이상의 제어 유닛(예컨대, 변조 광원(142)의 변조 특성을 제어하기 위해 적응되어 있는 변조 장치(144))과 같은 하나 이상의 전자 하드웨어 구성 요소 및/또는 하나 이상의 소프트웨어 구성 요소와 같은 하나 이상의 추가적인 구성 요소를 더 포함할 수 있다. 또한, 평가 장치(150)는 컴퓨터(156)일 수 있고/있거나, 데이터 처리 장치(158)를 포함하는 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예도 가능할 수도 있다.
도 1의 바람직한 실시예에서, 광학 검출기(110)는, 특정 실시예에서, 검출기(110)의 광축(116)을 따라 배열되는 적어도 하나의 횡 방향 광학 센서(160)를 더 포함한다. 여기서, 횡 방향 광학 센서(160)는 바람직하게는 대상체(112)로부터 광학 검출기(110)로 이동하는 변조 광빔(132)의 횡 방향 위치를 결정하도록 적응될 수 있다. 여기서, 횡 방향 위치는 좌표계(128)에 따라 각각 "x" 및 "y"로 표시된 이 특정 실시예에서 광학 검출기(110)의 광축(116)에 수직인 적어도 하나의 차원의 위치일 수 있다. 여기에서 사용되는 횡 방향 광학 센서(160)는 바람직하게는 도 9의 예시적인 실시예에서 이하에 설명하는 바와 같은 구성을 나타낼 수 있다. 그러나, 공지된 PSD(Position Sensitive Device), 특히, 예를 들어, WO 2012/110924 A1 또는 WO 2014/097181 A1에 개시된 광검출기, 또는, 예를 들어, WO 2016/120392 A1에 개시된 광전도체를 사용하는 것과 같이, 다른 구성이 또한 가능할 수 있다. 그러나, 횡 방향 광학 센서(160)의 다른 구성도 여기에 적용될 수 있다.
횡 방향 위치를 결정하기 위해, 횡 방향 광학 센서(160)는 적어도 하나의 횡 방향 센서 신호를 생성하도록 추가로 적응될 수 있다. 횡 방향 센서 신호는, 예를 들어, 하나 이상의 신호 리드(154)를 통해 무선 또는 유선 방식으로 평가 장치(150)에 전송될 수 있으며, 여기서, 평가 장치(150)는 횡 방향 센서 신호를 평가함으로써 대상체(112)의 횡 방향 위치에 대한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 추가 설계될 수 있다. 이를 위해, 평가 장치(150)는 횡 방향 평가 유닛(162)("z"로 표시됨)에 의해 기호로 표시되는 센서 신호를 평가하기 위해, 하나 이상의 전자 장치 및/또는 하나 이상의 소프트웨어 구성 요소를 포함할 수 있다. 또한, 평가 유닛(152, 162)에 의해 도출된 결과를 조합함으로써, 위치 정보(164), 여기서는 "x, y, z"로 상징적으로 표시된 3차원 위치 정보가 바람직하게 생성될 수 있다.
광학 검출기(110)에는 직선의 빔 경로 또는 경사진 빔 경로, 각진 빔 경로, 분기된 빔 경로, 편향되거나 분할된 빔 경로 또는 다른 유형의 빔 경로가 있을 수 있다. 또한, 광빔(132)은 각각의 빔 경로 또는 부분 빔 경로를 따라 한 번 또는 반복적으로 단방향 또는 양방향으로 전파될 수 있다. 이로써, 상기 열거된 구성 요소 또는 이하에서 더 상세하게 열거된 옵션의 추가 구성 요소는 종 방향 광학 센서(114)의 전방 및/또는 종 방향 광학 센서(114)의 후방에 완전히 또는 부분적으로 배치될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 매우 개략적인 방식으로 특히 종 방향 광학 센서에서 사용하기 위한 용량성 소자의 바람직한 예의 예시적인 구성의 단면을 각각 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 용량성 소자(134)는 광학적으로 투명한 제 1 전극(166)을 포함한다. 바람직하게는, 용량성 소자(134)는 광학적으로 투명한 제 1 전극(166)이 변조 입사 광빔(132)을 향해 위치될 수 있는 방식으로 배열될 수 있다. 광학적으로 투명한 제 1 전극(166)은 하나 이상의 TCO(Transparent Conductive Oxide)(168), 특히, ITO(Indium-doped Tin Oxide)의 층을 포함할 수 있다. 그러나, FTO(Fluorine-doped Tin Oxide) 또는 AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide)과 같은 다른 종류의 광학적으로 투명한 물질도 이 목적에 적합할 수 있다. 최소한의 광학적으로 투명한 산화물(168)을 사용할 수 있지만, 여전히 광학적으로 투명한 제 1 전극(166)을 기계적으로 안정하게 유지하기 위해, 광학적으로 투명한 기판(170)의 상부, 특히, 유리 기판(172) 상에, 바람직하게는 코팅법이나 증착법과 같은 증착 방법을 사용함으로써 배치될 수 있다. 대안으로, 석영 기판 또는 광학적으로 투명하지만 전기적으로 절연성 폴리머, 예컨대, PET(PolyEthylene Terephthalate)를 포함하는 기판이 이 목적에 사용될 수도 있다.
또한, 용량성 소자(134)는 광학적으로 불투명할 수 있는 제 2 전극(174)을 포함하므로, 변조 광빔(132)이 여기서 반사될 수 있게 한다. 따라서, 용량성 소자(134)는 광학적으로 불투명한 제 2 전극(174)이 변조 입사 광빔(132)으로부터 떨어져 위치될 수 있는 방식으로 배열될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 제 2 전극(174)은 또한 변조 입사 광빔(132)에 대해 적어도 부분적으로 투명할 수 있다.
종 방향 광학 센서(114)를 제공하기 위해, 제 2 전극(174)은, 이러한 특정 실시예에서, 은(Ag) 전극, 백금(Pt) 전극, 금(Au) 전극, 알루미늄(Al) 전극 또는 몰리브덴(Mo) 전극과 같은 금속 전극(176)을 포함할 수 있다. 그러나 다른 유형의 접착도 가능할 수 있다. 바람직하게는, 금속 전극(176)은 추가 층과 같은 기판 상에 증착될 수 있는 금속 박막을 포함할 수 있다.
횡 방향 광학 센서(160)를 제공하기 위해, 제 2 전극(174)은 전하가 실제로 생성되는 위치를 결정할 수 있도록 조정될 수 있는 낮은 전기 전도성 전극을 포함할 수 있으며, 이 위치는 합리적으로, 입사 광빔이 센서 영역(130)에 충돌되는 위치로서 간주될 수 있다. 이 목적을 위해, 제 2 전극(174)은 부가적으로 적어도 하나의 분할 전극을 구비할 수 있다. 더 상세한 내용은 이하의 도 9a의 설명을 참조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용량성 소자(134)는 제 1 전극(166)과 제 2 전극(174) 사이에 중간 매개체로서 배치되어 있는 유전체 재료의 형태로 제공될 수 있는 절연층(178)을 포함한다. 그러나, 절연층(178)은, 대안적으로 또는 부가적으로, 접합부가 있는 다이오드나 배열체와 같은 전기 절연 부품(여기에 도시되지 않음)의 형태로 제공될 수 있다. 제 1 전극(166)과 제 2 전극(174) 사이에 유전 특성을 갖는 절연층(178)을 적용하는 것은, 제 1 전극(166)과 제 2 전극(174)의 직접적인 전기 접촉을 방지하여, 제 1 전극(166)과 제 2 전극(174) 사이의 단락을 피할 수 있기 때문에 특히 유리할 수 있다. 또한, 절연층(178)의 유전율에 따라, 제 1 전극(166)과 제 2 전극(174) 사이의 절연층(178)은 또한 이 전극들 사이에 위치되어 진공이 마련된 용량성 소자와 비교하여, 주어진 전압에서, 증가된 전하량을 용량성 소자(134)에 저장되게 할 수 있다.
도 2a의 예시적인 실시예에서, 절연층(178)은 입사 광빔(132)이 절연층(178)을 적어도 부분적으로 가로지를 수 있게 하기 위해 광학적으로 적어도 부분적으로 투명한 절연층이다. 따라서, 절연층(178)은 바람직하게는 입사 광빔(132)의 스펙트럼 범위에 대해 가능한 한 작게 입사 광빔(132)의 조명 전력을 감소시킬 수 있는 투과율을 나타낼 수 있다. 본 명세서의 다른 부분에서보다 상세하게 설명된 바와 같이, 광학적으로 적어도 부분적으로 투명한 특성을 나타낼 수 있는 절연층(178)은 바람직하게는 투명 금속 산화물, 특히, 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 이산화 지르코늄(ZrO2)의 층을 포함하도록 선택될 수 있다. 그러나, 다른 유형의 재료도 또한 절연층(178)에 사용될 수 있다.
절연층(178) 이외에, 본 발명에 따른 용량성 소자(134)는 추가적으로 변조 입사 광빔(132)의 영향을 받기 쉬운 적어도 하나의 재료를 포함하는 적어도 하나의 감광층(180)을 포함한다. 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 변조 입사 광빔(132)에 의해 감광층(180)을 조명할 때, 전하 캐리어가 감광층(180)에서 소정량 생성되고, 이 방식으로 생성되는 전하 캐리어의 양은 감광층(180)의 조명 및 변조 입사 광빔(132)의 변조 주파수에 따라 달라진다. 여기서, 변조 입사 광빔(132)은 전하 캐리어를 교대로 발생시킬 수 있는 교대 광빔으로 간주될 수 있고, 따라서, 용량성 소자(134) 내에 교류 전류(ac)를 발생시킨다. 결과적으로, 여기에 설명된 감광층(180)이 포함된 용량성 소자(134)는 종 방향 광학 센서(114)가 센서 영역(130)의 조명 및 변조 입사 광빔(132)의 변조 주파수에 따라 적어도 하나의 ac 종 방향 센서 신호를 생성하도록 허용한다. 따라서, 용량성 소자(134)를 포함하는 검출기(110)는 FiP 효과를 나타내는 데, 이는 용량성 소자(134)가 제공하는 종 방향 센서 신호가, 변조 입사 광빔(132)이 종 방향 광학 센서(114)의 센서 영역(130)과 같이 감광층(180) 상에 포커싱될 때, 감소하는 ac 광 전류의 형태로 존재할 수 있음을 의미한다. 본 명세서의 다른 곳에서 상세히 설명된 바와 같이, 즉, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 7a, 도 7b, 도 9a, 도 10a, 도 10b 또는 도 10c, 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 개략적으로 도시된 실시예와 같이, 상기 감광층(180)은 다양한 구성을 이용하여 구현될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같은 용량성 소자(134)의 예시적인 실시예에서는, 도 2a와 대조적으로, 변조 입사 광빔(132)은 제 1 투명 전극(166)을 통과한 후에, 절연층(178)에 도달하기 전에 먼저 감광층(180)에 충돌한다. 결과적으로, 절연층(178)은, 이 특정 실시예에서, 입사 광빔(132)을 감광층(180)으로 추가적으로 반사시킬 수 있는 불투명 절연층이거나, 이를 포함할 수 있으며, 따라서 감광층(180) 내에서 광 강도를 증가시킬 수 있다. 반면에, 절연층(178)은 투명 절연층이거나, 이를 포함할 수 있으며, 이 경우 입사 광빔(132)은 인접한 제 2 전극(174)에 의해 감광층(180)으로 반사될 수 있고, 이에 따라 비교 우위를 제공할 수 있다. 따라서, 도 2b에 도시된 바와 같은 배열체는 절연층(178)용으로 광범위한 재료를 사용할 수 있게 한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 용량성 소자(134)의 제 1 예시적인 실시예의 구성의 바람직한 예의 단면을, 특히, 종 방향의 광학 센서(114)에 사용하기 위해, 개략적인 방식으로 도시하는 한편, 도 3c 내지 도 3n은 이와 같이 배열된 용량성 소자(134)에 대하여 획득된 실험 결과를 제공한다.
도 3a 및 3b에 따르면, 용량성 소자(134)의 제 1 예시적인 실시예는 도 3a의 예에서 ITO(Indium-doped Tin Oxide)를 포함하고, 도 3b의 예에서 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)를 포함하는 TCO(Transparent Conductive Oxide)(168)의 층으로 코팅된 유리 기판(172)을 포함한다. 그러나 두 가지 재료는 모두 두 가지 예 모두에서 사용할 수 있다. 대안적으로, AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 또는 다른 TCO의 층도 또한 투명 전도성 산화물(168)로서 사용될 수 있다. 유리 기판(172)에 대한 대안으로, 석영 기판 또는 광학적으로 투명하고 전기 절연성의 폴리머, 예컨대, PET(PolyEthylene Terephthalate)를 포함하는 기판도 가능할 수 있다.
또한, 제 1 예시적인 실시예의 용량 소자(134)는 절연층(178)으로서 얇은 절연성의 산화 알루미늄(Al2O3) 층을 대략 120nm의 두께로 포함하고, 여기서 Al2O3 층은, 약 200℃에서, ITO 코팅된 유리 기판(172) 상에 ALD(Atomic Layer Deposition)를 직접 적용하여 본 실시예에 제공된다. 이하에서 보다 상세히 설명하겠지만, 1nm 내지 1,000nm, 바람직하게는 10nm 내지 250nm, 특히, 20nm 내지 150nm의 두께에서도 우수한 절연 특성을 나타내는 것으로 밝혀진 Al2O3(ALD) 층은, 감광층(180)으로 적절한 재료를 추가 사용함으로써, 광활성 커패시터(photoactive capacitor)를 용이하게 제조할 수 있다.
이 목적을 위해, 용량성 소자(134)는 얇은 절연성 Al2O3(ALD) 층 외에, 용량성 소자(134)에서 감광층(180)으로 작용하는 나노입자형 황화 납(np-PbS, nanoparticulate lead sulfide) 층을 포함한다. 대안적으로, 나노입자형 황화 납은 "PbS 나노입자들" 또는 "PbS 양자점들"으로 나타낼 수 있는데, "PbS-QDs"로도 약칭한다. 이 특정예에서, 감광층(180)은 np-PbS를 포함하고, 여기서, PbS 나노입자들은 8nm의 입자 크기에서 최대인 좁은 입자 크기 분포와 조합된 구형을 나타낸다. 이러한 종류의 PbS 나노입자들은 1,000 내지 1,600nm의 적외선 파장 범위를 커버하는 것으로 알려져 있으며, 여기서, 나노입자의 흡수 특성은 그들의 입자 크기에 의해 결정되고, 8nm의 입자 크기는 약 1,550nm의 흡수를 달성할 것으로 예상된다. np-PbS는 스핀 코팅(옥탄 중 50mg/ml np-PbS, 4000rpm에서 스핀 캐스팅)에 의해 옥탄 내 현탁액으로부터 침착되었다.
감광층(180) 내의 전하 캐리어 발생 위치로부터 인접한 금속 전극(176)까지 감광층(180)에서 생성된 전하 캐리어가 용이하게 전달되도록 하기 위해, 도 3b에 도시된 또 다른 예에서, 용량성 소자(134)는 상기의 목적용으로 특별히 구성된 전하 캐리어 수송층(182)을 더 포함한다. 본 실시예에서, 전하 캐리어 수송층(182)은 몰리브덴 산화물(MoO3)의 정공 수송층을 포함한다. 따라서, 약 15nm MoO3의 박막은, 얇은 MoO3 층 상에 약 200nm의 은(Ag) 박막을 증착하기 전에, np-PbS 감광층(180) 상에 증착되었다. 전하 캐리어 수송층(182)에 대한 대체 가능한 재료는 산화 니켈(NiO2), PEDOT(poly-3,4-ethylenedioxy-thiophene), 바람직하게는 적어도 하나의 상대 이온으로 전기 도핑된 PEDOT, 더욱 바람직하게는 PEDOT:PSS(PSS(polystyrene sulfonate) 나트륨으로 도핑된 PEDOT), PANI(polyaniline), 또는 Pt(polythiophene)일 수 있다. 다른 대안으로서, 전하 캐리어의 생성 위치로부터 전극으로 감광층(180)에서 발생된 전하 캐리어의 수송을 용이하게 하기 위해 전하 캐리어 추출층(여기에 도시되지 않음)이 제공될 수도 있다.
결과적으로, 변조 입사 광빔(132)은 도 3a 및 도 3b의 두 예에 따른 제 1 실시예의 용량성 소자(134)를 포함하는 검출기(110) 내의 감광층(180) 내의 전하 캐리어로서 정공을 생성할 수 있으며, 전하 캐리어의 양은 np-PbS 층 내의 광빔(132)의 빔 단면과 변조 입사 광빔(132)의 변조 주파수의 양자에 따라 변할 수 있다. 제 1 효과는, 도 3c에 도시된 바와 같이, 센서 영역(130)과 대상체(112)의 거리 d(mm 단위)와 함께 교류(ac) 광전류 I p (nA 단위)의 변화에서 찾아 볼 수 있고, 후자의 효과는, 변조 입사 광빔(132)의 변조 주파수(Hz 단위)에 따른 ac 광 전류 I p (nA 단위)의 변화를 나타내는 도 3d에 도시되어 있다. 결과적으로, 본 예시적인 실시예에 따른 용량성 소자(134)는 "FIP 효과"로 표시되는 충돌하는 광 스폿의 크기 변동에 따라 추출된 ac 광전류 I p 의 강한 비선형 동작을 나타낸다.
입사 광빔(132)의 변조 주파수가 증가함에 따라 FIP 신호의 감소가 전형적으로 관찰될 수 있는 광다이오드 또는 광전도체에 기초한 공지의 FIP 장치와 대조적으로, 도 3b의 예에 대하여 도 3d에 따라 기록된 FIP 신호의 주파수 응답은, FIP 신호에 대한 최대값이 1㎑ 내지 5㎑의 영역에서 달성될 때까지, 우선, 변조 주파수의 증가에 따라 증가하고, 그 다음 FIP 신호는 입사 광빔(132)의 변조 주파수를 더 증가시키기 위해 감소한다. 입사 광빔(132)의 변조 주파수가 증가함에 따라 FIP 신호의 초기 증가는 본 발명에 따른 종 방향 광학 센서(114)에 포함되는 용량성 소자(134)의 용량 특성에 기인할 수 있다.
또한, 도 3e는 도 3b의 예에 따른 용량성 소자(134)의 전류 대 전압 특성을 나타낸다. 여기서, 광전류 I p 의 밀도 j의 변화(mA/㎠ 단위)에서의 변화가 용량성 소자(134)에 인가된 전압 U(V 단위)의 변화와 관련하여 도시된다. 따라서, 입사 광자 밀도와 ac 광전류 I p 사이의 명백한 비선형성이 본 예시적인 실시예에서 관찰될 수 있지만, dc(direct current) 광 전류는 무시할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 상술한 바와 같이, 변조광은 상당한 광전류 I p 를 생성하지만, dc 광 조건에서는 광전류 I p 가 검출될 수 없다.
마찬가지로, 도 3f는 하나의 태양 백색 조명에서 시뮬레이션된 도 3a 및 도 3b에 따른 두 예에 대한 전류 대 전압 특성의 비교를 나타낸다. 여기서, 감지할 만한 직류 광전류 Ip가 단락 조건에서 검출되지 않으므로, 전류 밀도 j도 또한 소실된다. Ag 전극만 있는 도 3a의 예에서의 병렬 저항은, MoO3 전하 캐리어 수송층(182)과 Ag 전극(0.4㏁)의 양쪽이 제공되는 도 3b의 예와 비교하여, 상당히 크다.
또한, 도 3g 내지 도 3i에 제시된 실험 결과를 얻기 위해, LED(Light Emitting Diode)(140)는 850nm의 파장, 375Hz의 변조 주파수 및 165μW의 조명 전력 하에 동작되었다. 50mm 대물 렌즈가 LED(140)까지 83cm인 거리에서 사용되었다. 포커스가 센서 영역(130)에 위치되는 포커싱 상태(184)와 비교하여, LED(140)를 약 12.5mm만큼 이동시킴으로써, 디포커싱 상태(186)가 얻어진다.
특히, 도 3g는 도 3a 및 도 3b의 두 예에 대하여 센서 영역(130)에서 대상체로의 거리 d(mm 단위)에 대한 ac 광전류 I p (nA 단위)의 변화를 비교한 것을 나타낸다. 또한, 도 3h 및 도 3i는, 도 3a(도 3h)의 예 및 도 3b(도 3i)의 예의 각각에서의 포커싱 상태(184)와 디포커싱 상태(186) 모두에 대한 변조 입사 광빔(132)의 변조 주파수(Hz 단위)와 ac 광전류 I p (nA 단위)의 변화를 비교한 것이다.
또한, 도 3j는, 도 3a와 도 3b의 두 예에 대해, 850nm의 파장 및 3777Hz의 변조 주파수에서 LED(140)를 작동시킴으로써 얻어진 FIP 신호의 최대값에서, 센서 영역(130)의 대상체까지의 거리(mm 단위)와 ac 광전류 Ip(nA 단위)의 변화를 비교한 것이다.
또한, 도 3k 내지 도 3m에 제시된 실험 결과를 얻기 위해, LED(140)는 1550㎚의 파장, 375㎐의 변조 주파수 및 알려지지 않은 조명 전력 하에 동작되었다. 50mm 대물 렌즈가 LED(140)까지 20.5cm인 거리에서 사용되었다. 다시, 디포커싱 상태(186)는 포커싱 상태(184)에서 LED(140)를 약 12.5mm만큼 이동시킴으로써 얻어진다.
특히, 도 3k는 도 3a 및 도 3b의 두 예에 대하여 센서 영역(130)에서 대상체까지의 거리 d(mm 단위)에 대한 ac 광전류 I p (nA 단위)의 변화를 비교한 것을 나타낸다. 또한, 도 3l 및 도 3m은, 도 3a(도 3l)의 예 및 도 3b(도 3m)의 예의 각각에서의 포커싱 상태(184)와 디포커싱 상태(186) 모두에 대한 변조 입사 광빔(132)의 변조 주파수(Hz 단위)와 ac 광전류 I p (nA 단위)의 변화를 비교한 것이다.
또한, 도 3n는, 도 3a와 도 3b의 두 예에 대해, 1550nm의 파장 및 3777Hz의 변조 주파수에서 LED(140)를 작동시킴으로써 얻어진 FIP 신호의 최대값에서, 센서 영역(130)의 대상체까지의 거리(mm 단위)와 ac 광전류 Ip(nA 단위)의 변화를 비교한 것이다.
도 4a는 용량성 소자(134)의 제 2 바람직한 예시적인 실시예의 단면을, 특히, 종 방향의 광학 센서(114)에 사용하기 위해, 개략적인 방식으로 도시하는 한편, 도 4b 내지 도 4g는 본 실시예에 따른 배열을 나타내는 용량성 소자(134)에 대하여 획득된 실험 결과를 제공한다.
도 4a에 따른 용량성 소자(134)의 제 2 예시적인 실시예는 다시 ITO를 포함하는 TCO(168)의 층으로 코팅된 유리 기판(172)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 대안적으로 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 또는 다른 TCO의 층이 유리 기판(172)을 코팅하는 투명 전도성 산화물(168)로서 사용될 수 있거나, 또는 석영 기판 또는 PET(Poly-Ethylene Terephthalate)와 같은 광학적으로 투명한 전기 절연성 폴리머가 대안으로 사용될 수 있다.
도 3a 및 도 3b의 예시적인 실시예와 대조적으로, 도 4a의 제 2 예시적인 실시예에서의 감광층(180)은 보다 복잡한 구조의 상이한 배열체를 나타낸다. 여기서, 감광층(180)은 2개의 개별 광전도층(188, 188')을 포함하며, 2개의 개별 광전도층(188, 188') 사이의 경계는 입사 광빔(132)에 의한 조명 동안 전하 캐리어를 생성하도록 적응되는 접합부(190)를 형성한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 2개의 개별 광전도층(188, 188')은 대략 300℃에서 증착에 의해 제공된 황화 카드뮴(CdS) 및 텔루르화 카드뮴(CdTe)을 포함한다. 그러나, 다른 유형의 적절한 광전도성 재료도 본 발명의 목적을 위해 사용될 수 있다.
2개의 개별 광전도층(188, 188')에 의해 제공되는 접합부(190) 내의 전하 캐리어의 생성 위치로부터 인접한 전극까지 감광층(180)에서 생성된 전하 캐리어의 수송을 용이하게 하기 위해, 여기서는 ITO를 포함하는 TCO(168)를 예시적으로 포함하고, 도 4a의 실시예의 용량성 소자(134)는, 특히, 이러한 목적을 위해 전하 캐리어 수송층(182)을 더 포함한다. 도 4a에 도시된 실시예에서 전하 캐리어 수송층(182)은 입사 광빔(132)이 접합부(190)에 충돌할 수 있도록 입사 광빔(132)에 대해 적어도 부분적으로 투명할 수 있으므로, 전하 캐리어 수송층(182)은 투명 재료, 바람직하게는 투명 산화물, 특히, 이산화 주석(SnO2)을 포함할 수 있다. 준비 동안, ITO 층 상에 증착된 SnO2는 약 45분간 약 400℃에서 염화 카드뮴(CdCl2)으로 처리하여 활성화되었다. 그러나 이 층을 생성하기 위한 다른 제조 방법뿐만 아니라 적절한 전하 캐리어 수송 및 광학 특성을 나타내는 다른 유형의 재료도 가능할 수 있다.
또한, 제 2 예시적인 실시예에서 용량성 소자(134)는 절연층(178)으로서 대략 80nm의 두께의 얇은 절연성 산화 알루미늄(Al2O3) 층을 포함하고, Al2O3 층은 약 60℃의 온도에서 저온 ALD(Atomic Layer Deposition)를 CdS 층 상에 직접 적용함으로써 본 예에 제공된다.
또한, 본 실시예의 용량성 소자(134)는 제 2 전극(174)으로서 금속 전극(176)을 포함한다. 여기서, 약 200nm의 은(Ag)의 박막은 감광층(180)상의 얇은 절연성 산화 알루미늄(Al2O3) 층 상에 증착된다. 전술한 바와 같이, 백금(Pt), 금(Au) 또는 알루미늄(Al)이 또한 제 2 전극(174)의 대체 전극 재료로서 사용될 수 있다.
결과적으로, 본 실시예의 용량성 소자(134)는 Ag 전극(176), 얇은 절연성 Al2O3(ALD) 층(178) 및 CdTe 감광층(180)을 포함하는 MIS(Metal Insulator Semiconductor) 장치를 구비한다. 도 4b 내지 도 4g에 도시된 바와 같이, 충돌하는 광 스폿의 크기가 변화하는 ac 광전류 I p 의 강한 비선형 동작이 관찰될 수 있으므로, 제 2 예시적인 실시예에 따른 용량성 소자(134)에서의 FIP 효과 발생의 명백한 증거를 제공한다.
도 4b 내지 도 4e는 각각 센서 영역(130)에서 대상체(112)까지의 거리 d(mm 단위)의 함수로서 이 제 2 실시예의 용량성 소자(134)를 포함하는 검출기(110)의 광전류 Ip(nA 단위)를 나타내고, 여기서, 각 곡선은 해당 도면에서 가리키는 바와 같이, 사전 설정 전류(preset current)에 대한 광전류 I p 의 변화를 나타내고, 각각의 사전 설정 전류는 해당 용량성 소자(134)의 감광층(180)을 조명하기 위해 제공되는 LED(140)를 작동시키는 데 사용된다. 변조 입사 광빔(132)에 대한 변조 주파수는 도 4b 내지 도 4e 모두에서 375Hz로 선택되었다. 도 4d 및 도 4e에 표시된 바와 같이, 곡선을 기록하기 위해 LED(140)가 660nm의 파장을 제공하는 한편, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같은 곡선을 얻기 위해 LED(140)가 850nm의 파장을 제공하였다. 도 4b 및 도 4d에 도시된 바와 같은 곡선이 베어(bare) LED(140)를 사용하여 기록되는 반면, 도 4c 및 4e에 각각 도시된 바와 같은 곡선을 기록하기 위해 디퓨저 디스크(diffuser disk)가 사용되었다. 여기에서, 디퓨저 디스크는 더 낮은 조명 전력에서 센서 영역(130)에 더 큰 광 스폿을 형성할 수 있도록 조정되어, 센서 영역(130) 상에 촬상될 때, 조명이 덜 집중되게 된다.
또한, 도 4f 및 도 4g는, 포커싱 상태(184)와 디포커싱 상태(186) 사이에서 변조 입사 광빔(132)의 변조 주파수(Hz 단위)와 ac 광전류 I p (μA 단위)의 변화를 비교한 것이다. 여기에서, 디포커싱 상태(186)는 포커싱 상태(184)에서 50mm의 대물 렌즈로부터 약 82cm 떨어진 곳에 위치한 LED(140)를 초점으로부터 약 12mm 이동시킴으로써 얻어진다. 여기서, 도 4f의 곡선은 660nm의 파장에서 기록되는 반면, 도 4g의 곡선은 850nm의 파장에서 기록된다.
도 5a 및 도 5b는 용량성 소자(134)의 제 3 예시적인 실시예의 바람직한 예의 단면을, 특히, 종 방향의 광학 센서(114)에 사용하기 위해, 개략적인 방식으로 각각 도시하는 한편, 도 5c 내지 도 5i는 발산 구성을 갖는 유사한 물질을 사용하는 태양 전지 배열체와 비교하여 본 실시예에 따른 배열체를 나타내는 용량성 소자(134)에 대하여 획득된 실험 결과를 제공한다.
본 특정 실시예의 두 가지 예에서, 금속 전극(176)은 기판(170) 상에 증착될 수 있는 불투명 몰리브덴(Mo) 전극으로서 제공되며, 여기서, 기판도 또한 불투명한 광학 특성을 나타낼 수 있다. 그러나, 이 문서의 다른 곳에서 설명한 유리 기판과 같은 투명 기판을 사용하는 것도 가능할 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 용량성 소자(134)의 제 2 예시적인 실시예와 마찬가지로, 도 5a 및 도 5b의 제 3 예시적인 실시예는, 여기서, 황화 카드뮴(CdS) 층 및 CZTS(Copper Zinc Tin Sulfide)의 층으로 구성되는 2개의 개별 광전도층(188, 188') 사이의 경계에 의해 형성되는 접합부(190)를 포함한다. 따라서, CZTS 층은 도 4a에 따른 실시예의 CdTe를 대체하는 것으로 간주될 수 있다. CZTS의 대안으로서, CZTSe(Copper Zinc Tin Selenide), 해당하는 황-셀레늄 합금 CZTSSe, 또는 추가의 4원 칼코겐화물 광전도성 I2-II-IV-VI4 화합물은 또한 이러한 목적을 위해 적용될 수 있다. 다른 대안으로 CIGS(Copper Indium Gallium Selenide) 또는 박막 태양 전지 흡수체층으로 알려진 다른 칼코겐화물 광전도체가 포함될 수 있다.
도 4a에 따른 용량성 소자(134)의 제 2 예시적인 실시예와 마찬가지로, 얇은 Al2O3 층 바람직하게는 대략 70㎜의 두께의 층이, 도 5a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 절연층(178)으로서 다시 사용될 수 있다. 도 5b는 절연층(178)에 대한 대안을 도시하는 데, 여기서, 개별 ZrO2 층과 그 상면에 제공된 개별 Al2O3 층으로 구성된 이중층이 적용된다. 여기서, 각각의 개별층은 각각 대략 70mm의 두께를 나타냈다. 또한, 양 개별층은 높은 투명도를 나타내고, 따라서, 입사 광빔(132)이 감광층(180) 내의 접합부(190)에 도달하게 한다. 그러나, 절연층(178) 및 그 두께로서 사용되는 개별층의 다른 유형의 조합도 가능할 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 따른 용량성 소자(134)는 도 2a, 도 2b, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 6a, 도 7a, 도 7b, 도 10a, 도 10b 또는 도 10c의 실시예들과는 달리, 본 특정 실시예에서 상면 접촉 전극으로서 설계된 제 1 전극(166)으로 ITO를 증착함으로써 마무리될 수 있다. 그러나, 도 5a 및 도 5b에 따른 용량성 소자(134)의 제 3 예시적인 실시예에서 제 1 전극(166)은 하부 접촉 전극으로서 제공될 수도 있는 반면, 다른 실시예에서 제 1 전극(166)은 또한 이 배열체가 여전히 입사 광빔(132)을 감광층(180)에 도달하게 할 수 있도록 제공된 상부 접촉 전극으로도 지정될 수 있다.
도 5c 내지 도 5i로부터 도출될 수 있는 바와 같이, 도 5a 및 도 5b의 두 예에 따른 제 3 실시예의 용량성 소자(134)를 포함하는 검출기(110)는 충돌하는 광 스폿의 크기 변화에 따라 ac 광전류 I p 의 강한 비선형 동작을 나타내고, 그로 인해 FiP 효과를 생성한다. 특히, 도 5c 내지 도 5g에 도시된 바와광 강도 같이, FiP 효과는 입사 광빔(132)의 낮은 광 강도에서도 중요하다. 이와 대조적으로, 최적화된 광전지 성능 향상을 위한 광다이오드의 형태로 제공되는 CZTS 기반의 태양 전지(194)는 주로 비교적 큰 광 강도에서 음의 FiP 효과를 나타내는 것으로 입증되었다. 여기서, 제 3 실시예의 용량성 소자(134)와 태양 전지 기준 장치로서의 태양 전지(194)의 특별한 차이는 용량성 소자(134)가 절연층(178)을 포함하는 반면, 태양 전지(194)에는 절연층(178)이 존재하지 않는다는 점이다. 또한, 태양 전지(194)에서의 FiP 효과는 검출기(110)의 초점 주변의 좁은 범위에서만 관찰될 수 있다. 도 5c 내지 5i의 데이터는 50mm 대물 렌즈로 포커싱된 베어 LED(140)에 의해 제공된 660nm 파장의 적색광으로 구했다.
도 5c는 0,36μW의 입사 광빔(132)의 낮은 강도에서도, 제 3 실시예의 용량성 소자(134)에서 상당한 FiP 효과가 관찰될 수 있음을 나타내는 반면, 이와는 대조적으로 CZTS 기반 태양 전지(194)는 동일한 강도에서 상당한 FiP 효과를 나타내지 않았다. 여기서, LED(140)에 인가되는 전류 레벨은 용량성 소자(134) 및 기준 태양 전지(194) 모두와 비교 가능하였다.
도 5d 및 도 5e는 입사 광빔 빔(132)의 강도를 20.6μW로 증가시킴에 따라 FiP 응답이 더 넓어지고, 그에 따라 용량성 소자(134)의 전류 레벨과 기준으로 사용되는 CZTS 기반 태양 전지(194)의 전류 레벨 사이의 차이가 더 넓어진다. 여기서, 375Hz에서의 광전류 I p 응답은 각각 도 5d에서는 절대값으로 제공되고, 도 5e에서는 최대값으로 정규화된다.
도 5f 및 도 5g는 용량성 소자(134)가 1.54mW에서 입사 광빔(132)의 높은 강도에서 매우 낮은 광전류 레벨을 나타낸다는 것을 나타내고, 이것은 아마도 매우 넓은 음의 FiP 때문일 것이다. 동일한 강도 레벨에서, CZTS 기반 태양 전지(194)의 음의 FiP 효과도 또한 상당한 응답을 제공한다. 375Hz에서의 광전류 I p 응답은 각각 도 5f에서는 절대값으로 제공되고, 도 5g에서는 최대값으로 정규화된다.
1.54 mW에서, 입사 광빔(132)의 높은 강도에서 변조된 광전류 I p 의 스펙트럼 응답은 도 5h에서는 절대값으로 제공되고, 또한 도 5i에서는 최대값으로 정규화된다. CZTS 기반의 태양 전지(194)는 ca.10Hz 및 ca.10kHz 사이의 광범위하고 거의 일정한 주파수 응답을 보이는 반면, 용량성 소자(134)는 용량성 동작을 나타내는 1kHz 이상의 명백한 피크를 나타낸다.
도 6a는 용량성 소자(134)의 제 4 예시적인 실시예의 바람직한 예의 단면을, 특히, 종 방향의 광학 센서(114)에 사용하기 위해, 개략적인 방식으로 도시하는 한편, 도 6b 내지 도 6e는 본 이러한 유형의 배열체를 나타내는 용량성 소자(134)에 대하여 획득된 실험 결과를 제공한다.
용량성 소자(134)의 제 4 예시적인 실시예의 도 6a에 따른 예는 유리 기판(172) 상에 배치된 FTO 전극(168)이 제 1 전극(166)으로 작용하는 한편, 제 2 전극(174)은, 60°C의 온도에서 저온 ALD(Atomic Layer Deposition)에 의해 얻어진 대략 90nm 두께의 Al2O3의 절연층(178) 상에 증착되는 금(Au) 전극(176)을 포함한다.
본 명세서에 제시된 다른 실시예와는 달리, 감광층(180)은 약 500nm의 두께의 반도체 흡수체층(196), 특히, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 흡수체층을 포함한다. 결과적으로, 본 실시예의 용량성 소자(134)는 다시 Au 전극(176), 얇은 절연성 Al2O3(ALD) 층(178) 및 비정질 실리콘(a-Si:H)의 감광층(180)을 포함하는 MIS(Metal Insulator Semiconductor) 장치를 구비한다. 특히, 도 6b 내지 도 6e에 도시된 바와 같이, 용량성 소자(134)의 이러한 특정 실시예는 다시 충돌하는 광 스폿의 크기의 변화에 따라, ac 광전류 I p 의 강한 비선형 동작을 나타내고, 그에 따라 FIP 효과의 증거를 제공한다. 도 6b 내지 도 6e의 데이터는 50mm 대물 렌즈를 사용하여 기록되었으며, 이에 따라 LED(140)와 대물 렌즈 사이의 거리가 0.8m로 조정되었다.
도 6b 및 도 6c는 충돌하는 광 스폿의 크기의 변화에 따라 ac 광전류 I p 의 강한 비선형 동작을 표시함으로써, 용량성 소자(134)의 제 4 실시예를 포함하는 검출기(110)의 샘플에서의 FiP 효과의 발생을 나타낸다. 특성화를 위해, LED(140)는 375Hz 변조 주파수에서 660nm의 파장으로 방출되며, 여기서 듀티 사이클은 50%에 이른다. 도 6b는 LED(140)의 전면에 설치한 직경 15mm의 디퓨저 디스크를 적용한 결과를 도시하지만, 도 6c는 디퓨저 디스크를 적용하지 않고, 베어 LED(140)를 사용하여 얻은 대응하는 결과를 나타낸다.
도 6d 및 도 6e는 전술한 50mm 대물 렌즈를 사용하여 얻어진 포커싱 상태(184)와 디포커싱 상태(186) 사이에서 변조 입사 광빔(132)의 변조 주파수의 함수로서 660nm의 파장에서의 광 응답의 차이를 도시한다. 단, 광 스폿은 여전히 센서 영역(130)의 50% 이상인 것으로 가정한다. 도 6d에서 직경이 15mm인 디퓨저 디스크가 사용되었고, 따라서 조명 전력은 4.23μW에 이르며, 도 6e에서는 디퓨저 디스크가 적용되지 않아, 약 459μW의 조명 전력이 발생하였다.
도 7a 및 도 7b는 각각 용량성 소자(134)의 제 5 예시적인 실시예의 바람직한 예의 단면을, 특히, 종 방향의 광학 센서(114)에 사용하기 위해, 개략적인 방식으로 도시하는 한편, 도 7c 내지 도 7i는 본 실시예에 따른 배열을 나타내는 용량성 소자(134)에 대하여 획득된 실험 결과를 제공한다.
여기서, 도 7a에 도시된 바와 같은 용량성 소자(134)의 예는 도 3b에 나타내는 바와 같은 용량성 소자(134)의 예와 마찬가지이다. 따라서, 유리 기판(172) 상에 위치된 ITO 전극(168)은 제 1 전극(166)으로 작용하고, 그 위에 약 200℃의 온도로 ALD(Atomic Layer Deposition)에 의해 얻어진 Al2O3의 얇은 절연층(178)이, 예를 들어, 300회의 증착 주기를 적용하여 증착된다. 또한, 제 2 전극(174)은 약 200nm 두께의 은(Ag) 전극(176)을 포함하고, 전하 캐리어 수송층(182) 상에, 특히, MoO3의 대략 15nm 두께의 전술한 산화 몰리브덴(MoO3)의 정공 수송층 상에 증착된다. 대안적인 가능한 재료에 대하여 도 3b의 설명을 참조할 수 있다.
그러나, 도 3b의 예와 대조적으로, 용량성 소자(134)의 제 5 예시적인 실시예에 따른 감광층(180)은 유기 감광층(198)을 포함한다. 본 명세서에서, 유기 감광층(198)은 바람직하게는 적어도 하나의 전자 공여 재료 및 적어도 하나의 전자 수용 재료를 포함하고, 특히, 도너 및 수용체 도메인의 상호 침투 네트워크(interpenetrating network), 도너 및 수용체 도메인 사이의 계면 영역, 및 도메인을 전극에 연결하는 퍼콜레이션 경로(percolation pathway)로서의 단일층 내에 배열되어, 감광층(180) 내에 벌크 이종 접합을 생성한다.
이 특정 실시예에서, 전자 공여 재료는 유기 공여 중합체를 포함하고, 전자 수용 재료는 풀러렌 기반 전자 수용 재료를 포함한다. 도 7a 및 도 7b 모두에서 사용된 유기 공여 중합체는 P3HT(poly[3-hexylthiophene-2,5.diyl])이고, 풀러렌 기반 전자 수용 재료인 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)이다. 그러나, 상기에 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 용량성 소자(134)에 사용될 수 있는 유기 감광층(198)에는 다른 유형의 전자 공여 재료 및/또는 전자 수용 재료가 또한 사용 가능할 수 있다. 특히, P3HT 50㎎/㎖ 및 PCBM 32㎎/㎖를 클로로 벤젠에 용해시키고, 약 3,000rpm의 스핀 회전 주파수를 적용함으로써 주조하여, 용액 가공된 폴리머, 즉, 절연성 Al2O3(ALD) 층(178)의 상부에 풀러렌 필름을 얻었다.
대안으로서, 도 7b는 용량성 소자(134)의 제 5 예시적인 실시예의 다른 예를 도시하는데, 여기서는, 절연성 Al2O3(ALD) 층(178)을 사용하는 대신, 약 500nm 두께의 PEIE(polyethylenimine ethoxylate)의 필름을 포함하는 두꺼운 층이 적용되었다. 다른 대안으로서, 절연층(178)은 적어도 하나의 투명 유기 유전성 재료를 포함하는 필름, 특히, PEI(polyethylenimine), BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenylphenanthroline), PVA(poly-(vinylalcohol)), PMMA(poly(methylmethacry late)), Alq3(tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum), 또는 TAZ((3-(4-bi-phenylyl)-4-phenyl-5-(4-tert-butylphenyl)-1,2,4-triazole))로부터 선택될 수 있다.
도 7c 및 도 7e는 충돌하는 광 스폿의 크기의 변화에 따라 ac 광전류 I p 의 강한 비선형 동작을 표시함으로써, 용량성 소자(134)의 실시예를 포함하는 검출기(110)의 샘플에서의 FiP 효과의 발생을 나타낸다. 여기서, 각각의 곡선은, 해당 도면에 나타내는 바와 같이, 사전 설정된 전류에 대한 광전류 I p 의 변화를 나타내며, 각각의 사전 설정된 전류는 LED(140)를 작동시키는 데 사용된다. 결과적으로, 낮은 조명 강도일지라도 항상 음의 FiP 응답이 얻어진다. 또한, 도 7d 및 도 7f는 포커싱 상태(184) 및 디포커싱 상태(186)에서 변조 입사 광빔(132)의 변조 주파수의 변화에 따른 ac 광전류 I p 를 표시하고, 여기서, 디포커싱 상태는 LED(140)를 약 12.5㎜ 초점 밖으로(off focus) 이동시킴으로써 얻어진다. 또한, 도 7g는 전류 밀도 j를 나타내는 용량성 소자(134)의 I-V 특성을 도시하며, 이는 dc 전류가 공지된 광다이오드 구성에 비해 적어도 2 차수만큼 억제되기 때문에 누설 전류만이 관찰될 수 있다.
특성화를 위해, 여기에 사용된 LED(140)는 375Hz 변조 주파수에서 530nm의 파장으로 방출된다. 도 7c 및 도 7d는 디퓨저 디스크를 적용하지 않고 베어 LED(140)를 사용하여 얻은 결과를 나타내므로, 165μW의 조명 전력을 제공하고, 도 7e 및 도 7f는 LED(140)의 전면에 설치된 디퓨저 디스크를 적용한 대응 결과를 표시하고, 따라서 조명 전력을 1.26μW로 감소시킨다. 여기에서, 디퓨저 디스크는 더 낮은 조명 전력에서 센서 영역(130)에 더 큰 광 스폿을 형성할 수 있도록 조정되어, 센서 영역(130) 상에 촬상될 때, 조명이 덜 집중되게 된다.
추가의 도 7h 및 도 7i는 입사 광빔(132)에 대해 850㎚의 파장으로 기록된 도 7a에 도시된 바와 같은 용량성 소자(134)의 실시예를 포함하는 검출기(110)의 추가 샘플에 대해, 센서 영역(130)에서 대상체까지의 거리 함수 및 변조 입사 광빔(132)의 변조 주파수의 함수로서의 광전류를 각각 도시한다.
도 8은 도 2a, 도 2b, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 7a 또는 도 7b, 또는 이들의 조합으로 도시된 하나 이상의 실시예에 개시된 용량성 소자(134)를 포함하는 광학 검출기(110)와 같은 적어도 하나의 광학 검출기(110)를 포함하는 검출기 시스템(200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 여기에서, 광학 검출기(110)는, 특히, 디지털 비디오 클립과 같은 이미지 및/또는 이미지 시퀀스를 획득하기 위해 만들어질 수 있는 3D 이미징을 위한 카메라(202)로서 사용될 수 있다. 또한, 도 8는 적어도 하나의 검출기(110) 및/또는 적어도 하나의 검출 시스템(200)을 포함하는 인간-기계 인터페이스(204)의 예시적인 실시예를 나타내고, 또한 인간-기계 인터페이스(204)를 포함하는 엔터테인먼트 장치(206)의 예시적인 실시예를 나타낸다. 도 8는 검출기(110) 및/또는 검출 시스템(200)을 포함하는 적어도 하나의 대상체(112)의 위치를 추적하도록 적응된 추적 시스템(208)의 실시예를 또한 나타낸다.
광학 검출기(110) 및 검출기 시스템(200)에 관하여, 본 명세서의 전체 내용을 참조할 수 있다. 기본적으로, 검출기(110)의 모든 잠재적인 실시예는 도 8에 도시된 실시예에서 또한 구현될 수 있다. 평가 장치는 적어도 2개의 종 방향 광학 센서 각각에, 특히, 신호 리드(154)에 의해 연결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 종 방향 센서 신호를 제공하기 위해 하나 이상의 종 방향 광학 센서(114)가 사용된다. 평가 장치(150)는, 특히, 신호 리드(154)에 의해 적어도 하나의 선택적인 횡 방향 광학 센서(160)에 연결될 수도 있다. 예로서, 신호선(154)은 무선 인터페이스 및/또는 유선 인터페이스일 수 있는 하나 이상의 인터페이스에 제공될 수 있고 및/또는 하나 이상의 인터페이스일 수 있다. 또한, 신호 리드(154)는 센서 신호를 생성하고/생성하거나 센서 신호를 변경하기 위한 하나 이상의 드라이버 및/또는 하나 이상의 측정 장치를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 전송 장치(120)가, 특히, 굴절 렌즈(122) 또는 볼록 거울로서 제공된다. 광학 검출기(110)는, 예를 들어, 하나 이상의 구성 요소를 수용할 수 있는 적어도 하나의 하우징(118)을 더 포함할 수 있다.
또한, 평가 장치(150)는 광학 검출기(110)의 광학 센서 및/또는 다른 구성 요소에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 평가 장치(150)는 또한 하우징(118) 및/또는 별도의 하우징 내에 포함될 수 있다. 평가 장치(150)는 종 방향 평가 유닛(152)("z"로 표시됨) 및 횡 방향 평가 유닛(162)("xy"로 표시됨)에 의해 기호로 표시되는 센서 신호를 평가하기 위해 하나 이상의 전자 장치 및/또는 하나 이상의 소프트웨어 구성 요소를 포함할 수 있다. 이들 평가 유닛에 의해 도출된 결과를 조합함으로써, 위치 정보(164), 바람직하게는 3차원 위치 정보("x, y, z"로 표시됨)가 생성될 수 있다.
적어도 하나의 선택적인 횡 방향 광학 센서(160)는 바람직하게는 도 9의 예시적인 실시예에서 이하에 도시된 바와 같은 구성으로 제공될 수 있다. 그러나, 공지된 PSD, 특히, 예를 들어, WO 2012/110924 A1 또는 WO 2014/097181 A1에 개시된 바와 같은 광검출기 또는, 예를 들어, WO 2016/120392 A1에 개시된 광전도체를 사용하는 것과 같이 다른 구성이 가능할 수도 있다. 그러나, 횡 방향 광학 센서(160)의 다른 구성도 가능할 수 있다.
또한, 광학 검출기(110) 및/또는 검출기 시스템(200)은 다양한 방식으로 구성될 수 있는 촬상 장치(210)를 포함할 수 있다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 촬상 장치는, 예를 들어, 검출기 하우징(118) 내의 검출기(110)의 일부일 수 있다. 여기서, 촬상 장치 신호는 하나 이상의 신호 리드(154)에 의해 검출기(110)의 평가 장치(150)로 송신될 수 있다. 대안적으로, 촬상 장치(210)는 검출기 하우징(118)의 외부에 개별적으로 위치될 수 있다. 촬상 장치(210)는 완전히 또는 부분적으로 투명하거나 불투명할 수 있다. 촬상 장치(210)는 유기 촬상 장치 또는 무기 촬상 장치일 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 촬상 장치(210)는 적어도 하나의 픽셀 행렬을 포함할 수 있으며, 픽셀 행렬은, 특히, CCD 칩 및/또는 CMOS 칩과 같은 무기 반도체 센서 장치, 및 유기 반도체 센서 장치를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
도 8에 도시된 예시적인 실시예에서, 검출될 대상체(112)는, 예를 들어, 스포츠 장비의 용품으로서 설계될 수 있고/있거나, 위치 및/또는 방향이 사용자(214)에 의해 조작될 수 있는 제어 요소(212)를 형성할 수 있다. 따라서, 일반적으로 도 8에 도시된 실시예에서 또는 검출 시스템(200), 인간-기계 인터페이스(204), 엔터테인먼트 장치(206) 또는 추적 시스템(208)의 임의의 다른 실시예에서, 대상체(112) 자체는 명명된 장치의 일부분일 수 있고, 특히, 적어도 하나의 제어 요소(212)를 포함할 수 있으며, 여기서, 적어도 하나의 제어 요소(212)는, 특히, 하나 이상의 비콘 장치(216)를 갖고, 제어 요소(212)의 위치 및/또는 방향은 바람직하게는 사용자(214)에 의해 조작될 수 있다. 예로서, 대상체(112)는 배트, 라켓, 클럽 또는 임의의 다른 스포츠 장비 용품 및/또는 가짜 스포츠 장비(fake sports equipment)이거나 이를 포함할 수 있다. 다른 유형의 대상체(112)가 가능하다. 또한, 사용자(214)는 위치가 검출되어야 하는 대상체(112)로 간주될 수 있다. 예로서, 사용자(214)는 자신의 몸에 직접 또는 간접적으로 부착된 하나 이상의 비콘 장치(216)를 운반할 수 있다.
광학 검출기(110)는 비콘 장치(216) 중 하나 이상의 종 방향 위치 상의 적어도 하나의 항목, 및 선택적으로 그의 횡 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목 및/또는 대상체(112)의 종 방향 위치에 관한 적어도 하나의 다른 정보 항목, 및 선택적으로 대상체(112)의 횡 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 결정하도록 구성될 수 있다. 특히, 광학 검출기(110)는 대상체(112)의 상이한 컬러, 보다 구체적으로는 상이한 컬러를 포함할 수 있는 비콘 장치(216)의 컬러와 같이, 컬러를 식별하고/식별하거나 대상체(112)를 촬상하도록 적응될 수 있다. 바람직하게는 검출기(110)의 광축을 중심으로 하여 위치될 수 있는 하우징 내의 개구는 광학 검출기(110)의 시야 방향을 바람직하게 한정할 수 있다.
광학 검출기(110)는 적어도 하나의 대상체(112)의 위치를 결정하도록 적응될 수 있다. 또한, 광학 검출기(110), 특히, 카메라(202)를 포함하는 실시예는 대상체(112)의 적어도 하나의 이미지, 바람직하게는 3D 이미지를 획득하도록 적응될 수 있다. 상술한 바와 같이, 광학 검출기(110) 및/또는 검출기 시스템(200)을 사용하여, 대상체(112) 및/또는 그의 일부의 위치를 결정하는 것은, 하나의 정보 항목을 기계(218)에 제공하기 위해, 인간-기계 인터페이스(204)를 제공하는 데 사용될 수 있다. 도 8에 개략적으로 도시된 실시예에서, 기계(218)는 데이터 처리 장치(158)를 포함하는 적어도 하나의 컴퓨터 및/또는 컴퓨터 시스템일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 다른 실시예도 가능하다. 평가 장치(150)는 컴퓨터(156)일 수 있고/있거나 컴퓨터(156)를 포함할 수 있고/있거나 별도의 데이터 처리 장치(158)로서 전체적으로 또는 부분적으로 구현될 수도 있고/있거나 기계(218), 특히, 컴퓨터에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수도 있다. 평가 장치(150) 및/또는 기계(218)의 일부를 전체적으로 또는 부분적으로 형성할 수 있는 추적 시스템(208)의 추적 제어기(220)에 대해서도 마찬가지이다.
유사하게, 전술한 바와 같이, 인간-기계 인터페이스(204)는 엔터테인먼트 장치(206)의 일부를 형성할 수 있다. 따라서, 사용자(214)가 대상체(112)로서 기능하고/기능하거나 사용자(214)가 대상체(112) 및/또는 대상체(112)로서 기능하는 제어 요소(212)를 핸들링하는 것에 의해, 사용자(214)는 적어도 하나의 제어 명령과 같은 적어도 하나의 정보 항목을 기계(218), 특히, 별도의 데이터 처리 장치(158)에 입력할 수 있고, 그로 인해 컴퓨터 게임의 과정을 제어하는 것과 같은 엔터테인먼트 기능을 변화시킬 수 있다.
도 9는 용량성 소자(134)의 제 6 예시적인 실시예의 바람직한 예의 단면을, 특히, 횡 방향의 광학 센서(160)에 사용하기 위해, 개략적인 방식으로 도시하는 한편, 도 9b 및 도 9c는 본 실시예에 따른 배열을 나타내는 용량성 소자(134)에 대하여 획득된 실험 결과를 제공한다.
여기서, 도 9a에 도시된 바와 같은 용량성 소자(134)의 예는 도 3a에 나타내는 바와 같은 용량성 소자(134)의 예와 마찬가지이다. 따라서, 유리 기판(172) 상에 위치된 ITO 전극(168)은 제 1 전극(166)으로 작용하고, 그 위에 ALD(Atomic Layer Deposition)에 의해 얻어진 Al2O3의 얇은 절연층(178)이 증착된다. 또한, 용량성 소자(134)는 감광층(180)으로서 작용하는 나노입자형 황화 납(np-PbS)의 층을 포함한다. 제 1 전극(166), 유리 기판(172), 절연층(178) 및 감광층(180)에 대한 추가 세부 사항 및 대체 가능한 재료에 대해서는, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 7a 및 도 7b의 설명을 참조할 수 있다.
그러나, 도 3b의 예와는 달리, 전기 전도도가 높은 금속층(176) 대신에, 용량성 소자(134)의 제 6 예시적인 실시예는 제 2 전극(174)으로서 여기에 사용되는 전기 전도도가 낮은 전극층(222)을 갖는다. 특히, 전극층(222)은 시트 저항이 100Ω/sq 내지 20,000Ω/sq, 바람직하게는 100Ω/sq 내지 10,000Ω/sq, 보다 바람직하게는 125Ω/sq 내지 1,000Ω/sq, 구체적으로는 150Ω/sq ~ 500Ω/sq의 값을 나타낼 수 있으므로, 감광층(180) 내에서 실제로 생성된 전하의 위치를 결정하고 입사 광빔이 센서 영역(130)에 충돌한 위치를 결정하게 할 수 있다. 시트 저항이 표시된 범위 내에 있기 때문에, 제 2 전극(174)이 적어도 하나의 분할 전극(224)을 더 구비할 수 있는 용량성 소자(134)는 횡 방향 검출기(160)로서 작용할 수 있다. 결과적으로, 도 9a에 도시된 바와 같은 용량성 소자(134)는 공지된 PSD(Position-Sensitive Device)에서와 마찬가지의 접근법을 사용함으로써 충돌하는 광빔(132)의 위치에 대한 면내 감도(in-plane sensitivity)를 나타낸다. 이 특징은 절연층(178)을 통해 교류 전류를 유도할 수 있는 변조된 광을 사용하여 이러한 목적을 달성하기 위해 사용할 수 있다.
바람직하게는, 전기 전도성이 낮은 전극층(222)은 이러한 목적에 적합한 투명 전기 전도성 유기 폴리머의 층을 포함할 수 있다. 특히, PEDOT(poly(3,4-ethylene-dioxythio-phene)) 또는 PEDOT:PSS의 분산액이 투명 전기 전도성 폴리머로서 선택될 수 있다. 다른 한편으로, 제 1 기판(166)은 이미 적어도 부분적으로 투명하기 때문에, 광학적으로 불투명한 재료를 포함하는 더 많은 다양한 다른 재료가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
도 9b는 이 목적을 위해 도 9a에 개략적으로 도시된 횡 방향 광학 센서(160)의 적용 가능성을 설명하는 실험 결과를 도시한다. 여기에서, 감광층(180)으로서 나노입자형 황화 납(np-PbS) 층을 포함하는 횡 방향 광학 센서(160)는 5V의 인가 전압에서 1mW의 전력으로 850㎚의 파장을 방출하도록 적응된 근적외선(NIR) 레이저 다이오드에 의해 조명되었다. 또한, NIR 레이저 다이오드에 대해 375Hz의 변조 주파수가 사용되었다. 여기서, 레이저 다이오드와 센서 영역(130) 사이의 거리는 20cm였다.
도 9b는 횡 방향 광학 센서(160)의 센서 영역(130)을 x 방향 및 y 방향으로 개략적으로 도시한다. 여기에서, 본 발명에 따른 검출기(110)의 평가 장치(150)를 적용하여 결정된 다수의 측정 포인트 위치(226)를, 횡 방향 광학 센서(160)의 알려진 구성 사용 시의 기하학적 고려 사항을 채택하는 것과 같은 다른 유형의 방법으로 이용할 수 있는 실제 위치(228)와 비교하였다.
횡 방향 광학 센서(160)의 적용에 의해 측정 포인트의 위치(226)를 결정하기 위해, 이하의 절차가 사용될 수 있다. 예를 들어(여기에 설명하지 않음), 분할 전극(224)이 적용될 수 있다. 특히, 분할 전극(224)은 부분 전극, 예를 들어, 제 2 전극(174)의 4개의 림의 상부에 위치될 수 있는 4개의 부분 전극을 포함할 수 있으며, 여기서, 제 2 전극(174)은 정사각형 또는 직사각형 형태로 사용될 수 있다. 그러나 다른 유형의 배열도 가능할 수 있다.
여기서, 감광층(180)에 전하를 생성함으로써, ac 전극 전류가 얻어질 수 있고, 각 경우에, i1 내지 i4로 표시될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 전극 전류(i1, i2)는 y 방향으로 위치하는 부분 전극을 흐르는 ac 전극 전류를 나타내고, 전극 전류(i3, i4)는 x 방향으로 위치하는 부분 전극을 흐르는 ac 전극 전류를 나타낼 수 있다. 전극 전류는 하나 이상의 적절한 전극 측정 장치에 의해 동시에 또는 순차 방식으로 측정될 수 있다. 전극 전류를 평가함으로써, 조사중인 측정 포인트의 위치(226)의 소정 x 및 y 좌표, 즉, x 0 과 y 0 이 결정될 수 있다. 따라서, 다음 방정식을 사용할 수 있다.
Figure pct00001
및
Figure pct00002
여기서, f는 전류의 몫과 알려진 스트레치 인자 및/또는 오프셋 추가의 단순 곱셈과 같은 임의의 공지된 함수일 수 있다. 따라서, 일반적으로, 전극 전류(i1~i4)는 횡 방향 광학 센서(114)에 의해 생성된 횡 방향 센서 신호를 제공할 수 있는 반면, 평가 장치(140)는 사전 결정되거나 결정 가능한 변환 알고리즘 및/또는 알려진 관계를 사용하여 횡 방향 센서 신호를 전송함으로써, 적어도 하나의 x 좌표 및/또는 적어도 하나의 y 좌표와 같은 횡 방향 위치 상에 정보를 생성하도록 적응될 수 있다.
도 9b에 도시된 바와 같은 결과는 거기에 제시된 측정 포인트의 수에 대해, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 횡 방향 광학 센서(160)의 적용에 의해 결정된 위치(226)가 다른 종류의 방법으로 기록된 실제 위치(228)와 합리적으로 비교된다는 것을 나타낸다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 횡 방향 광학 센서(160)는 z 위치를 결정하기 위해 추가적으로 적응될 수 있는 종 방향 광학 센서(114)로서 동시에 사용될 수 있다. 이를 위해, y 방향에 위치된 부분 전극을 흐르는 전극 전류(i1, i2)와 x 방향에 위치된 부분 전극을 흐르는 전극 전류(i3, i4)의 합은 바람직한 실시예에서, 사용될 수 있고, 전극 전류는 z 좌표를 결정하기 위해, 하나 이상의 적절한 전극 측정 장치에 의해 동시에 또는 순차적인 방식으로 측정될 수 있다. 이들 전극 전류를 평가함으로써, 조사 중인 측정 포인트의 위치(226)의 원하는 z 좌표, 즉, z 0 은 다음 식을 사용하여 결정될 수 있다.
Figure pct00003
원하는 z 좌표를 얻기 위해 전극 전류를 평가하는 것과 관련하여 더 상세한 내용은 WO 2012/110924 A1 또는 WO 2014/097181 A1을 참조할 수 있다.
도 9c는 센서 영역(130)의 중심(230)을 덮는 도 9b의 일부분을 도시한다. 결과적으로, 도 9c는 다른 방법으로 결정된 측정 포인트 위치(226)와 실제 위치(228) 사이의 우수한 상관 관계가, 특히, 센서 영역(130)의 중심(230) 내에서 관찰될 수 있음을 보여 준다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 관찰할 수 있는 센서 영역(130)의 가장자리(232)에 대한 편차는 이러한 유형의 장치에 대해 예상대로 작동하고, 적절한 보정 알고리즘에 의해 개선될 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 용량성 소자(134)의 제 7 예시적인 실시예의 바람직한 예의 단면을 도시하고, 여기서, 용량성 소자(134)의 감광층(180)은 적어도 하나의 유기 감광층(198)이거나 또는 이를 포함하고, 유기 감광층(198) 내의 공여 재료 및 수용 재료는 각각 공여 재료 및 수용 재료 중 어느 하나를 포함하는 적어도 2개의 개별층의 형태로 배열된다.
도 10a 및 도 10b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 다시 용량성 소자(134)는 제 1 전극(166)으로서의 TCO(Transparent Conductive Oxide)(168)의 층, 및 제 2 전극(174)으로서의 금속 전극(174)을 포함하고, 양 전극 사이에 절연층(178)과 감광층(180)이 제공된다. 편의상, 절연층(178)은 전도성 코팅을 포함하고, 제 1 전극(166)으로 적합한 기판 상에 직접 증착될 수 있다. 그러나, 제 7 예시적인 실시예의 이러한 특정예에 따르면, 특히, 도 7a 및 도 7b의 실시예와는 대조적으로, 공여 재료층(234) 및 수용 재료층(236)을 서로의 상부에 적층한 2개의 개별 층으로 배열한다. 도 10a 및 도 10b의 특정 실시예에서, 공여 재료층(234) 및 수용 재료층(236)은 상이한 종류의 재료로 인해 이종 접합을 형성하는 접합부(190)에 의해 분리된다. 따라서, 일 유형의 전하 캐리어의 효율적인 추출을 유지하면서 용량성 소자(134)를 제공하기 위해 적응되는 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같은 2개의 상이한 유형의 적층 스택이 실현 가능하다.
도 10a 및 도 10b의 예를 비교하면, 두 예는 전극의 구성, 특히, 제 2 전극(174)에 관하여 공여 재료층(234) 및 수용 재료층(236) 각각의 배열에 따라 다르다는 것을 알 수 있다. 도 10a의 예에서, 수용 재료층(236)은 전하 캐리어 추출층(182)에 의해서만 분리된 제 2 전극(174)에 인접하게 배치되지만, 도 10b의 예에서는 공여 재료층(234)이, 다시, 전하 캐리어 추출층(182)에 의해서만 분리된 제 2 전극(174)에 인접하게 배치된다. 따라서, 인접하는 전하 캐리어 재료에 의해 제공되는 대응하는 전하를 추출 및 수송하도록 하기 위해, 도 10a의 예에서, 전하 캐리어 추출층(182)은 전자 추출층(238)으로서 적응되고, 도 10b의 예에서, 전하 캐리어 추출층(182)은 결과적으로 정공 추출층(240)으로서 적응된다.
도 10c는 도 10b에 도시된 실시예에 기초한 추가의 예를 도시한다. 여기서, 동일한 유형의 층이 도 10b에 도시된 것과 동일 유형의 배열로 사용되지만, 공여 재료층(234)과 수용 재료층(236)은 단일 감광층(180)에 포함되며, 도 7a 및 도 7b의 실시예와 마찬가지로, 벌크 이종 접합이 이러한 유형의 감광층(180) 내에서 발생된다. 또한, 그 기능을 증가시키기 위해 용량성 소자(134)에 추가의 층이 도입된다. 특히, 추가의 n-도핑된 수용체층(242)과 추가의 전자 추출층(238)은 절연층(178)과 수용 재료층(236) 사이에 도입되는 반면, 추가의 p-도펀트층(246)에 의해 도펀트가 제공되는 p 도핑 추출층(244)이 정공 추출층(240)과 제 2 전극(174) 사이에 도입된다. 추가로 n-도핑된 수용체층(242)을 도입하거나, 용량성 소자의 특정 배열에 따라, 선택적으로 추가의 p-도핑 수용체층을 도입하는 것은, 특히, 입사 광빔(132)의 위상 및 제 2 전극(174)에서 반사되고 있는 광빔의 위상 매칭을 향상시키기 위해, ITO층(168)으로부터 상기 반사하는 제 2 전극(174)까지의 거리를 조정하는 데 사용될 수 있고, 그에 따라, 유기 감광층(198) 내의 조명 전력과 관련하여 용량층(capacitive layer)(134)의 성능을 최적화할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 10c의 예시적인 용량성 소자(134) 내에 언급된 층들은, 도 10c에 도시된 바와 같이, 용량성 소자(134)의 하부로부터 시작하여 상부를 향하는 순서로, 바람직하게는 각각 다음과 같은 재료를 포함하여 각각의 층을 형성한다.
- 상술한 바와 같이, 제 1 전극(166)으로서 ITO(Indium-doped Tin Oxide)의 층과,
- 전술한 바와 같이, 절연층(178)으로서, 바람직하게는 대략 200℃에서, ALD에 의해 처리되어, 특히, ca. 70㎚의 바람직한 두께로 형성된 Al2O3 층과,
- n-도핑된 수용체층(242)으로서, 바람직하게는 대략 140℃에서, 특히, NDN-26 약 10%로 n-도펀트 처리되어, ca. 15㎚의 바람직한 두께로 형성된 n-C60 층(즉, n-도핑된 버크민스터 풀러렌층)과,
- 전자 추출층(238)으로서, 바람직하게는 대략 400℃에서 처리되어 ca. 10㎚의 바람직한 두께로 형성된 C60 층(즉, 도핑되지 않은 버크민스터 풀러렌층)과,
- 공여 재료층(234) 및 수용 재료층(236)을 벌크 이종 접합을 나타내는 단일층으로 통합하는 단일 감광층(180)으로서, 바람직하게는 대략 335℃로 처리되고, 온도가 110℃인 기판 상에 증착되어, ca. 70㎚의 바람직한 두께로 형성된 F4ZnPc:C60 층(즉, F4ZnPc(1:1 혼합 불화 아연 프탈로시아닌 유도체)와 버크민스터 풀러렌을 포함하는 층)과,
- 정공 추출층(240)으로서, 바람직하게는 ca. 10㎚의 두께로 형성된 도핑되지 않은 BPAPF(9,9-bis[4-(N,N-bis-biphenyl-4-yl-amino)phenyl]-9H-fluorene) 층과,
- p-도핑된 추출층(244)으로서, 바람직하게는 대략 140℃로 처리되어 ca. 30-40㎚의 바람직한 두께로 형성된 p-BPAPF(즉, p-도핑된 BPAPF), 및
- 추가의 p-도펀트층(246)으로서, 1 ~ 2㎚의 바람직한 두께로 형성된 NDP-9와
- 전술한 바와 같이, 제 2 전극(174)으로서, 은(Ag) 층을 포함할 수 있다.
그러나, 용량성 소자의 각 층에 적합한 다른 유형의 재료로도 또한 가능할 수 있다. 이로써, 특히, 본 명세서에 설명된 다른 실시예에 대한 참조가 이루어질 수 있다.
또한, DiNPB(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(4'-(N,N-bis(naphth-1-yl)-amino)-biphenyl-4-yl)-benzidine)는 정공 추출층(240) 내의 BPAPE의 대안으로 사용될 수 있다. 마찬가지로, BPhen(Bathophenantroline)은 도 10a의 예에 기초할 수 있는 유사한 배열 내의 전자 추출층(238)으로서 사용될 수 있다.
또한, "NDN" 및 "NDP"이라는 용어는 Novaled GmbH에 의해 제공되는 n측 또는 d측 도펀트를 각각 지칭한다. 따라서, NDN-26 및 NDP-9는 특정 n측 또는 d측 도펀트를 지칭한다. 그러나, 다른 유형의 n-도펀트 또는 p-도펀트가 각각 가능할 수도 있다.
110 검출기
112 대상체
114 종 방향 광학 센서
116 광축
118 하우징
120 전송 장치
122 굴절 렌즈
124 개구
126 시야 방향
128 좌표계
130 센서 영역
132 변조 광빔
134 용량성 소자
136 조명원
138 인공 조명원
140 발광 다이오드
142 변조 조명원
144 변조 장치
146 제 1 빔 경로
148 제 2 빔 경로
150 평가 장치
152 종 방향 평가 유닛
154 신호 리드
156 컴퓨터
158 데이터 처리 장치
160 횡 방향 광학 센서
162 횡 방향 평가 유닛
164 위치 정보
166 제 1 전극
168 투명 전도성 산화물
170 광학적으로 투명한 기판
172 유리 기판
174 제 2 전극
176 금속 전극
178 절연층
180 감광층
182 전하 캐리어 수송층 또는 전하 캐리어 추출층
184 포커싱 상태
186 디포커싱 상태
188, 188' 개별 광전도층
190 접합부
192 금속-절연체-반도체 장치
194 태양 전지(기준 장치)
196 반도체 흡수체층
198 유기 감광층
200 검출 시스템
202 카메라
204 인간-기계 인터페이스
206 엔터테인먼트 장치
208 추적 시스템
210 촬상 장치
212 제어 요소
214 사용자
216 비콘 장치
218 기계
220 추적 제어기
222 전극층
224 분할 전극
226 측정 포인트 위치
228 실제 위치
230 중심
232 가장자리
234 공여 재료층
236 수용 재료층
238 전자 추출층
240 정공 추출층
242 n-도핑된 수용체층
244 p-도핑된 정공 추출층
246 p-도펀트층

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 대상체(112)를 광학적으로 검출하기 위한 검출기(110)로서,
    적어도 하나의 센서 영역(130)을 구비하며, 변조 입사 광빔(132)에 의한 상기 센서 영역(130)의 조명에 의존하는 방식으로 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계된 적어도 하나의 광학 센서 － 상기 센서 신호는 상기 광빔(132)의 변조 주파수에 의존하며, 상기 센서 영역(130)은 적어도 두 개의 전극(166, 174)을 포함하는 적어도 하나의 용량성 소자(134)를 포함하고, 상기 전극(166, 174) 사이에는 적어도 하나의 절연층(178) 및 적어도 하나의 감광층(180)이 매립되며, 상기 전극(166, 174) 중 적어도 하나는 상기 광빔(132)에 대해 적어도 일부가 광학적으로 투명함 － 와,
    상기 센서 신호를 평가함으로써 상기 대상체(122)의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계된 적어도 하나의 평가 장치(150)를 포함하는
    검출기(110).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 센서는,
    적어도 하나의 종 방향 센서 신호를 생성하도록 설계되는 적어도 하나의 종 방향 광학 센서(114) ― 상기 종 방향 센서 신호는, 조명의 총 전력이 동일하면, 상기 센서 영역(130) 내에서 상기 광빔(132)의 빔 단면에 또한 의존하며, 상기 평가 장치(150)는, 상기 종 방향 센서 신호를 평가함으로써 상기 대상체(112)의 종 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계됨 ―, 또는
    적어도 하나의 횡 방향 광학 센서(160) ― 상기 전극(166, 174) 중 하나는 상기 입사 광빔(132)이 상기 센서 영역(130)에 충돌하는 위치를 결정하도록 지정된 전기 전도도가 낮은 전극층(222)이고, 상기 횡 방향 광학 센서(160)는 상기 입사 광빔(132)이 상기 센서 영역(130)에 충돌하는 위치에 의존하는 적어도 하나의 횡 방향 센서 신호를 생성하도록 설계되며, 상기 평가 장치(150)는 상기 횡 방향 센서 신호를 평가함으로써 상기 대상체(112)의 횡 방향 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계됨 ― 로부터 선택되는,
    검출기(110).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 절연층(178)은 절연 재료 또는 전기 절연 구성 요소를 포함하는,
    검출기(110).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연 재료는, 적어도 하나의 투명 절연성 금속 함유 화합물을 포함하되, 상기 금속 함유 화합물은 Al, Ti, Ta, Mn, Mo, Zr, Hf, La, Y 및 W로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하고, 상기 적어도 하나의 금속 함유 화합물은 산화물, 수산화물, 칼코겐화물, 프닉타이드(pnictide), 탄화물 또는 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는,
    검출기(110).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연 재료는 원자층 증착(atomic layer deposition)에 의해 얻을 수 있는,
    검출기(110).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감광층(180)은,
    적어도 하나의 광전도성 재료를 나노입자 형태로 포함하는 적어도 하나의 층과,
    적어도 하나의 광전도성 재료를 포함하고, 적어도 하나의 경계를 갖는 인접한 층으로서 제공되는 적어도 2개의 개별 광전도층(188, 188') ― 상기 광전도층은 인접한 층 사이의 경계에서 접합부(190)를 생성하도록 구성됨 ― 과,
    적어도 하나의 반도체 흡수체층(196)과,
    적어도 하나의 전자 공여 재료 및 적어도 하나의 전자 수용 재료를 포함하는 적어도 하나의 유기 감광층(198)
    중 하나 이상으로서 제공되는,
    검출기(110).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광전도성 재료는, IV족 원소, IV족 화합물, III-V족 화합물, II-VI족 화합물, 및 칼코겐화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 무기 광전도성 재료인,
    검출기(110).
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 반도체 흡수체층(196)은 c-Si(crystalline silicon), μc-Si(microcrystalline silicon), μc-Si:H(hydrogenated microcrystalline silicon), a-Si(amorphous silicon), a-Si:H(hydrogenated amorphous silicon), a-SiC(amorphous silicon carbon alloy), a-SiC:H(hydrogenated amorphous silicon carbon alloy), a-GeSi(germanium silicon alloy) 또는 a-GeSi:H(hydrogenated amorphous germanium silicon alloy) 중 하나 이상을 포함하는,
    검출기(110).
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 유기 감광층(198)은 상기 공여 재료를 포함하는 개별 공여 재료층(234) 및 상기 수용 재료를 포함하는 개별 수용 재료층(236)을 포함하거나, 또는 유기 감광층(198) 내에서 상기 공여 재료 및 상기 수용 재료는 상기 공여 재료 및 상기 수용 재료를 포함하는 단일 층으로서 배열되는,
    검출기(110).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공여 재료는, 프탈로시아닌 유도체(phthalocyanine derivative), 올리고티오펜(oligothiophene), 올리고티오펜 유도체(oligothiophene derivative), BODIPY(4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene) 유도체, aza-BODIPY 유도체, 스쿠아레인 유도체(squaraine derivative), 디케토피롤로피롤 유도체(diketopyrrolopyrrol derivative) 또는 벤조디티오펜 유도체(benzdithiophene derivative)를 포함하는 유기 소분자로부터 선택되고, 상기 수용 재료는 C60, C70 또는 페릴렌 유도체(perylene derivative) 중에서 선택되는,
    검출기(110).
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자 공여 재료는 유기 공여 중합체를 포함하고, 상기 전자 수용 재료는 풀러렌 기반 전자 수용 재료(fullerene-based electron acceptor material)를 포함하며,
    상기 유기 공여 중합체는,
    P3HT(poly[3-hexylthiophene-2,5.diyl]),
    POPT(poly[3-(4-n-octyl)-phenylthiophene]),
    PTZV-PT(poly[3-10-n-octyl-3-phenothiazine-vinylenethiophene-co-2,5-thiophene]),
    PTB7(poly[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophe ne-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]),
    PBT-T1(poly[thiophene-2,5-diyl-alt-[5,6-bis(dodecyloxy)benzo[c][1,2, 5]thiadiazole]-4,7-diyl]),
    PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′] dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)]),
    PDDTT(poly[5,7-bis(4-decanyl-2-thienyl)-thieno(3,4-b)diathiazolethi ophene-2,5]),
    PCDTBT(poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)]), 또는
    PSBTBT(poly[(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b;2',3'-d]silole)-2,6 -diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]),
    PPHT(poly[3-phenyl hydrazone thiophene]),
    MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]),
    M3EH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene-1,2-etheny lene-2,5-dimethoxy-1,4-phenylene-1,2-ethenylene]),
    MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene vinylene]),
    PFB(poly[9,9-di-octylfluorene-co-bis-N,N-4-butylphenyl-bis-N,N-phenyl -1,4-phenylenediamine]),
    또는 이들의 유도체, 변형체 또는 혼합물
    중 하나 이상으로부터 선택되고,
    상기 풀러렌 기반 전자 수용 재료는,
    PC60BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester),
    PC70BM([6,6]-Phenyl-C71-butyric acid methyl ester),
    PC84BM([6,6]-Phenyl-C84-butyric acid methyl ester),
    ICBA(indene-C60 bisadduct),
    또는 이들의 유도체, 변형체 또는 혼합물
    중 하나 이상으로부터 선택되는,
    검출기(110).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용량성 소자(134)는 적어도 하나의 전하 캐리어 수송층(182)을 더 포함하고, 상기 전하 캐리어 수송층(182)은 상기 감광층(180)과 상기 전극(166, 174) 중 한 전극 사이에 배치되는,
    검출기(110).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기는 조명을 변조하기 위한 적어도 하나의 변조 장치(144)를 더 포함하는,
    검출기(110).
  14. 사용자(214)와 기계(218) 사이에서 적어도 하나의 정보 항목을 교환하기 위한 인간-기계 인터페이스(204)로서,
    상기 인간-기계 인터페이스(204)는 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 검출기(110)를 포함하고, 상기 인간-기계 인터페이스(204)는 상기 검출기(110)에 의해 상기 사용자(214)의 적어도 하나의 기하학적 정보 항목을 생성하도록 설계되며, 상기 인간-기계 인터페이스(204)는 적어도 하나의 정보 항목을 기하학적 정보에 할당하도록 설계되는,
    인간-기계 인터페이스.
  15. 적어도 하나의 엔터테인먼트 기능을 수행하기 위한 엔터테인먼트 장치(206)로서,
    제 14 항에 따른 적어도 하나의 인간-기계 인터페이스(204)를 포함하며,
    상기 인간-기계 인터페이스(204)를 수단으로 하여 플레이어에 의해 적어도 하나의 정보 항목이 입력될 수 있도록 설계되고,
    상기 정보에 따라 상기 엔터테인먼트 기능을 변경시키도록 설계되는
    엔터테인먼트 장치(150).
  16. 적어도 하나의 이동 가능한 대상체(112)의 위치를 추적하기 위한 추적 시스템(208)으로서,
    제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 검출기(110)를 포함하며,
    적어도 하나의 추적 제어기(220)를 더 포함하되, 상기 추적 제어기(220)는 상기 대상체(112)의 일련의 위치를 추적하도록 구성되고, 각 위치는 특정 시점에서 상기 대상체(112)의 적어도 하나의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 포함하는,
    추적 시스템(208).
  17. 적어도 하나의 대상체(112)의 적어도 하나의 위치를 결정하는 스캐닝 시스템으로서,
    제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 검출기(110)를 포함하고,
    적어도 하나의 대상체(112)의 적어도 하나의 표면에 위치한 적어도 하나의 도트의 조명을 위해 구성된 적어도 하나의 광빔(132)을 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 조명원(136)을 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 검출기(110)를 사용하여 상기 적어도 하나의 도트와 상기 스캐닝 시스템 사이의 거리에 대한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계되는
    스캐닝 시스템.
  18. 적어도 하나의 대상체(112)를 촬상하기 위한 카메라(202)로서,
    제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 검출기(110)를 포함하는
    카메라(202).
  19. 적어도 하나의 대상체(112)의 광학 검출을 위한 방법으로서,
    센서 영역(130)을 갖는 적어도 하나의 광학 센서를 사용하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하는 단계 ― 상기 센서 신호는 변조 입사 광빔(132)에 의한 상기 광학 센서의 상기 센서 영역(130)의 조명에 의존하고, 상기 센서 신호는 또한 상기 광빔(132)의 변조 주파수에 의존하며, 상기 센서 영역(130)은 적어도 하나의 용량성 소자(134)를 포함하고, 상기 용량성 소자(134)는 적어도 두 개의 전극(166, 174)을 포함하고, 상기 전극(166, 174) 사이에는 적어도 하나의 절연층(178) 및 적어도 하나의 감광층(180)이 매립되며, 상기 전극(166, 174) 중 적어도 하나는 상기 광빔(132)에 대해 적어도 일부가 광학적으로 투명함 ― 와,
    상기 센서 신호로부터 상기 대상체(112)의 위치에 대한 정보 항목을 결정함으로써 상기 광학 센서의 상기 센서 신호를 평가하는 단계를 포함하는,
    방법.
  20. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 검출기(110)의 용도로서,
    사용 목적에 따라, 특히 교통 기술에서의 거리 측정, 특히 교통 기술에서의 위치 측정, 엔터테인먼트 애플리케이션, 보안 애플리케이션, 인간-기계 인터페이스 애플리케이션, 추적 애플리케이션, 물류 애플리케이션, 머신 비전 애플리케이션, 안전 애플리케이션, 감시 애플리케이션, 데이터 수집 애플리케이션, 스캐닝 애플리케이션, 포토그래피 애플리케이션, 촬상 애플리케이션 또는 카메라 애플리케이션, 및 적어도 하나의 공간의 맵을 생성하는 매핑 애플리케이션으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    검출기(110)의 용도.
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