JP5498399B2 - 色検出器 - Google Patents

Description

背景
分光測定法は、可視スペクトル、近紫外線スペクトル、近赤外線スペクトルの電磁波の研究である。分光光度計は、強度、色、及び／又は波長を含む光の様々な特性を測定するように構成された光測定デバイスである。分光光度計は、広い使用範囲を有する。例えば、それらは、テレビ受像器、プロジェクタ、モニタ、ビデオカメラのファインダーのようなディスプレイ装置での色を検出するために使用され得る。代案として、分光光度計は、印刷された色を較正するために印刷装置で使用され得る。

一般に、色検出器として使用される場合、分光光度計は、光源、フォトダイオードのような集光器、及びフィルタを含むことができる。一例において、光は、対象物の方へ投射される。対象物は光を反射し、フォトダイオードがその反射された光を受光する。光は、その色が検出され得るようにフォトダイオードにより受光される前にフィルタを通過してもよい。特に、フィルタは、波長の特定範囲を有する光のみが通過できるように構成される。通過する光は、フォトダイオードにおいて電流を生じる。この電流は、特定の色の光が存在することを示す。フォトダイオード及びフィルタのアレイにより、分光光度計がより詳細な情報を受け取ることが可能になる。例えば、異なる波長で光を濾波するように同調／設計されたフィルタをそれぞれ有する２０個のフォトダイオードのアレイは、より少ない数のフォトダイオードを有するシステムに比べて、より多くの色を区別することができる。

多くの技術分野において有用であるが、分光光度計は幾つかの問題を有する。例えば、フィルタは２つの金属膜を含むことができる。しかしながら、金属膜は、空気にさらされた後に酸化し始める可能性がある。金属膜の酸化は、劣化するにつれてフィルタの性能を変化させる金属コーティング（金属被覆）からの正味の内部反射を低減する。反射率の劣化の主な影響は、フィルタの所与の透過ピークに対するフィルタの帯域幅を広くすることである。これは、フィルタが波長において互いに更に部分的に重なっている場合にフィルタアレイの色の識別を低減する。シリコンベースのフォトダイオードシステムに対する別の問題は、特定の波長の光が検出することが困難なことである。これは特に、色スペクトルの青色領域に当てはまる。これを補償するために、幾つかの分光光度計は、増幅器でもって電気的にこれらの色を増幅して、より容易に検出可能にするが、当該増幅器は、センサにより受け取られたノイズも増幅する。増大したノイズは、集光器による不正確な測定値をまねく可能性がある。

従って、改善されたフィルタを有する、及び／又はノイズを増幅せずに色の増幅を可能にする分光光度計または色検出器が必要とされている。

例示的な色検出器の垂直断面図である。 例示的なフォトダイオード上に配置された例示的なフィルタの垂直断面図である。 フォトダイオード上に配置されたフィルタの層を示す拡大垂直断面図である。

詳細な説明
色検出器は、光源、フォトダイオード、及び光源とフォトダイオードとの間に配置されたフィルタを含む。フィルタは、特定の波長のスペクトルを有する光のみがフォトダイオードへと通過することを可能にするように同調される。光がフォトダイオードに到達すると、フォトダイオードは電流を出力する。その電流は、特定の波長のスペクトルにおける色の存在を示す。複数の色検出器は、検出器の出力を直接的に読み出すことにより複数の色の存在を示すためにアレイに構成され得るか、又は代案として、アレイに構成された複数の色検出器の出力が、適切な色変換アルゴリズムと協働して使用されて、入力の色を求めることができる。フィルタは、銀のような反射金属で覆われた一対の部分反射層を含むことができる。金属の酸化または金属の環境との反応を防止するために、反射層は、窒化アルミニウムのような保護層で覆われ得る。色検出器は更に、一般に高低の屈折率の材料の組み合わせを有する色増強層を含み、それにより対象となる波長領域の透過が最大にされる。高低の屈折率の材料の組み合わせに関する厚みの選択は、最大化の波長領域をもたらす。最後に、色検出器は、所与のスペクトル帯を網羅するように同調／設計された色検出器の所与のアレイにわたってフィルタのピーク透過を平坦化または均等化する傾向があるキャッピング層を含むことができる。従って、本明細書で提供される色検出器により、フィルタに関して、普通は酸化または劣化する金属を部分反射層に使用することを可能にし、並びに特定の波長のスペクトルの検出される光を最大化することが可能になる。

１つの例示的な手法において、色検出器は、ページに印刷された色を較正するためにプリンタと共に使用され得る。特に、色検出器はページの色を検出することができ、プリンタは、様々な色の用紙に異なる量のインクを吐出するように構成され得る。例えば、黄色のインクが所望されるが、そのページが青色である場合、黄色のインクは、そのページ上で意図された黄色を生じないであろう。従って、色検出器は、ページの色を検出し、所望の色がそのページ上に現れるようにインクを吐出するためにプリンタを設定する。

図１を参照すると、光源１２、光源１２と光学的に連絡するフォトダイオード１４、及びフォトダイオード１４の表面に一体的に作成されたフィルタ１６を有する例示的な色検出器１０が提供される。較正の用途の例において、光源１２は光を試料１８上に投射する。光源１２は例えば、発光ダイオードとすることができるが、他の光源１２も本発明の範囲内にある。試料１８は例えば、一枚の用紙とすることができるが、他の試料１８も本発明の範囲内にある。試料１８上に投射された光は、試料１８によりフォトダイオード１４上へ反射される。しかしながら、１つの例示的な手法において、フォトダイオード１４に到達する前に、光はフィルタ１６を通過する。フィルタ１６はファブリペローエタロン又は当該技術において知られている任意の他のフィルタ１６とすることができる。１つの例示的な手法において、フィルタ１６は、以下でより詳細に説明されるように、特定の波長のスペクトルを有する光のみがフォトダイオード１４へと通過できるように同調され得る。フォトダイオード１４により受光されるやいなや、フォトダイオード１４は電流を出力する。電流の存在は、特定の波長のスペクトルにおける色を表す。

複数のフィルタ１６が色検出器１０で使用されることができ、各フィルタ１６は、一意の特定の波長のスペクトルに同調され得る。１つの例示的な手法において、各フィルタ１６の特定の波長のスペクトルは、少なくとも部分的に重なることができる。更に、複数のフィルタ１６が使用される場合、色検出器１０は複数のフォトダイオード１４を含むことができ、当該フォトダイオードは各フィルタ１６に対して少なくとも１つである。１つの例示的な手法において、色検出器１０は７個のフィルタ１６及び７個のフォトダイオード１４を含むことができる。各フィルタ１６は、対応するフォトダイオード１４へと異なる色が通過できるように同調され得る。

一例として、フィルタ１６は、「赤色」、「オレンジ色」、「黄色」、「緑色」、「青色」、「藍色」、及び「すみれ色」に対応する波長スペクトルを検出するように構成され得る。試料１８が「赤色」のスペクトル内にある場合、光は「赤色」のスペクトルに対応する波長を通すフィルタ１６のみを通過し、他のフィルタ１６により阻止される。従って、「赤色」のフィルタ１６に対応するフォトダイオード１４のみが電流を出力し、その電流は、「赤色」のスペクトルにおいて色の存在を示す。同様に、試料１８が「緑色」である場合、光は「緑色」のスペクトルに対応する波長を通すフィルタ１６のみを通過し、他のフィルタ１６により阻止される。従って、「緑色」のフィルタ１６に対応するフォトダイオード１４のみが電流を出力し、その電流は、「緑色」のスペクトルにおいて色の存在を示す。より多くのフィルタ１６及び対応するフォトダイオード１４を使用することにより、色検出器１０は、色の変化する色相を区別することが可能になる。例えば、追加のフィルタ１６及び対応するフォトダイオード１４により、色検出器１０は、「青色」のスペクトル内にあるとして単に色を認識するのとは対照的に、「淡い青色」、「空色」、及び「濃紺色」を区別することができるかもしれない。

図２は、色検出器１０においてフォトダイオード１４上に配置されるフィルタ１６の例示的な断面図である。前述したように、フィルタ１６及び対応するフォトダイオード１４は、他のフィルタ１６及びフォトダイオード１４と共にアレイで使用され得る。しかしながら、光は、１つのフィルタ１６に反射し、アレイの他のフォトダイオード１４に障害を与える可能性がある。従って、色検出器１０は、開口２２を画定する暗色層（dark layer：殆ど光を通さない層）２０を含むことができる。光は、フィルタ１６を通過する前に開口２２を通過し、暗色層２０は、光がフィルタ１６に反射することを防止し、他のフィルタ１６に対応するフォトダイオード１４に障害を与えることを防止する。同様に、色検出器１０は、光が反射することを防止、且つ他のフォトダイオード１４に障害を与えることも防止する少なくとも１つのトレンチ（深い溝）２４を含むことができる。

１つの例示的な手法において、フィルタ１６は、第２の部分反射層２８から間隔を置いて配置された第１の部分反射層２６を含むことができる。例えば、二酸化ケイ素から形成されたスペーサ層３０は、第１の部分反射層２６と第２の部分反射層２８との間に配置され得る。代案として、スペーサ層３０は、他の材料から形成されてもよい。このタイプのフィルタ１６は、当該技術において、ファブリペローエタロン又はファブリペロー干渉計として知られているが、他のタイプのフィルタ１６も使用され得る。光は、部分反射層の１つを通過することができ、２つの部分反射層の間で反射される。例示されるように、光は、第１の部分反射層２６を通過し、第１の部分反射層２６と第２の部分反射層２８との間で反射することができる。これは内部反射として知られる。内部反射が同相である（即ち、強め合う）場合、光は、フィルタ１６を通過する。内部反射が位相の不一致である（即ち、弱め合う）場合、光波は、互いに打ち消し合う傾向があり、光はフィルタ１６を殆ど又は全く通過しないという結果になる。内部反射が強め合うか又は弱め合うかは、光の波長（即ち、色）、フィルタ１６に入射する光の角度、スペーサ層３０の厚さ、及びスペーサ層３０の屈折率に依存する。前述したように、光の色は、試料１８の色によって決まる。しかしながら、フィルタ１６に入射する光の角度、スペーサ層３０の厚さ、及びスペーサ層３０を形成する材料の屈折率は、特定の波長のスペクトル内の光が通過できるように調整され得る。

図３は、フォトダイオード１４上に配置されたフィルタ１６の例示的な断面図である。１つの例示的な手法において、第１の部分反射層２６と第２の部分反射層２８は、銀から形成され得る。第１の部分反射層２６は、第１の部分反射層２６が酸化または劣化することを防止することに役立つための第１の保護層３２で覆われる（コーティングされる）ことができる。それに応じて、第２の部分反射層２８は、第２の部分反射層２８が酸化または劣化することを防止するための第２の保護層３４で覆われることができる。１つの例示的な手法において、第１の保護層３２及び第２の保護層３４は、窒化アルミニウムから形成される。

色検出器１０は更に、フォトダイオード１４とフィルタ１６との間に配置された色増強装置３６を含むことができる。色増強装置３６は、コーティング（被覆）の吸収特性および反射率特性を低減するために使用されることができ、それにより特定の色スペクトルにおける色に対するフィルタの透過が最大にされる。例えば、「青色」スペクトルの色は、特定の材料により部分的に吸収される場合があり、色検出器１０がそのスペクトルにおける色を検出することを困難にする。「青色」スペクトルは単なる例であり、色増強装置３６は、他のスペクトルにおける色の透過を強化するために使用され得る。１つの例示的な手法において、色増強装置３６は、フォトダイオード１４上に配置されたフィルタの透過を最大にするように設計された、高低の屈折率の材料の組み合わせ３８を含むことができる。１つの例示的な手法において、色増強層３８は、二酸化ケイ素および窒化ケイ素の組み合わせから形成され得るが、色増強層３８は、他の材料から形成されてもよい。色増強層３８は、第１の色増強層４０、及びフォトダイオード１４の表面の直上にある二酸化ケイ素のような低屈折率材料４４上に配置された第２の色増強層４２を含むことができる。第１の色増強層４０は窒化アルミニウムから形成され得るが、第１の色増強層４０は他の材料から形成されてもよい。１つの例示的な手法において、第２の色増強層４２は、第２の部分反射層２８上に配置される。この例において、第２の色増強層４２は、窒化ケイ素から形成され得るが、第２の色増強層４２は他の材料から形成されてもよい。第１の色増強層４０が窒化アルミニウムから形成される場合、第１の色増強層４０は、第２の部分反射層２８からの劣化の影響を防止することに役立ち、且つ色増強層として働くこともできる。色増強装置３６は更に、フォトダイオード１４と色増強層３８との間に配置されたカバー層４４を含むことができる。特に、カバー層４４はフォトダイオード１４と第２の色増強層４２との間に配置され得る。１つの例示的な手法において、カバー層４４は、二酸化ケイ素から形成され得る。

更に、色検出器１０は、第１の保護層３２上に配置されたキャッピング層４６を含むことができる。１つの例示的な手法において、キャッピング層４６は、二酸化ケイ素から形成されるが、キャッピング層４６は、別の材料から形成されてもよい。キャッピング層４６は、フォトダイオードのアレイにおいて様々なフィルタのピーク透過を均等化または平坦化することに役立つために使用され得る。特に、キャッピング層４６の厚さは、フィルタ１６を同調することに役立つことができる。１つの例示的な手法において、キャッピング層４６は、誘電体材料から形成され、その厚さにより、フィルタ１６が、フィルタ１６でスペクトルの平坦化作用を有するように特定の領域において同調されることが可能になる。

理解されるべきは、上記の説明は、例示することが意図されており、制限することは意図されていない。提供された例とは異なる多くの実施形態および用途は、上記の説明を読む際に当業者には明らかになるであろう。本発明の範囲は、上記の説明に関係なく決定されるべきであるが、それよりむしろ添付の特許請求の範囲が権利を与える等価物の全ての範囲と共に、係る特許請求の範囲に関連して決定されるべきである。予想および意図されることは、今後の開発が本明細書で論じられた技術において行われ、開示されたシステム及び方法が係る今後の実施形態に組み込まれることである。要するに、理解されるべきは、本発明は、変更および変形を行うことができ、以下の特許請求の範囲によってのみ制限される。

特許請求の範囲で使用される全ての用語は、本明細書においてそれと反対に明白に示されない限り、当業者により理解されるように、それらの最も広い妥当な解釈およびそれらの通常の意味を与えるように意図されている。特に、「１つ」、「前記」などのような単数形の冠詞の使用は、請求項がそれと反対に明白な制限を記載しない限り、１つ又は複数の示された要素を記載するように読み取られるべきである。

Claims (6)

1. 光源（12）と、
   前記光源（12）と光学的に連絡するフォトダイオード（14）と、
   前記フォトダイオード（14）上で一体的に形成されたフィルタ（16）であって、そのフィルタ（16）が第２の部分反射層（28）から間隔を置いて配置された第１の部分反射層（26）、及び前記第１の部分反射層と前記第２の部分反射層との間に配置されたスペーサ層（30）を含む、フィルタ（16）と、
   前記フォトダイオード（14）と前記フィルタ（16）との間に配置され、且つ前記フォトダイオード（14）上に配置された色増強装置（36）とを含み、
   前記色増強装置（36）が、前記フィルタ（16）の前記第２の部分反射層（28）上に配置された色増強層（38）を含み、
   前記色増強層（38）が、前記フィルタ（16）の前記第２の部分反射層（28）上に配置された第１の色増強層（40）、及び前記第１の色増強層（40）上に配置された第２の色増強層（42）を含み、前記第１の色増強層（40）が窒化アルミニウムから形成されている、色検出器（10）。
2. 前記スペーサ層（30）の反対側に前記第１の部分反射層（26）上に配置された第１の保護層（32）、及び前記色増強装置（36）の反対側に前記第２の部分反射層（28）上に配置された第２の保護層（34）を更に含む、請求項１に記載の色検出器（10）。
3. 前記色増強装置（36）が、前記第２の色増強層（42）上に及び前記フォトダイオード（14）上に配置されたカバー層（44）を含む、請求項１又は２に記載の色検出器（10）。
4. 前記第１の保護層（32）および前記第２の保護層（34）が、窒化アルミニウムから形成される、請求項２及び請求項２に従属する請求項３に記載の色検出器（10）。
5. 前記第１の部分反射層（26）および前記第２の部分反射層（28）が銀から形成されている、請求項１〜４の何れかに記載の色検出器（10）。
6. 前記第１の保護層（32）上に配置されたキャッピング層（46）を更に含み、前記キャッピング層（46）が誘電体材料から形成されている、請求項２及び請求項２に直接的または間接的に従属する請求項３から５の何れかに記載の色検出器（10）。

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