JPH01282875A - カラーセンサ - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はカラーセンサに関し、特に入射光を複数種の
色の領域に分光し、その出力を得ることのできる全可視
光領域のカラーセンサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、入射光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つの
領域に分光した３成分の出力を得ることのできるＲＧＢ
方式の全可視光領域のカラーセンサとしては、フォトダ
イオードやＣＣＤなどの光電変換素子と赤、緑、青の３
色のカラーフィルタとを組み合わせたものが実用化され
ている。

第５図は従来のプレーナ型カラーセンサ素子の一例であ
る（桑野幸徳；エレクトロニクス、昭和５７年９月号Ｐ
Ｐ、５３−５６　＞　、図において、１１はコート樹脂
、１２はリードフレーム、１３は裏面電極、１４はアモ
ルファスシリコン、１５は透明電導膜、１６はガラス基
板、１７はカラーフィルタである。この例ではアモルフ
ァスシリコン１４を光電変換素子として用いている。こ
の素子の動作原理は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３
色のカラーフィルタ１７によって入射光の３色それぞれ
の成分を透過し、３個の光電変換素子によって電気信号
に変換して３色に対応する出力を得るものである。

〔発明が解決しよ°うとする課題〕

しかしながら、上記の従来のＲＧＢ方式ではフォトダイ
オードなどの光検知素子が全ての色領域にわたって大き
く変化しない感度波長特性を持つていることが必要であ
り、素子１組についても３色のカラーフィルタ１７に対
応して３つの独立な素子が必要であることや、カラーフ
ィルタ１７と光検知素子を組み合わせるため素子の微細
化においてはその位置調整が重要であり、製造工程も複
雑で高コストになる等の問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、カラーフィルタを不用とし、さらに独立な３
個の光電変換素子を必要とせず、積層構造とすることに
よって実効的に１素子分の面積でＲＧＢ　３色の成分を
取出し、微細化においても有利となるＲＧＢ方式のカラ
ーセンサを得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るカラーセンサは、従来の無機半導体光電
変換素子に、カラーフィルタを兼ねた有機材料を用いた
光電変換素子を１層ないし２層積層したものである。

〔作用〕

本発明においては、光電変換材料に有機色素を用いてい
るので、特定の波長領域の光のみが吸収され、それ以外
の波長領域の光は透過されることとなるため、カラーフ
ィルタ効果によって透過された光だけが最下層の無機半
導体光電変換素子で検知される。また、さらに有機色素
をｐ型にするかｎ型にするかと、電極材料の仕事関数の
大小とをうまく組み合わせることによって、各有機色素
層の光が入射する側に光起電力を発生する異方接合を有
するカラーフィルタを構成することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図について説明する。

第１図は本発明の一実施例によるカラーセンサ素子の断
面図である。図において、１は第１の電極、２は第１の
有機色素層、３は第２の電極、４は第２の有機色素層、
５は第３の電極、６は無機半導体層、７は第４の電極で
ある。

第１及び第２の有機色素層２．４はそれぞれｐ型及びｎ
型であって、それぞれの光起電カスベクトルは互いに重
畳しない部分を有し、また第１及び第３の電極材料１．
５はそれぞれｐ型材料と異方接合を、ｎ型材料と等方接
台を形成するような仕事関数の小さい導電材料であり、
第２の電極材料３はｐ型材料と等方接台を、ｎ型材料と
異方接合を形成するような仕事関数の大きい導電材料で
ある。

あるいは第１及び第２の有機色素層２．４はそれぞれｎ
型及びｐ型であって、それぞれの光起電カスベクトルは
互いに重畳しない部分を有し、また第１及び第３の電極
材料１．５はそれぞれｐ型材料と等方接台を、ｎ型材料
と異方接合を形成するような仕事関数の大きい導電材料
であり、第２の電極材料３はｐ型材料と異方接合を、ｎ
型材料と等方接台を形成するような仕事関数の小さい導
電材料である。

より詳細に説明すれば、本発明のカラーフィルタは、無
機半導体光電変換素子上にカラーフィルタと光電変換素
子を兼ねた電極と有機色素層とを交互に積層した構成に
なっており、光は第１の電極側から入射し、第１及び第
２の有機色素層２゜４はそれぞれの光が入射する側の電
極、即ち第１及び第２の電極１，３と光起電力を発生す
るような異方接合を形成し、かつ、その反対側の電極、
即ち、第２．第３の電極３．５と等方接台を形成してい
る。さらに第１及び第２の有機色素層２゜４の光起電力
を発生する感光波長域を赤（Ｒ）。

緑（Ｇ）、青（Ｂ）のうち２色の領域に選ぶと各有機色
素層からはＲＧＢ方式のうち２つの出力が得られる。こ
の時、第１及び第２の有機色素ＷＪ２゜４とＲＧＢ　３
色との組み合わせは、各色素が感光波長域以外の光は透
過するので、どのような組み合わせでも何等問題はない
。この例で言えば、第１の有機色素層２でλ、の領域の
光が吸収され、第２の有機色素１１４でλ２の領域の光
が吸収され、残った光としてλ、の領域の光が無機半導
体層６に入射することになる。このようにして光を３色
のＲＧＢの成分に分離することができる。最下層の無機
半導体層６は大抵の場合全可視光領域に感度があるので
、有機色素Ｎ２，４が赤、緑、青のどの２色の領域であ
っても問題はない。また、無機半導体層６での出力を取
り出すためには無機半導体層６は光の入射側の電極、即
ち第３の電極５と異方接合を形成していることが必要で
ある。従って、第３の電極材料５が仕事関数の大きい材
料であれば無機半導体層６はｎ型であることが必要であ
り、第３の電極材料５が仕事関数の小さい材料であれば
無機半導体層６はｐ型であることが必要である。

上記のような構成をとるためには、有機色素層は第１の
有機色素層２がｐ型であれば第２の有機色素層４がｎ型
、あるいは第１の有機色素層２がｎ型であれば第２の有
機色素層４がｐ型であることが必要である。光電変換機
能を持つｐ型の有機色素としては例えば、メロシアニン
、フタロシアニン、サフラニン、メチレンブルー、クロ
ロフィル等があげられる。ｎ型の有機色素としてはポル
フィリン、ローダミンＢ１マラカイトグリーン、クリス
タルバイオレットなどがあげられる。これら有機色素の
中でも特に光起電力が大きく２種の有機色素で可視光全
域を分けてカバーできるものがよ（、中でも赤色の領域
に感度を持つメタルフリーのフタロシアニンやフタロシ
アニンのＦｅ。

Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ａｇなどの金属
錯体（５５０〜７００ｎｍ）と、緑色の領域に感度を持
つメロシアニン色素（４５０〜５６０ｎｍ）と、青色の
右頁域に感度をもつテトラ（４−ピリジル）ポルフィリ
ン（４００〜４４０ｎｍ）との組み合わせが最も優れて
いる。これら有機色素は薄膜状に形成されるが、その形
成方法は通常の溶媒キャスト法（スピンコード法、スプ
レーコート法等も含む）や真空蒸着法などであり、また
は、単独あるいは混合して高分子マトリックス中に化学
的あるいは物理的手法でトラップして用いてもよい。

また、電極材料では、ｐ現有機色素と異方接合を形成し
、ｎ型有機色素と等方接台を形成するような仕事関数の
小さい導電材料として、／ｌ！、　　Ｉｎなどの金属や
、Ｓｎｏｗ　、ＩＴＯ，ＺｎＯなどの金属酸化物が用い
られる。一方、ｎ型有機色素と異方接合を形成し、ｐ現
有機色素と等方接台を形成するような仕事関数の大きい
導電材料としてはＡｕ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｌなどの
金属や、アクセプターをドープした導電性高分子、例え
ばポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェンなど
の中から単独あるいは組み合わせて用いられる。また、
無機半導体層６と電極５．７からなる光電変換素子部は
従来からの方法で作製すればよい。

次に本発明のカラーセンサの動作原理を第１図を用いて
説明する。

第１及び第２の有機色素２，４がそれぞれｎ型。

ｐ型である場合は第１及び第２の有機色素がそれぞれｐ
型及びｎ型である場合の極性を逆にした場合であり動作
原理は同じであるから、ここでは第１及び第２の有機素
子２，４がそれぞれｐ型及びｎ型である場合について述
べる。

今、第１及び第２の有機色素２．４はそれぞれｐ型及び
ｎ型であり、その光起電カスベクトルはそれぞれ波長λ
５．λ２に極大を持ち、それぞれ赤。

緑、青のいずれかの波長右頁域に対応しているものとす
る。−例としてλ、は６００〜６８０ｎｎ＋の領域に、
λ２は５００〜６００ｎｍの領域にあるものとする。こ
のときの様子を第３図に示す。図中、λ３は４００〜５
００ｎｍの青色の領域を示している。また、第３の電極
材料５は第２のｎ型の有機色素層４と等方接台を形成す
るように選ばれているから仕事関数の小さい材料である
。従って、無機半導体７はｐ型に選ぶ必要がある。

なお、このときのλ１．λ２とその光起電力発生波長領
域の組み合わせはどのような組み合わせでもよく、本発
明は上記動作説明の例に限定されるものではない。

このように本素子を構成したとき、本素子は従来より提
案されている有機光電変換素子を直列に配置したもので
あることがわかる。即ち、第１及び第２の電極１．３と
第１の有機色素１１２からなる部分は波長λ１　（赤色
）の光に対して第１の電極１側に負の光起電力を生ずる
。また、第２及び第３の電極３．５と第２の有機色素層
４からなる部分は波長λ２　（緑色）の光に対して第２
の電極３側に正の光起電力を生ずる。また、電極５．７
と無機半導体Ｎ６からなる部分は全可視光に対して第３
の電極５側に負の光起電力を生ずる。この様子を各光電
変換素子をダイオードで置き換えた模式図で第３図に示
す。

次に、この素子に第１の電極１側から種々の波長を含ん
だ光が入射する場合について説明する。

入射光のうち波長Ａ１近くの領域の光（赤色）は第１の
有機色素層２によって吸収され、第１の電極１側に負の
起電力Ｖｌ　（Ｖｌ　　＞Ｑとする）が発生する。この
とき、Ａ１の領域以外の光は第１の有機色素層２を透過
してほとんど減光することなく第２の有機色素Ｎ４に到
達する。第２の有機色素層４に到達した光のうち波長Ａ
２近くの領域の光（緑色）は第２の有機色素層４で吸収
され、第２の電極３と第３の電極５の間に第２の電極３
側に正の光起電力Ｖｔ　　（Ｖｔ　＞Ｑとする）を発生
する。このとき、Ａ３の領域以外の光は第２の有機色素
層４を透過してほとんど減光することな（無機半導体Ｉ
ｗ６に到達する。無機半導体層６に到達した光は紫外光
や赤外光を除けばほとんど波長Ａ３近くの領域の光（青
色）であり、無機半導体層６で吸収されて第３の電極５
と第４の電極７の間に第３の電極５側に負の光起電力Ｖ
３（ＶＳ＞Ｏとする）を発生する。このようにして入射
光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つのＲＧＢ成分
に分解してそれぞれの出力Ｖ、、Ｖ、、Ｖ３を得ること
が可能となる。

なお、上記実施例では有機色素層を２層用いてＲＧＢａ
色に対応する出力が得られるようにしたが、有機色素層
をＩＮだけ用いる構造にすると、１色と他の色を区別し
て出力が取り出すことができ、赤黒や青黒対応のセンサ
ーが可能となる。また、その動作原理は上記実施例と全
く同じである。

次に上記実施例のＲＧＢ成分に対応する出力■１゜Ｖ２
．Ｖ、を外部に取り出す回路について述べる。

第４図は出力を取り出す回路の一例を示す図であり、図
において、第１図と同一符号は同一部分を示し、８，９
．及び１０はそれぞれオペアンプＩ。

オペアンプ■、及びオペアンプ■である。

第４の電極７は接地し、共通電極とする。第１゜第２及
び第３の電極１，３．５はそれぞれオペアンプＩ８．オ
ペアンプ■９及びオペアンプ■１０に入力し、第４の電
極７との間の出力電圧を増幅して出力とする。今、オペ
アンプの増幅率を省略して考えれば、オペアンプ１８．
オペアンプ■９及びオペアンプＩ［［１０の出力はそれ
ぞれ（−■１＋Ｖｔ　−ＶＳ　）、（Ｖｔ　−ＶＳ　）
及び（ＶＳ）となり、これから演算により簡単にＶ、、
Ｖｔ。

■３を出力して取り出すことができる。

なお、出力を取り出す回路については種々の方式が考え
られ、上記第４図の回路例はなんら本発明を制限するも
のではない。

以下、実験例にてさらに詳細に説明する。

〈実験例１〉 下部にオーミック電極を持つｐ型シリコン基板上にスパ
ッタリング法でＳｎＯ□膜（面抵抗約２００Ω／口）を
形成し、さらにその上に５．１０．１５゜２０−テトラ
（４−ピリジル）ポルフィリンのＺｎ錯体を約７００人
の厚さで真空蒸着し、さらにその上にＡｕを透過率約７
０％（ａｔ５５０ｎｍ）になるように真空蒸着して、つ
いでフタロシアニンのＮｉ錯体を約１０００人の厚さで
真空蒸着し、最後にＡｌを半透明になるようにして真空
蒸着してカラーセンサ１を得た。

〈実験例２〉 実験例１で用いた基板上にＡ１を透過率約６０％（ａｔ
　５５０　ｎｍ）になるように真空蒸着し、次いで５，
１０．１５．２０−テトラ（４−ピリジル）ポルフィリ
ンのクロロホルム溶液をスピンコード法により膜厚約１
０００人で形成し、さらにその上にＡｕを透過率約７０
％（ａｔ５５０ｎｍ）になるように真空蒸着し、その上
にメロシアニン色素（日本感光色素社製、ＮＫ−２０４
５）を真空蒸着によって８００人の厚さに設け、最後に
Ａｌを半透明になるようにして真空蒸着してカラーセン
サ２を得た。

〈実験例３〉 下部にオーミック電極をもつｎ型シリコン基板上にＡｕ
を透過率約７０％（ａｔ　５５０　ｎｍ）になるように
真空蒸着し、次いでメタルフリーのフタロシアニンを約
１０００人の厚さで真空蒸着し、さらにＡＩを透過率約
６０％（ａｔ５５０ｎｍ）になるように真空蒸着して、
さらにその上にローダミンＢのクロロホルム溶液をスピ
ンコード法により膜厚約１０００人で形成し、さらにそ
の上にＡｕを透過率約７０％（ａｔ５５０ｎｍ）になる
ように真空蒸着してカラーセンサ３を得た。

く物性測定例〉 実験例工ないし実験例３で得たカラーセンサ１゜２．３
を第４図のように接続し、センサーの上方からそれぞれ
光照射を行った。光照射は標準色票（Ｊ　Ｉ　Ｓ　　Ｚ
　８７２１−１９６４準１廼）にタングステンランプを
照射し、その反射光を用いて行った。各センサーについ
て第４図のオペアンプのゲインを調節したところいずれ
のセンサーも再現性のよい３出力Ｖ、、Ｖ、、Ｖ、が得
られた。

さらにカラーセンサ１〜３をそれぞれシリコン系樹脂で
モールドし、上記特性の経時変化を測定した。何れのカ
ラーセンサも少なくとも４ケ月間はほとんど経時変化は
認められていない。

以上のように、上記実施例によれば＃ｔｉｍ型で２０８
３色の成分の出力を得ることのできるフルカラーセンサ
が可能となる。また、Ｍｉ層化しているため、従来のプ
レーナ型ＲＧＢカラーセンサに比べて素子面積は単純に
はその１／３で済み、カラーフィルタも必要としないた
め製造工程が簡単となり、さらに材料も安価な有機材料
であるので低コストとなる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、従来の無機半導体光変
換素子にカラーフィルタを兼ねた有機材料を用いた光変
換素子をＩＮないし２層積層してカラーセンサを構成し
たので、カラーフィルタが不用で製造工程が簡単になり
、装置が低コストで構成できる。さらに、素子を積層型
に構成したので、装置の微細化、及び高集積化が図れる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるカラーセンサ素子の断
面図、第２図は本発明の３種の有機色素の光起電カスベ
クトルを示す図、第３図は本発明のカラーセンサ素子の
等価回路を示す図、第４図は本発明のカラーセンサ素子
のＲＧＢ出力を取り出すための回路の一例を示す図、第
５図は従来のプレーナ型カラーセンサの断面図である。 図において、１は第１の電極、２は第１の有機色素層、
３は第２の電極、４は第２の有機色素層、５は第３の電
極、６は無機半導体層、７は第４の電極、８はオペアン
プＩ、９はオペアンプ■、１０はオペアンプ■、１１は
コート樹脂、１２はリードフレーム、１３は裏面電極、
１４はアモルファスシリコン、１５は透明電導膜、１６
はガラス基板、１７はカラーフィルタである。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射光を複数種の色の領域に分光し、各色に対応
   する出力を取り出すカラーセンサにおいて、光電変換素
   子である無機半導体層上に、平板状で透光性の電極を介
   して光電変換能力を有する有機色素層を１層ないし２層
   積層してなることを特徴とするカラーセンサ。