(57)【要約】    光センサ（２０００）は、受光部（２０２０）の上方から光が入光する。受光部（２０２０）は、受光部（２０２０）に入射した光を検出する。基板（２０６０）は、上面が受光部（２０２０）と対向するように、受光部（２０２０）と離間している。回折部（２０８０）は、基板（２０６０）の上面に設けられている。回折部（２０８０）は入射光を回折する凸部（２０８１）及び凹部（２０８２）を有する。そして、凸部（２０８１）又は凹部（２０８２）が有する１つ以上の面は、入射光を反射する。
2014115592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を検出する受光手段と、
上面が前記受光手段と対向するように、前記受光手段と離間している基板と、
前記基板の上面に設けられ、上方から入射した入射光を回折する凸部及び凹部を備え、前記凸部又は前記凹部が有する面のいずれか１つ以上が前記入射光を反射する回折手段と、
を有する光センサ。
【請求項２】
前記凸部は、互いに対向する第１側面と第２側面を有しており、
前記凸部の、高さ方向で切断した断面形状は、
前記第１側面に対応する第１斜線と、前記第２側面に対応する第２斜線の２つを有し、前記第１斜線が底辺と成す角度は、前記第２斜線が底辺と成す角度よりも小さく、
前記受光手段から前記基板に対して下ろした垂線と、前記第１斜線の下端との距離が、該垂線と前記第２斜線の下端との距離よりも短く、
前記凸部が有する面のうち、少なくとも前記第１側面が、前記入射光を反射する請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記凸部の、高さ方向で切断した断面形状は、前記第１斜線に沿う階段形状を有する請求項２に記載の光センサ。
【請求項４】
前記凸部は、平面視において、第１方向に延伸している請求項１乃至３いずれか一項に記載の光センサ。
【請求項５】
前記凸部は、平面視において、前記第１方向と垂直な第２方向へ繰り返し配置されている請求項４に記載の光センサ。
【請求項６】
複数の前記凸部は、
平面視において、第１方向に延伸しており、前記第１方向と垂直な第２方向へ繰り返し配置されており、
前記第１方向から視た場合において、前記受光手段から前記基板に下ろした垂線を対称軸として線対称に配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光センサ。
【請求項７】
平面視において、第１の前記凸部は第１円の周に沿って形成され、第２の前記凸部は第２円の周に沿って形成されており、前記第１円は前記第２円の内部に存在する請求項１乃至３いずれか一項に記載の光センサ。
【請求項８】
平面視において、第１の前記凸部は第１多角形の周に沿って形成され、第２の前記凸部は第２多角形の周に沿って形成され、前記第１多角形は前記第２多角形の内部に存在する請求項１乃至３いずれか一項に記載の光センサ。
【請求項９】
前記凸部及び前記凹部の高さは、前記入射光の波長の１／４倍以上１／２倍以下である請求項１乃至８いずれか一項に記載の光センサ。
【請求項１０】
複数の前記凸部の間の間隔、及び複数の前記凹部の間の間隔は、前記入射光の波長の１／２倍以上１倍以下である請求項１乃至９いずれか一項に記載の光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサとして、焦電効果を利用した焦電型センサ、材料の持つ抵抗の温度変化率を利用する抵抗変化型センサ、又は半導体ｐｎ接合の電気特性変化を利用するセンサなどが知られている。また、近年の情報通信技術の進展とネットワークインフラの拡充により、センサは、ビル空調の省エネルギー化や消費者行動の把握等を目的として利用され始めている。そして、多数のセンサを同時に用いるシステムを実現するために、高感度なセンサデバイスが求められている。【０００３】
特許文献１及び２は、赤外線センサの感度を高める技術を開示している。特許文献１は、焦電型赤外線センサについて開示している。この焦電型赤外線センサは、回路基板、焦電体基板、及び脚台からなる。そして、焦電体基板は、回路基板上の脚台によって支持されている。特許文献１記載の焦電型赤外線センサにおいて、焦電体基板と回路基板は、非接触状態である。こうすることで、特許文献１記載の赤外線センサは、焦電体基板の温度を上昇しやすくし、赤外線センサの感度を高くしている。【０００４】
特許文献２記載の赤外センサは、赤外線検出器、反射層、及び回路基板が積層された構成を有する。また、反射層の形状は凹となっており、赤外線検出器の入射側とは反対側に配置されている。反射層は、赤外線検出器に受光されずに基板を通過した光を反射して、赤外線検出器側へ向かわせる。こうすることで、特許文献２記載の赤外センサは、赤外線検出器による受光量を増やし、赤外線センサの感度を高くしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２５８１３７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３７７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、光センサの感度を高め、かつ小型にすることを検討した。特許文献１に記載の赤外線センサは光の利用効率が低い。特許文献１に記載の赤外線センサにおいて、入射光のうち、焦電体基板に照射されずに回路基板に入射した光は、損失となる。これは、焦電体基板に照射されずに回路基板に入射した光は、回路基板に吸収されるか、又は入射角度と同じ角度で反射され、受光部へ向かわずに外部へ漏れてしまうためである。【０００７】
また、特許文献２に記載の赤外線センサは、入射した光を反射して赤外線検出器に受光させるために、入射光を反射する反射層の形状が、湾曲した形状となっている。そのため、特許文献２に記載の赤外線センサは、センサ全体のサイズが大きい。【０００８】
本発明の目的は、小型かつ高感度である光センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明が提供する光センサは、光を検出する受光手段と、上面が前記受光手段と対向するように、前記受光手段と離間している基板と、前記基板の上面に設けられ、上方から入射した光を回折する凸部及び凹部を備え、前記凸部又は凹部が有する面のいずれか１つ以上が前記入射光を反射する回折手段を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、小型かつ高感度である光センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００１２】
【図１】実施形態１に係る光センサを示す斜視図である。
【図２】実施形態１に係る光センサのｘ−ｚ断面を示す図である。
【図３】実施形態２に係る光センサのｘ−ｚ断面を示す図である。
【図４】図３の光センサを拡大した図である。
【図５】実施形態２に係る光センサのｘ−ｚ断面を示す別の図である。
【図６】変形例２−１に係る光センサのｘ−ｚ断面を示す図である。
【図７】実施形態３に係る光センサを示す斜視図である。
【図８】平面視における実施形態３の凸部の配置を示す第１の図である。
【図９】平面視における実施形態３の凸部の配置を示す第２の図である。
【図１０】実施形態４に係る光センサを示す斜視図である。
【図１１】実施形態４に係る光センサを平面視で示す図である。
【図１２】変形例４−１に係る光センサを平面視で示す図である。
【図１３】変形例４−１に係る光センサを平面視で示す別の図である。
【図１４】実施形態５に係る光センサを示す斜視図である。
【図１５】実施形態５に係る光センサのｘ−ｚ断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、図面において、実際の光センサにおける各層を、正確なスケールや比率で図示するのは困難である。そのため、本発明の光センサを示す各図面は模式的な図であり、各層の大きさや厚さなどは、実際の比率通りに描かれていない。さらに、全ての図面において、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向はそれぞれ共通である。
【００１４】
以下の説明において、本発明が、ある形状や条件を満たすことが好ましいと記載する場合、その記載は、あくまで好適な形状や条件を説明しているのみであり、それ以外の形状や条件を排除する意味を持たない。
【００１５】
[実施形態１] 
＜概要＞
図１は、実施形態１に係る光センサ２０００を示す斜視図である。また、図２は、実施形態１に係る光センサ２０００のｘ−ｚ断面を示す図である。ここで、光センサ２０００における上方は、図１におけるｚ軸の矢印方向である。
【００１６】
光センサ２０００は、受光部２０２０の上方から光が入光する。以下、光センサ２０００に入光する光を、入射光と呼ぶ。入射光αは、受光部２０２０に入射する入射光である。一方、入射光βは、受光部２０２０に入射しない入射光である。
【００１７】
光センサ２０００は、受光部２０２０を有する。受光部２０２０は、受光部２０２０に入射した光を検出する。
【００１８】
光センサ２０００は、基板２０６０を有する。基板２０６０は、上面が受光部２０２０と対向している。また、基板２０６０は、受光部２０２０と離間している。
【００１９】
光センサ２０００は、回折部２０８０を有している。回折部２０８０は、基板２０６０の上面に設けられている。回折部２０８０は、入射光βを反射及び回折する。回折光γは、入射光βが、回折部２０８０によって反射及び回折された光の一部である。回折光γは、受光部２０２０へ入射する。
【００２０】
回折部２０８０は、入射光βを回折する凸部２０８１及び凹部２０８２を有する。凸部２０８１又は凹部２０８２が有する面のいずれか１つ以上は、入射光βを反射する。
【００２１】
以上のように、実施形態１の光センサ２０００において、回折部２０８０は、受光部２０２０に入射しない入射光βを反射及び回折する。これにより、入射光βが回折部２０８０によって反射及び回折された光の一部である回折光γは、受光部２０２０に入射される。このように、光センサ２０００は、受光部２０２０に入射しない入射光βを、回折部２０８０を用いて再利用する。したがって、光センサ２０００を利用することで、光の利用効率が高くなる。
【００２２】
また、回折部２０８０は、入射光βを回折及び反射することによって、回折光γを、受光部２０２０に入射させる。このため、回折部２０８０は、入射光βの反射のみを行うことで回折光を受光部２０２０に入射させる場合と比較し、ｚ軸方向の厚さが薄い。したがって、光センサ２０００は、入射光の反射のみを行って入射光を受光部に入射させる光センサと比較し、小型である。
【００２３】
以下、実施形態１に係る光センサ２０００の詳細を説明する。
【００２４】
＜受光部２０２０＞
受光部２０２０は、図示されていない支持体によって基板２０６０と接続され、支持されている。また、この支持体は、基板２０６０ではなく、回折部２０８０に設けられてもよい。また、回折部２０８０の一部が、支持体を兼ねてもよい。
【００２５】
受光部２０２０は、入射光のエネルギーによって物性が変化し、図示されていない電極及び配線を通じて、電圧を出力する。受光部２０２０は、例えば、２つの主面を有する焦電体セラミックス膜と、焦電体セラミックス板の主面に形成した電極層からなる（いずれも図示せず）。焦電体セラミックスに光が照射されると、照射された光の照射量や波長に応じ、焦電効果に起因する表面電荷が誘起される。光の検知は、適切な電気回路を用い、上記誘起される電荷を電気信号として計測することで行う。
【００２６】
焦電体の材質は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス、タンタル酸リチウム系セラミックス、又はポリフッ化ビニリデンなどの有機焦電材料である。この中でも例えば、焦電体の材質は、焦電係数が高く、分極処理によって焦電効果を最大限引き出せるチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス材料が好ましい。しかし、焦電体の材質は、上記の有機焦電材料に限定されない。
【００２７】
受光部２０２０の材質は、入射光のエネルギーによって物性が変化する材料であればよい。入射光のエネルギーによって物性が変化する材料の他の例は、材料の持つ抵抗の温度変化率を利用する抵抗変化型の材料や、半導体ｐｎ接合の電気特性変化を利用する材料などである。
【００２８】
平面視における受光部２０２０の大きさは、基板２０６０の大きさよりも小さければよい。この条件を除き、受光部２０２０の形状は特に限定されない。ただし、受光部２０２０の厚みは、１μｍ以上かつ１００μｍ以下が好ましい。
【００２９】
基板２０６０と受光部２０２０との間に電気的接続を設ける必要があり、かつ、受光部２０２０と基板２０６０との間の電気伝導性が低い場合は、受光部２０２０と基板２０６０との間に配線を形成する。この配線は、例えば、メッキ法による金属配線を利用して形成する。焦電体上部電極層と電気配線との接続にはメッキ法のほか、ワイヤボンディング法も利用できる。
【００３０】
＜基板２０６０＞
基板２０６０の材料の例は、金属材料、樹脂材料、又はセラミックス材料などである。金属材料は、例えばアルミ合金、銅合金、鉄、鉄系合金、チタン、又はチタン合金などである。樹脂材料は、例えばエポキシ、アクリル、ポリイミド、又はポリカーボネートなどである。セラミックス材料は、例えばアルミナ、シリカ、マグネシア、又はそれらの化合物や複合物などである。上述した様々な材料は、所望の形状や、使用環境などに合わせて、適宜基板２０６０の材料として選択することができる。
【００３１】
＜受光部２０２０と基板２０６０との空隙＞
受光部２０２０と基板２０６０との間に空隙が設けられているため、受光部２０２０の熱容量が小さくなる。その結果として、受光部２０２０の感度が高くなる。空隙の例は、空気、又は真空である。また、空隙には、基板よりも熱容量が小さく、光を透過する材料が挿入されてもよい。
【００３２】
＜回折部２０８０＞
回折部２０８０は、凸部２０８１又は凹部２０８２が有する１つ以上の面で、入射光βを反射する。以下、入射光βを反射する面を、反射面と表記する。反射面の材料は、例えばＡｕ又はＡｌである。ただし、反射面の材料は、ＡｕやＡｌに限定されない。回折部２０８０のうち、反射面以外の材料は、例えば上述した、基板２０６０の材料として用いることができる材料である。
【００３３】
ここで、図２においては、平坦な基板２０６０上に、回折部２０８０が形成されている。しかし、回折部２０８０は、ナノインプリント等で基板２０６０に凹凸形状を設けることで凸部２０８１及び凹部２０８２を形成し、その上にスパッタなどの蒸着法によりＡｕやＡｌ等を製膜することで、反射面を形成してもよい。
【００３４】
凸部２０８１のｚ方向の長さ（高さ）は、入射光の波長の１／４以上１／２以下であることが好ましい。例えば、入射光の赤外線の波長を８μｍ〜１０μｍと想定した場合、凸部２０８１の好適なｚ方向の長さは、２μｍ以上５μｍ以下である。ただし、凸部２０８１のｚ方向の長さは、入射光の波長の１／４以上１／２以下に限定されない。凸部２０８１のｚ方向の深さは、回折効率や形成難易度などに基づいて、当事者が適宜選定してよい。また、複数の凸部２０８１それぞれのｚ方向の長さは同一であってもよいし、異なってもよい。
【００３５】
凸部２０８１が複数ある場合、複数の凸部２０８１の間の間隔は、入射光の波長の１／２以上１以下であることが好ましい。これは、回折部２０８０が入射光βを反射及び回折した場合に、１次回折光のみが発生する条件である。例えば、入射光の赤外線の波長を８μｍ〜１０μｍを想定した場合、複数の凸部２０８１の間の好適な間隔は、４μｍ以上１０μｍ以下である。ただし、複数の凸部２０８１の間の間隔は、入射光の波長の１／２以上１以下に限定されない。複数の凸部２０８１の間の間隔は、回折方向や形成難易度に基づき、下記の数式１を満たす範囲で当事者が適宜選定してよい。
【００３６】
【数１】
2014115592.tif 000003
ここで、ｍは回折次数、λは入射光の波長、Γは凸部２０８１の周期、φは入射光と基板２０６０の上面の法線とがなす角である。
【００３７】
＜平面視における回折部２０８０の形状＞
光センサ２０００における凸部２０８１は、例えば平面視において、第１方向に延伸する形状を有する。図１において、凸部２０８１が延伸している第１方向は、ｙ方向である。以下、第１方向のことをｙ方向と表記する。
【００３８】
凸部２０８１が複数ある場合、例えば凸部２０８１は、平面視において、ｙ方向に垂直な方向へ繰り返し配置されることが好ましい。図１において、ｙ方向に垂直な方向は、ｘ方向である。以下、平面視においてｙ方向に垂直な方向のことを、ｘ方向と表記する。
【００３９】
＜ｘ−ｚ断面図における凸部２０８１の断面形状＞
ｘ−ｚ断面図における凸部２０８１の断面形状は、例えば多角形である。図２は、凸部２０８１の断面形状が四角形である場合における光センサ２０００のｘ−ｚ断面を示す図である。ただし、ｘ−ｚ断面図における凸部２０８１の断面形状は、多角形に限定されない。
【００４０】
＜凹部２０８２＞
凹部２０８２は、上述した凸部２０８１が有する特徴と同様の特徴を有する。
【００４１】
＜具体例＞
具体的な状況を想定して、光センサ２０００の動作を説明する。
【００４２】
基板２０６０のｘ方向のサイズは２００μｍとする。受光部２０２０のｘ方向のサイズは１００μｍとする。受光部２０２０と基板２０６０の間の距離は２０μｍとする。凸部２０８１の間隔は８．５μｍとする。基板２０６０のｘ軸に関する中心と、受光部２０２０のｘ軸に関する中心は一致しているとする。入射光の波長は８μｍとする。入射光は入射角０度で入射する。つまり、入射光は、ｘ−ｚ断面において、基板２０６０に対して垂直に入射する。
【００４３】
以上の想定状況の下、数式１を満足する場合、回折部２０８０における１次回折光の回折角は±７０度である。ここで、以上の想定状況においては、２次以上の回折光は生じない。
【００４４】
基板２０６０に対する入射位置によらず、上記の回折光γが受光部２０２０へ向かう条件は次のようになる。まず、受光部２０２０のｘ方向の端からわずかにずれて、基板２０６０へ向かった光が、回折部２０８０によって回折されることで、受光部２０２０の下面へ到達するための条件は、回折角の絶対値が約７８．７度以下であることである。一方、基板２０６０のｘ方向の端に向かった光が、回折部２０８０によって回折されることで、受光部２０２０の下面へ到達するための条件は、回折角の絶対値が約６８．２度以上となることである。以上のことから、基板２０６０に入射する全ての入射光が、受光部２０２０へ向かう条件は、回折角の絶対値が６８．２度以上かつ７８．７度以下であることである。
【００４５】
本具体例において、１次回折光の回折角の絶対値は、７０度である。したがって、本具体例では、基板２０６０に対する入射位置によらず、基板２０６０に入射した光が、回折部２０８０によって回折された光の一部は、受光部２０２０へ到達する。
【００４６】
＜作用・効果＞
実施形態１の光センサ２０００において、入射光βが回折部２０８０によって反射及び回折された光の一部である回折光γは、受光部２０２０に入射される。したがって、光センサ２０００を利用することで、光の利用効率が高くなる。
【００４７】
また、回折部２０８０は、入射光βを回折及び反射することによって、回折光γを、受光部２０２０に入射させる。このため、光センサ２０００は、入射光の反射のみを行うことで反射光を受光器へ入射させる装置と異なり、回折部２０８０や基板２０６０を湾曲させる必要がない。そのため、光センサ２０００のｚ軸方向の厚さは薄い。したがって、光センサ２０００は、入射光の反射のみを行って入射光を受光器に入射させる装置と比較し、小型である。
【００４８】
さらに、凸部２０８１がｙ方向に延伸する形状を有していれば、光センサ２０００は、ｙ方向にずれているために受光部２０２０に入射しない入射光βを反射及び回折し、回折光γを受光部２０２０へ入射させることができる。これにより、光の利用効率がさらに高くなる。またこの場合、凸部２０８１又は凹部２０８２が、平面視において、ｘ方向に繰り返し配置されていれば、光センサ２０００は、ｙ方向と垂直な方向にずれているために受光部２０２０に入射しない入射光βを反射及び回折する。こうすることで、ｙ方向と垂直な方向にずれているために受光部２０２０に入射しない入射光βを反射及び回折した光である回折光γは、受光部２０２０に入射する。したがって、光の利用効率がさらに高くなる。
【００４９】
[実施形態２]
図３は、実施形態２に係る光センサ２０００のｘ−ｚ断面を示す図である。なお、実施形態２の光センサ２０００は、凸部２０８１が下記の特徴を有することを除き、実施形態１の光センサ２０００と同様の特徴を有する。
【００５０】
＜凸部２０８１＞
凸部２０８１は、互いに対向する第１側面及び第２側面を有する。
【００５１】
凸部２０８１の断面形状について、図４を用いて説明する。図４は、図３の光センサ２０００を拡大した図である。実施形態２に係る光センサ２０００において、ｘ−ｚ断面図における凸部２０８１の断面は、第１側面に対応する第１斜線３１０、及び第２側面に対応する第２斜線３２０を有する。第１斜線３１０と底辺Ｐが成す角度θ１は、第２斜線３２０と底辺Ｐが成す角度θ２よりも小さい。また、受光部２０２０から基板２０６０に下ろした垂線Ａと、第１斜線３１０の下端との距離ｄ１は、この垂線Ａと第２斜線３２０の下端との距離ｄ２よりも短い。
【００５２】
また、凸部２０８１が有する面のうち、少なくとも第１側面は入射光βを反射する。
【００５３】
なお、図３及び図４において、凸部２０８１の断面形状は三角形であるものの、凸部２０８１の断面形状は、三角形に限定されない。例えば、凸部２０８１の別の断面形状は、２つの斜線がそれぞれ第１斜線３１０と第２斜線３２０である台形である。
【００５４】
図３に示すように、複数の凸部２０８１の配置は、ｘ−ｚ断面において、ｘ方向に繰り返し配置されていることが好ましい。またこの場合、複数の凸部２０８１の配置は、受光部２０２０から基板２０６０に下ろした垂線Ａを対称軸とする線対称の配置であることが好ましい。なお、図３において、垂線Ａは、受光部２０２０の中心を通っている。しかし、垂線Ａは、受光部２０２０の中心を通る必要はない。
【００５５】
凸部２０８１間の間隔、及び凸部２０８１のｚ方向の深さに関する好適な条件は、実施形態１の場合と同様である。
【００５６】
＜凹部２０８２＞
実施形態２の光センサ２０００は、凸部２０８１が上述の特徴を有する代わりに、凹部２０８２が下記の特徴を有してもよい。まず、凹部２０８２は、互いに対向する第３側面及び第４側面を有している。
【００５７】
図５は、実施形態２に係る光センサ２０００のｘ−ｚ断面を示す別の図である。凹部２０８２は、第３側面に対応する第３斜線３３０、及び第４側面に対応する第４斜線３４０を有する。第３斜線３３０と上辺Ｑが成す角度θ３は、第４斜線３４０と上辺Ｑが成す角度θ４よりも大きい。また、受光部２０２０から基板２０６０に下ろした垂線Ａと、第３斜線３３０の上端との距離ｄ３は、この垂線Ａと第４斜線３４０の上端との距離ｄ４よりも短い。
【００５８】
またこの場合、凹部２０８２が有する面のうち、少なくとも第４側面は入射光βを反射する。
【００５９】
さらに、実施形態２の光センサ２０００は、凸部２０８１と凹部２０８２のそれぞれが、上述した特徴を有してもよい。
【００６０】
＜作用・効果＞
実施形態２の光センサ２０００において、回折部２０８０によって反射及び回折された回折光のうち、受光部２０２０へ向かう回折光の量は、実施形態１の光センサ２０００に比べて、受光部２０２０へ向かわない回折光の量よりも多くなる。そのため、実施形態２の光センサ２０００は、実施形態１の光センサ２０００よりも光の利用効率が高い。したがって、実施形態２の光センサ２０００は、実施形態１の光センサ２０００よりも感度が高い。
【００６１】
また、上述したように、複数の凸部２０８１又は凹部２０８２の配置は、ｘ−ｚ断面において、受光部２０２０から基板２０６０に下ろした垂線Ａを対称軸とする線対称の配置であることが好ましい。こうすることで、入射光βが受光部２０２０に対して＋ｘ方向にずれた場合、及び入射光βが受光部２０２０に対して−ｘ方向にずれた場合のどちらについても、受光部２０２０へ入射する回折光γの量が多くなる。したがって、光の利用効率がさらに高くなる。
【００６２】
＜変形例２−１＞
図６は、変形例２−１に係る光センサ２０００のｘ−ｚ断面を示す図である。変形例２−１の光センサ２０００は、凸部２０８１又は凹部２０８２の断面形状が下記の特徴を有することを除き、実施形態２の光センサ２０００と同様の特徴を有する。
【００６３】
変形例２−１における凸部２０８１の断面形状は、実施形態２における凸部２０８１の断面形状の第１斜線３１０に沿う階段形状を有する。図６において、一点鎖線が示す形状は、実施形態２における凸部２０８１の形状の一例である。そして、図６において、凸部２０８１の断面形状は、上記一点鎖線で示す形状に沿った階段形状である。
【００６４】
例えば、凸部２０８１の断面形状が三角形に沿う階段形状である場合、この階段の段数をＳとすると、回折部２０８０における＋１次光の回折効率ηは、下記数式２で与えられる。
【００６５】
【数２】
2014115592.tif 000004
【００６６】
図６の例では、Ｓ＝４であるため、ηは約８１％である。Ｓを大きくするほど、ηは大きくなる。したがって、Ｓを大きくして＋１次光の比率を高くして、高次の回折光の比率を低くすることで、回折光の実質的な本数が減る。その結果、素子の設計が容易になる。
【００６７】
凸部２０８１において、少なくとも、ｘ−ｚ断面において、第１斜線３１０に沿う階段形状に相当する面は、入射光βを反射する。
【００６８】
なお、変形例２−１の光センサ２０００は、凸部２０８１が上述の特徴を有する代わりに、凹部２０８２が、実施形態２の凹部２０８２の第４斜線３４０に沿う階段形状を有してもよい。この場合、凹部２０８２のｘ−ｚ断面において、少なくとも、第４斜線３４０に沿う階段形状に相当する面は、入射光βを反射する。
【００６９】
さらに、変形例２−１の光センサ２０００は、凸部２０８１及び凹部２０８２のそれぞれが、上述した特徴を有してもよい。
【００７０】
＜作用・効果＞
変形例２−１の光センサ２０００においても、回折部２０８０によって反射及び回折された回折光のうち、受光部２０２０へ向かう回折光の量は、実施形態１の光センサ２０００に比べて、受光部２０２０へ向かわない回折光の量よりも多くなる。そのため、変形例２−１の光センサ２０００は、実施形態１の光センサ２０００と比較し、光の利用効率が高い。したがって、変形例２−１の光センサ２０００は、実施形態１の光センサ２０００よりも感度が高い。
【００７１】
[実施形態３]
図７は、実施形態３に係る光センサ２０００を示す斜視図である。実施形態３の光センサ２０００は、「凸部２０８１又は凹部２０８２が、平面視において面内に分布している」という特徴を除き、上述した各実施形態又は変形例のいずれかと同様の特徴を有する。
【００７２】
＜凸部２０８１と凹部２０８２＞
例えば、実施形態３の凸部２０８１又は凹部２０８２は、平面視において、配列の最小単位が三角形である三角格子状に配置されている。図８は、平面視における実施形態３の凸部２０８１の配置を示す第１の図である。図８において、凸部２０８１は、配列の最小単位が三角形である三角格子状に配置されている。ここで、図８において、凸部２０８１の一部又は全部は、凹部２０８２であってもよい。
【００７３】
その他にも例えば、実施形態３の凸部２０８１又は凹部２０８２は、平面視において、配列の最小単位が四角形である四角格子状に配置されている。図９は、平面視における、実施形態３の凸部２０８１の配置を示す第２の図である。図９において、凸部２０８１は、配列の最小単位が四角形である四角格子状に配置されている。ここで、図９において、凸部２０８１の一部又は全部は、凹部２０８２であってもよい。
【００７４】
ただし、実施形態３の凸部２０８１又は凹部２０８２の配置は、図８や図９が示す配置に限定されない。
【００７５】
＜作用・効果＞
実施形態３の光センサ２０００は、平面視において面内に分布している凸部２０８１又は凹部２０８２によって、受光部２０２０に対していずれかの方向にずれている入射光βを反射及び回折する。したがって、実施形態３の光センサ２０００は、受光部２０２０に対していずれかの方向にずれている入射光βを反射及び回折することで、これら入射光βを再利用する。したがって、実施形態３の光センサ２０００は、実施形態２の光センサ２０００に比べて、さらに光の利用効率が高くなり、光センサ２０００の感度が高くなる。
【００７６】
[実施形態４]
図１０は、実施形態４に係る光センサ２０００を示す斜視図である。また、図１１は、実施形態４に係る光センサ２０００を平面視で示す図である。実施形態４の光センサ２０００は、凸部２０８１又は凹部２０８２が下記の特徴を有することを除き、上述した各実施形態又は変形例のいずれかと同様である。
【００７７】
＜凸部２０８１＞
凸部２０８１は、平面視において、以下の形状を有する。第１の凸部２０８１（凸部２０８１−１）は、第１円４１０の周に沿って形成されている。そして、第２の凸部２０８１（凸部２０８１−２）は、第２円４２０の周に沿って形成されている。さらに、第１円４１０は、第２円４２０の内部に存在する。
【００７８】
第１円４１０と第２円４２０は、同心円であることが好ましい。第１円４１０及び第２円４２０の中心は、平面視において、受光部２０２０の中心と同一であることが好ましい。
【００７９】
凸部２０８１の断面形状は、前述した各実施形態及び各変形例のいずれかにおける凸部２０８１と同様である。また、凸部２０８１に関する好適な条件は、前述した各実施形態及び各変形例のいずれかにおける凸部２０８１と同様である。
【００８０】
実施形態４の光センサ２０００は、第１の凸部２０８１及び第２の凸部２０８１の代わりに、第１の凹部２０８２及び第２の凹部２０８２が、上述した条件を満たしてもよい。この場合、凹部２０８２の断面形状は、前述した各実施形態及び各変形例のいずれかにおける凹部２０８２と同様である。また、凹部２０８２に関する好適な条件は、前述した各実施形態及び各変形例のいずれかにおける凹部２０８２と同様である。
【００８１】
＜作用・効果＞
実施形態４の光センサ２０００は、受光部２０２０に対して、いずれかの方向にずれている入射光βをそれぞれ反射及び回折し、受光部２０２０へ入射させる。したがって、実施形態４の光センサ２０００は、実施形態２の光センサと比較し、光の利用効率がさらに高くなるため、感度がさらに高くなる。
【００８２】
＜変形例４−１＞
実施形態４の光センサ２０００において、凸部２０８１は、円の代わりに多角形に沿って形成されてもよい。この特徴を持つ光センサ２０００を、変形例４−１の光センサ２０００と表記する。
【００８３】
図１２は、変形例４−１に係る光センサ２０００を平面視で示す図である。変形例４−１の光センサ２０００は、凸部２０８１又は凹部２０８２が下記の特徴を有することを除き、上述した各実施形態又は変形例のいずれかと同様である。
【００８４】
凸部２０８１は、平面視において、以下の形状を有する。第１の凸部２０８１（凸部２０８１−１）は、第１多角形５１０の周に沿って形成されている。そして、第２の凸部２０８１（凸部２０８１−２）は、第２多角形５２０の周に沿って形成されている。さらに、第１多角形５１０は、第２多角形５２０の内部にある。
【００８５】
平面視において、第１多角形５１０の中心と第２多角形５２０の中心は、同一であることが好ましい。この場合、平面視において、上記中心から第１多角形５１０の各頂点に対して引いた直線は、第２多角形５２０の頂点を通ることが好ましい。しかし、図１３に示す形状のように、この条件を満たさなく形状でもよい。
【００８６】
平面視において、第１多角形５１０の中心と第２多角形５２０の中心が同一である場合、この中心は、受光部２０２０の中心とさらに同一であることが好ましい。
【００８７】
第１多角形５１０及び第２多角形５２０は、正多角形であることが好ましい。第１多角形５１０と第２多角形５２０は、頂点の数が同一であってもよいし、異なってもよい。
【００８８】
凸部２０８１の断面形状は、前述した各実施形態及び各変形例のいずれかにおける凸部２０８１と同様である。また、凸部２０８１に関する好適な条件は、前述した各実施形態及び各変形例のいずれかにおける凸部２０８１と同様である。
【００８９】
変形例４−１の光センサ２０００は、第１の凸部２０８１及び第２の凸部２０８１の代わりに、第１の凹部２０８２及び第２の凹部２０８２が、上述した条件を満たしてもよい。この場合、凹部２０８２の断面形状は、前述した各実施形態及び各変形例のいずれかにおける凹部２０８２と同様である。また、凹部２０８２に関する好適な条件は、前述した各実施形態及び各変形例のいずれかにおける凹部２０８２と同様である。
【００９０】
＜作用・効果＞
変形例４−１の光センサ２０００は、受光部２０２０に対して、いずれかの方向にずれている入射光βをそれぞれ反射及び回折し、受光部２０２０へ入射させる。したがって、変形例４−１の光センサ２０００は、実施形態２の光センサと比較し、光の利用効率がさらに高くなるため、感度がさらに高くなる。
【００９１】
[実施形態５]
図１４は、実施形態５に係る光センサ２０００を示す斜視図である。実施形態５の光センサ２０００は、特に説明しない限り、上述した各実施形態又は変形例のいずれかと同様の特徴を有する。
【００９２】
実施形態５の光センサ２０００は、受光部２０２０と回折部２０８０の組み合わせを複数有する。
【００９３】
図１５は、実施形態５に係る光センサ２０００のｘ−ｚ断面を示す図である。図１５は、例示として、凸部２０８１の断面形状を、実施形態２の凸部２０８１と同様の形状で示している。
【００９４】
受光部２０２０の中心と、それと対応づけられている回折部２０８０の中心は、一致することが好ましい。図１５において、受光部２０２０−１の中心は、回折部２０８０−１の中心と一致している。そのため、受光部２０２０−１の中心から基板２０６０へ下ろした垂線Ｂは、凸部２０８１−１の中心を通過する。同様に、受光部２０２０−２の中心は、回折部２０８０−２の中心と一致している。そのため、受光部２０２０−２の中心から基板２０６０へ下ろした垂線Ｃは、凸部２０８１−２の中心を通過する。こうすることで、受光部２０２０と回折部２０８０の各組み合わせにおいて、回折部２０８０によって反射及び回折された回折光γが、効率よく各受光部２０２０に入射する。
【００９５】
さらに、ｘ−ｚ断面において、複数の、受光部２０２０と回折部２０８０の組み合わせは、基板２０６０上のある点におけるｚ方向の垂線を対称軸として線対称に配置されていることが好ましい。図１５において、受光部２０２０と回折部２０８０との２つの組み合わせは、垂線Ｄを対称軸として線対称に配置されている。こうすることで、ある回折部２０８０で反射及び回折されたものの、その回折部２０８０と対応づけられている受光部２０２０には入射しなかった回折光が、別の受光部２０２０に効率よく入射する。
【００９６】
＜作用・効果＞
実施形態５の光センサ２０００は、受光部２０２０及び回折部２０８０の組み合わせを複数有する。これにより、実施形態５の光センサ２０００は、受光部２０２０及び回折部２０８０の組み合わせを１つだけ有する場合と比較し、受光部２０２０から出力される電圧の合計が大きくなるため、光センサ２０００の感度がさらに高くなる。ここで、１つの回折部２０８０によって反射及び回折された光の全てが、１つの受光部２０２０に入射されるとは限らない。実施形態５の光センサ２０００は、受光部２０２０及び回折部２０８０の組み合わせを複数有することで、回折部２０８０によって反射及び回折された光を、複数の受光部２０２０で受光する。こうすることで、受光部２０２０及び回折部２０８０の組み合わせを１つだけ有する場合と比較し、光の利用効率がさらに高くなる。
【００９７】
以上、図面を参照して本発明の実施形態及び変形例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記実施形態及び変形例の組み合わせ、及び上記実施形態及び変形例以外の様々な構成を採用することもできる。
【００９８】
以下、参考形態の例を付記する。
１．  光を検出する受光手段と、
上面が前記受光手段と対向するように、前記受光手段と離間している基板と、
前記基板の上面に設けられ、上方から入射した入射光を回折する凸部及び凹部を備え、前記凸部又は凹部が有する面のいずれか１つ以上が前記入射光を反射する回折手段と、
を有する光センサ。
２．  前記凸部は、互いに対向する第１側面と第２側面を有しており、
前記凸部の、高さ方向で切断した断面形状は、
前記第１側面に対応する第１斜線と、前記第２側面に対応する第２斜線の２つを有し、前記第１斜線が底辺と成す角度は、前記第２斜線が底辺と成す角度よりも小さく、
前記受光手段から前記基板に対して下ろした垂線と、前記第１斜線の下端との距離が、該垂線と前記第２斜線の下端との距離よりも短く、
前記凸部が有する面のうち、少なくとも前記第１側面が、前記入射光を反射する１．に記載の光センサ。
３．  前記凸部の、高さ方向で切断した断面形状は、前記第１斜線に沿う階段形状を有する２．に記載の光センサ。
４．  前記凹部は、互いに対向する第３側面と第４側面を有しており、
前記凹部の、高さ方向に切断した断面形状は、
前記第３側面と対応する第３斜線と、前記第４側面と対応する第４斜線の２つを有し、前記第３斜線が底辺と成す角度は、前記第４斜線が底辺と成す角度よりも大きく、
前記受光手段から前記基板に対して下ろした垂線と、前記第３斜線の上端との距離が、該垂線と前記第４斜線の上端との距離よりも短く、
前記凹部が有する面のうち、少なくとも前記第４側面は、前記入射光を反射することを特徴とする１．乃至３．いずれか一つに記載の光センサ。
５．  前記凹部の断面形状は、前記第４斜線に沿う階段形状を有する４．に記載の光センサ。
６．  前記凸部は、平面視において、第１方向に延伸している１．乃至５．いずれか１つに記載の光センサ。
７．  前記凸部は、平面視において、前記第１方向と垂直な第２方向へ繰り返し配置されている６．に記載の光センサ。
８．  複数の前記凸部は、
平面視において、第１方向に延伸しており、前記第１方向と垂直な第２方向へ繰り返し配置されており、
前記第１方向から視た場合において、前記受光手段から前記基板に下ろした垂線を対称軸として線対称に配置されていることを特徴とする２．乃至５．いずれか一つに記載の光センサ。
９．  前記凸部又は前記凹部は、平面視において、面内に分布している１．乃至５．いずれか一つに記載の光センサ。
１０．  平面視において、第１の前記凸部は第１円の周に沿って形成され、第２の前記凸部は第２円の周に沿って形成されており、前記第１円は前記第２円の内部に存在する１．乃至５．いずれか一つに記載の光センサ。
１１．  平面視において、第１の前記凸部は第１多角形の周に沿って形成され、第２の前記凸部は第２多角形の周に沿って形成され、前記第１多角形は前記第２多角形の内部に存在する１．乃至５．いずれか一つに記載の光センサ。
１２．  前記受光手段と前記回折手段との組み合わせを複数有する１．乃至１１．いずれか一つに記載の光センサ。
１３．  前記凸部及び凹部の高さは、前記入射光の波長の１／４倍以上１／２倍以下である１．乃至１２．いずれか一つに記載の光センサ。
１４．  複数の前記凸部の間の間隔、及び複数の前記凹部の間の間隔は、前記入射光の波長の１／２倍以上１倍以下である１．乃至１３．いずれか一つに記載の光センサ。
【００９９】
この出願は、２０１３年１月２２日に出願された日本出願特願２０１３−００９５４５号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
2014115592.tif 000005
【図２】
2014115592.tif 000006
【図３】
2014115592.tif 000007
【図４】
2014115592.tif 000008
【図５】
2014115592.tif 000009
【図６】
2014115592.tif 000010
【図７】
2014115592.tif 000011
【図８】
2014115592.tif 000012
【図９】
2014115592.tif 000013
【図１０】
2014115592.tif 000014
【図１１】
2014115592.tif 000015
【図１２】
2014115592.tif 000016
【図１３】
2014115592.tif 000017
【図１４】
2014115592.tif 000018
【図１５】
2014115592.tif 000019
【国際調査報告】
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2014115592.tif 000021
2014115592.tif 000022
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