特開 2017-44526 光フィルタ素子、これを用いた欠陥検出システム、及び光センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-44526(P2017-44526A)

(43)【公開日】2017年3月2日

(54)【発明の名称】光フィルタ素子、これを用いた欠陥検出システム、及び光センサ

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/04 20060101AFI20170210BHJP

   G01N 21/88 20060101ALI20170210BHJP

   G01J 1/42 20060101ALI20170210BHJP

【ＦＩ】

   G01J1/04 B

   G01N21/88 Z

   G01J1/42 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-165823(P2015-165823)

(22)【出願日】2015年8月25日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （１）タンパク質を用いた受容野型フィルター素子による画像処理２０１５年第６２回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集 平成２７年２月２６日発行 （２）タンパク質を用いた受容野型フィルター素子による画像処理２０１５年第６２回応用物理学会春季学術講演会にて発表 平成２７年３月１３日発表

(71)【出願人】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】岡田 佳子

(72)【発明者】

【氏名】高橋 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】向井 貴之

(72)【発明者】

【氏名】本井 拓馬

(72)【発明者】

【氏名】田邉 季正

【テーマコード（参考）】

2G051

2G065

【Ｆターム（参考）】

2G051AA51

2G051AA65

2G051CA03

2G051CA04

2G065AA04

2G065AA12

2G065AB04

2G065AB28

2G065BA27

2G065BB19

2G065BB49

2G065BB50

2G065BC11

2G065BC22

2G065BC35

(57)【要約】

【課題】 簡単な構成でアナログ画像処理やモーションセンサに適した光フィルタを実現する。
【解決手段】 光フィルタ素子は、それぞれが透明電極を有して互いに対向する第１基板及び第２基板と、前記第１基板の前記第２基板との対向面に第１のパターンで形成される第１光受容タンパク質膜と、前記第２基板の前記第１基板との対向面に第２のパターンで形成される第２光受容タンパク質膜と、前記第１基板と前記第２基板の間に充填される電解質溶液と、前記第１基板の前記第１光受容タンパク質膜と反対側の面に配置されるマスクと、を有し、前記マスクは、ガボール関数を多値化した開口パターンを有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれが透明電極を有して互いに対向する第１基板及び第２基板と、
前記第１基板の前記第２基板との対向面に第１のパターンで形成される第１光受容タンパク質膜と、
前記第２基板の前記第１基板との対向面に第２のパターンで形成される第２光受容タンパク質膜と、
前記第１基板と前記第２基板の間に充填される電解質溶液と、
前記第１基板の前記第１光受容タンパク質膜と反対側の面に配置されるマスクと、
を有し、前記マスクは、ガボール関数を多値化した開口パターンを有することを特徴とする光フィルタ素子。

【請求項2】

前記開口パターンは、動物の視細胞の受容野の構造モデルを表わすことを特徴とする請求項１に記載の光フィルタ素子。

【請求項3】

前記開口パターンの設計波長は、測定対象の空間周波数と相関することを特徴とする請求項１または２に記載の光フィルタ素子。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の光フィルタ素子を用いた光センサと、
測定対象物のライン・アンド・スペースパターンを撮影するカメラと、
前記カメラで撮影された画像を前記光フィルタ素子の前記開口パターン上に走査するプロジェクタと、
前記画像の走査により前記光フィルタ素子に流れる光電流の出力波形を表示する表示装置と、
を含む欠陥検出システム。

【請求項5】

前記プロジェクタは、前記ライン・アンド・スペースパターンのサイズが、前記マスクの前記開口パターンの設計波長に一致するように、前記画像を拡大して前記開口パターン上に投影し、走査することを特徴とする請求項４に記載の欠陥検出システム。

【請求項6】

前記開口パターンは、隣接する複数の開口を含み、
前記プロジェクタは、前記画像を前記複数の開口が並ぶ方向に走査することを特徴とする請求項４または５に記載の欠陥検出システム。

【請求項7】

計算機にてガボール関数のパラメータに所望の値を入力して数値計算し、絶対値を取った出力を所定の閾値を用いて多値化し、
前記多値化されたガボール関数を透明シート上に印刷し、
前記透明シートを、光受容タンパク質膜を有する光セルの入射面に配置する、
ことを特徴とする光フィルタ素子の作製方法。

【請求項8】

一対の透明電極基板の間に電解質溶液を介して保持される光受容タンパク質膜を有するセルと、前記光セルの入射面に配置され所定の開口パターンを有するマスクと、前記一対の透明電極基板の何れか一方に形成されるアンテナパターンとを有する光セルと、
前記光セルの前記マスクに対向する位置に配置される光源と、
を有し、
前記アンテナパターンは、前記光源と前記開口パターンの間を横切るバー状の物体の数及び／または方向に応じた出力波形の信号を送信する、
ことを特徴とする光センサ。

【請求項9】

前記開口パターンは円形または非対称のパターンであることを特徴とする請求項８に記載の光センサ。

【請求項10】

前記セルは、前記光源と前記開口パターンの間を横切るユーザの指の動きを検出することを特徴とする請求項８または９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、光受容タンパク質を用いた光フィルタ素子とこれを応用した欠陥検出システム、及び光受容タンパク質を用いた光センサに関する。

【背景技術】

【0002】

バクテリオロドプシンは高度好塩菌がもつ光受容タンパク質であり、動物の網膜等に存在する視物質（光受容タンパク質）のロドプシンと同様の構造と機能をもつ。バクテリオロドプシン（適宜、「ｂＲ」と略称する）は、人間の視覚と同じ微分応答反応を再現できることから、方向センサや速度センサへの応用が提案されている（非特許文献１）。また、ｂＲ薄膜が形成された一対のＩＴＯ基板の間に電解質溶液を挟み込んで光応答セルを作製しエッジ検出を行う手法が知られている（非特許文献２、及び非特許文献３）。ＩＴＯ基板上にｂＲ薄膜で２５６個の正方ピクセルパターンを形成し、ピクセルパターンからの出力信号を２５６個のＬＥＤに接続して二次元表示する構成も知られている（特許文献１）。

【0003】

網膜上に投影された視覚情報は、大脳皮質との中継点である外側膝状体を通り、大脳皮質の一次視覚野（Ｖ１）に伝送される。一次視覚野には、方向選択性と空間周波数選択性をもつ単純型細胞が存在し、エッジや動きの検出が行われる。一次視覚野には複雑型細胞も存在し、単純型細胞と同様に方向選択性と空間周波数選択性を有する。多数の単純型細胞による検出は複雑型細胞により一般化され、最適な条件（方位、空間周波数）の検出に収れんされる。その後、二次視覚野以降の領野で情報処理されて物体の形や動きが表現される。

【0004】

図１は、単純型細胞の受容野の構造モデルである。受容野とは、視覚細胞がもつ限られた視野である。単純型細胞では、受容野に興奮領域と抑制領域が隣接して並んでいる。興奮領域は、明るい光で刺激したときに発火する領域である。抑制領域は、暗い光で刺激したとき（光が消えると）発火する領域である。単純型細胞の受容野の構造は、２次元のガボール（Gabor）関数によって表される。図１の左側は対称ガボール型の構造、右側は非対称ガボール型の構造である。単純型細胞の受容野は、特定の空間周波数に強く反応し（空間周波数選択性）、特定の方向の線分に強く反応する（方向選択性）。

【0005】

図２は、ガボール関数を示す。ガボール関数は、ガウス関数と正弦波または余弦波の積で表わされ、空間周波数（線分の周期）や方向等の特徴量を抽出するフィルタリング機能をもつ。ガボール関数の波長λ、位相オフセットψ、三次元ガウス分布の底面楕円γ等のパラメータを選択することで任意の空間周波数、方向、位相等を抽出することができる。ガボールフィルタは、パターン認識や指紋認識、電子回路の欠陥検出などに適用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第２７２５０８９号（特開平４−３１２０８１号公報）

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】"Design of Intelligent Optical Sensors with Organized Bacteriorhodopsin Film,"Tsutomu MIYASAKA, Jpn. J. Appl. Phys. 34, 3920 (1995)

【非特許文献2】「光受容タンパク質バクテリオロドプシンによるバイオミメティックセンシング」、笠井克幸他、情報通信研究機構研究報告 Vol. 59, No. 1, 2013, pp61-68

【非特許文献3】「バクテリオロドプシン光センサーによる動作検出」、川本大樹他、２０１３年春、応用物理学会講演予稿集２９ｐ−Ａ１−９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ガボール関数によるフィルタリング処理は、画像処理演算量が膨大になり、ソフトウェアや通常のプロセッサではリアルタイム処理が困難である。また膨大な演算処理量のため消費電力が大きい。ガボールフィルタリングを欠陥検出に適用する場合、多数のカメラと多大な計算機処理時間を要する。

【0009】

他方、簡単な構成で動きを検知することのできるセンサが望まれるが、上述した公知の手法では、シンプルかつ高精度なモーションセンサとしての実用化には至っていない。

【0010】

そこで、本発明は簡単な構成でアナログ画像処理に適用できる光フィルタ素子とその応用及び光センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明では、光受容タンパク質を用いたアナログ画像処理に適する光フィルタ素子とそれを用いた欠陥検出システム及び光センサを実現する。

【0012】

具体的には、本発明の一態様として、単純型細胞受容野を模した光フィルタ素子を提供する。光フィルタ素子は、
それぞれが透明電極を有して互いに対向する第１基板及び第２基板と、
前記第１基板の前記第２基板との対向面に第１のパターンで形成される第１光受容タンパク質膜と、
前記第２基板の前記第１基板との対向面に第２のパターンで形成される第２光受容タンパク質膜と、
前記第１基板と前記第２基板の間に充填される電解質溶液と、
前記第１基板の前記第１光受容タンパク質膜と反対側の面に配置されるマスクと、
を有し、前記マスクは、ガボール関数を多値化した開口パターンを有することを特徴とする。

【0013】

本発明の別の態様として、欠陥検出システムを提供する。欠陥検出システムは、
上述の光フィルタ素子を用いた光センサと、
測定対象物のライン・アンド・スペースパターンを撮影するカメラと、
前記カメラで撮影された画像を前記光フィルタ素子の前記開口パターン上に走査するプロジェクタと、
前記画像の走査により前記光フィルタ素子に流れる光電流の出力波形を表示する表示装置と、
を含む。

【0014】

本発明のさらに別の態様として、モーションセンサに適した光センサを提供する。光センサは、
一対の透明電極基板の間に電解質溶液を介して保持される光受容タンパク質膜を有するセルと、前記光セルの入射面に配置され所定の開口パターンを有するマスクと、前記一対の透明電極基板の何れか一方に形成されるアンテナパターンとを有する光セルと、
前記光セルのマスクに対向する位置に配置される光源と、
を有し、
前記アンテナパターンは、前記光源と前記開口パターンの間を横切るバー状の物体の数及び／または方向に応じた出力波形の信号を送信する。

【発明の効果】

【0015】

簡単な構成でアナログ画像処理に適用することができる光フィルタ素子を実現する。また、任意のラインパターンを有するデバイスの欠陥検出に適用することができる。また、モーションセンサに適した光セルが実現される。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】単純型細胞受容野の構造モデルを示す図である。

【図2】ガボール関数を示す図である。

【図3】第１実施形態のガボール型の光フィルタ素子の構成を示す図である。

【図4】図３の光フィルタ素子を用いた測定光学系を示す図である。

【図5】ｂＲ光セルの光バー走査速度依存性を示す図である。

【図6】図３の光フィルタ素子の光バー走査速度依存性を示す図である。

【図7】図３の光フィルタ素子の光バー幅依存性を示す図である。

【図8】図３の光フィルタ素子の空間周波数特性を示す図である。

【図9】図３の光フィルタ素子を用いた欠陥検出を説明する図である。

【図10】図３の光フィルタ素子の方向選択性を示す図である。

【図11】図３の光フィルタ素子の方向選択性を示す図である。

【図12】図３の光フィルタ素子を用いた欠陥検出システムの概略図である。

【図13】４つの光フィルタ素子を用いた1素子デバイス例を示す図である。

【図14】第２実施形態の光センサの概略図である。

【図15】図１４の光センサで得られる出力波形の図である。

【図16】図１４の光センサの変形例である。

【図17】マスクパターンの変形例とその出力波形を示す図である。

【図18】マスクパターンの変形例とその出力波形を示す図である。

【図19】第１実施形態の光フィルタ素子の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

実施形態では、ｂＲ薄膜を用いた光デバイスを提供する。ｂＲ薄膜の材料である紫膜はもともと太陽電池（エネルギー供給源）としての機能をもつので、バイアス電源も不要である。またｂＲ薄膜を用いた光セルは微分・差分機能をもつので、外部演算回路も不要である。以下で、具体的な実施形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図３は、第１実施形態で提供される光フィルタ素子１０の構成を示す。光フィルタ素子１０は、ガボールフィルタを実現するアナログ素子である。光フィルタ素子１０は、互いに対向する一対のＩＴＯ基板１２、１３と、光入射側のＩＴＯ基板１２の入射面に配置されるマスク１１を有する。ＩＴＯ基板１２とＩＴＯ基板１３の互いに対向する面には、所定の形状にパターニングされたｂＲ薄膜１５ａ、１５ｂが形成されている。より具体的には、ＩＴＯ基板１２のマスク１１と反対側の面の興奮領域に相当する位置に、ｂＲ薄膜１５ａがパターニングされている。ＩＴＯ基板１３の対向面の抑制領域に相当する位置に、ｂＲ薄膜１５ｂがパターニングされている。ＩＴＯ基板１２と１３の間には、電解質溶液１６がＯリングなどのシーリング部材１７により封入されている。電解質溶液１６は、たとえばｐＨ８．３のＫＣｌ（塩化カリウム）の０．１Ｍ溶液である。

【0018】

マスク１１は、ガボール関数を二値化した開口パターン１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃを有する。図２に示したように、ガボール関数は式（１）で表される。

【0019】

【数1】

ここで、σはガウス関数の広がり、γは三次元ガウス分布の底面楕円形状、λは波長（ｘ方向の空間周波数）、ψはガウス関数の位相オフセット、θは座標系の回転角である。このガボール関数を数値計算し、絶対値をとった出力を所定の閾値で切って二値化する。一例として、σ＝２、γ＝１、λ＝４、ψ＝０として数値計算し、拡大印刷すると中央の開口パターン１１ｂの幅は３．２ｍｍ、両側の開口パターン１１ａと１１ｃの幅は２．５ｍｍで、設計波長λ=８．７ｍｍになる。開口パターン１１ａ〜１１ｃの幅方向は、図２のガボール関数のｘ方向に相当する。

【0020】

次に、光フィルタ素子１０の作製方法を説明する。ｂＲ薄膜１５ａ、１５ｂは、ディップコート法、スピンコート法、キャスト法など、任意の方法で形成できる。たとえばディップコート法を用いる場合は、ＩＴＯ基板１２，１３のｂＲ薄膜１５ａ、１５ｂの形成領域以外の部分をマスキングする。マスキングしたＩＴＯ基板１２，１３をｂＲ懸濁液に浸漬して、所定の速度で引き上げる。引き上げ速度によってｂＲ薄膜１５ａ、１５ｂの厚さを制御することができる。実施形態では、興奮領域のｂＲ薄膜１５ａの厚さを９４．２ｎｍ、抑制領域のｂＲ薄膜１５ｂの厚さを６３．５ｎｍとする。

【0021】

ｂＲ薄膜１５ａ、１５ｂが形成されたＩＴＯ基板１２，１３の間にシーリング部材１７としてのＯリングを挟み込み、電解質液を注入する。Ｏリングの直径は、一例として１５ｍｍである。ＩＴＯ基板１２と１３を、図示しない別の支持基板で挟み込んで固定してもよい。

【0022】

マスク１１は、グラフィックソフトウェアでガボール関数を数値計算し、絶対値出力を所定の閾値で切って二値化する。この計算結果をプリンタで透明シートに印刷してマスク１１を作製する。マスク１１を、ＩＴＯ基板１２の入射面に透明樹脂または接着剤で貼り付ける。開口パターン１１ａ〜１１ｃの中に、透明なＩＴＯ基板１２を介してｂＲ薄膜１５ａ、１５ｂが位置し、受光部となる。ガボール関数のパラメータを変えて印刷するだけで、楕円率や透過率の異なるマスク１１を容易に作製することができる。

【0023】

光フィルタ素子１０は、一対の電極（ＩＴＯ基板の透明電極）とｂＲ薄膜１５ａ、１５ｂ、及びマスク１１だけを用いた簡単な１画素のアナログ素子である。このアナログ素子は、シンプルなｂＲ成膜法とマスク１１のプリントアウトだけで作製することができる。ｂＲ薄膜１５の材料である受容体タンパク質自体が、好塩菌（バクテリア）にとって「太陽電池」のようなエネルギー源に当たるので、光フィルタ素子１０を駆動するためのバイアス電源が不要である。

【0024】

図４は、図３の光フィルタ素子１０の特性を評価する測定光学系１の概略図である。測定光学系１は、光センサ２０と、光センサ２０に接続されるオシロスコープ２５と、プロジェクタ３０と、レンズ３５を含む。光センサ２０は、光フィルタ素子１０と、光フィルタ素子１０に接続される電流電圧コンバータ２１を有する。電流電圧コンバータ２１は、内部に増幅回路を有する。光センサ２０の回路は、興奮領域のｂＲ薄膜１５ａで光バーのエッジが検出されたときに正の光電流が流れ、抑制領域のｂＲ薄膜１５ｂで光バーのエッジが検出されたときに負の光電流が流れるように接続されている。

【0025】

プロジェクタ３０は、たとえば入射光強度５０ｍＷ／ｃｍ²の水銀ランプを光源として用いる。レンズ３５は焦点距離８００ｍｍの凸レンズであり、プロジェクタ３０からの光をフィルター上にフォーカスする。レンズ３５から光フィルタ素子１０までの距離は４０ｃｍである。光フィルタ素子１０に流れる光電流をオシロスコープ２５で観測する。

【0026】

光フィルタ素子１０の評価に先立って、マスク１１を用いないｂＲ薄膜単体のｂＲ光セル１８を用いてｂＲの光応答特性を確認する。ｂＲ光セル１８は一対のＩＴＯ基板の間にｂＲ薄膜と電解質溶液を挟み込んだ公知の構成である。

【0027】

図５は、ｂＲ光セル１８の光応答特性を示す。光センサ２０のケース２３の前面にｂＲセル１８を固定し、プロジェクタ３０で、ライン形状に成形された光ビーム（「光バー３１」と称する）をｂＲ光セル１８に対して走査する。ｂＲ光セル１８のｂＲ薄膜の厚さは３０ｎｍ、受光部の面積は１０×１０ｍｍ²、電解質溶液は図３の光フィルタ素子１０と同じものである。光バー３１の幅は１．７ｍｍとし、走査速度を変えながら光電流値（peak-to-peak値）を測定する。

【0028】

図５の右側のグラフは、光バー３１の走査速度とｂＲ光セル１８に流れる光電流の関係を示す。走査速度が２００ｍｍ／ｓまで光電流は急峻に増大し、２００ｍｍ／ｓ以降はほぼ一定となる。ｂＲ光セル１８の光電流は、走査速度２００ｍｍ／ｓ以降は飽和する。これは、ｂＲ光セルが遅い動きには反応せず，一定速度以上の速い動きによく反応することを示している。

【0029】

次に、図３の光フィルタ素子１０を用いて、光バー走査速度依存性を測定する。上述のように、光フィルタ素子１０はマスク１１を有し、脳の一次視覚野の単純型細胞受容野の構造を模したものである。

【0030】

図６は、光フィルタ素子１０の特性測定結果を示す。図４の測定光学系１で、プロジェクタ３０の光バーの幅を１．３ｍｍに成形する。グラフ（Ａ）は、走査速度を８０ｍｍ／ｓとしたときの光電流出力波形、グラフ（Ｂ）は、光バー走査速度依存性を示す。グラフ（Ａ）で、マスク１１の開口パターン１１ｂ（図３参照）に光が入射したときに、興奮領域が刺激されて正の光電流が流れる。開口パターン１１ａ及び１１ｃに光が入射したときに、抑制領域が刺激されて負の光電流が流れる。グラフ（Ｂ）から、光バーの走査速度が５０ｍｍ／ｓまでは、速度が速いほど出力が高くなり、走査速度が毎秒数センチ〜１０数センチの間で良好な出力が得られることがわかる。

【0031】

図７は、光フィルタ素子１０の光バー幅依存性を示す。光バーの幅を２．６ｍｍ〜８．６ｍｍの間で変え、図の左側から右側へ、マスク１１の開口パターン１１ａ〜１１ｃが並ぶ方向に沿って光バーを走査する。走査速度は４０ｍｍ／ｓ、８０ｍｍ／ｓ、１２０ｍｍ／ｓの３通りで測定する。

【0032】

図７のグラフに示すように、走査速度にかかわらず特定の幅に強く反応することがわかる。この例では、光バー３１の幅が４〜５ｍｍ付近のときに最大出力が得られる。開口パターン１１ａ〜１１ｃを合わせて二値化パターンと称すると、４〜５ｍｍという光バー３１の幅は、図３の二値化パターンの設計波長λの１／２に近似する。もっとも、検出感度のマージンは広く、走査速度に関係なく高い電流値が得られている。特に光バー３１の幅が４〜７ｍｍの間で高い出力が得られている。これは、図２のガボール関数を所定の閾値で二値化したためと考えられる。複数の閾値を用いてガボール関数を段階的な値（グレースケール）で多値化してマスク１１を形成した場合は、最大出力が４．５ｍｍ近傍に収束し、精度が上がる。また、検知したい対象物のサイズに合わせて多値化パターン（開口パターン１１ａ〜１１ｃを有する二値化パターンなど）を設計することで、高感度のセンサが実現する。

【0033】

図８は、光フィルタ素子１０の空間周波数特性を示す図である。図７では一本の光バーの幅を変えて走査したが、図８では複数の光バーを並べた状態で走査する。通常ガボールフィルターの空間周波数特性は、設計正弦（余弦）波の波長λの逆数に一致するとき最も高感度であることが知られている。光バーの本数は６本、走査速度を８０ｍｍ／ｓに設定し、光バーの幅／間隔を変えたところ、４〜５ｍｍの間で出力プロファイルが安定かつ最大出力となる。図８は、バー幅／間隔が２．６ｍｍ、４．９ｍｍ、８．６ｍｍの結果を示す。複数の光バーを並べた配列は、半導体集積回路などの電子部品のライン・アンド・スペースと類似しており、図８の空間周波数特性を利用して、配線パターンの検出を高精度に行うことができる。この場合、電子部品の配線のライン・アンド・スペース（１μｍ、１０μｍなど）が光フィルタ素子１０の二値化パターンの設計波長に合致するように、プロジェクタ３０の倍率を制御することで、高精度の空間周波数検出が可能になる。

【0034】

図９は、空間周波数の欠陥検出を示す図である。図９（Ａ）のように、幅と間隔の異なる複数の光バーを並べて、光フィルタ素子１０上を走査する。走査速度は８０ｍｍ／ｓである。走査の先頭側（図の右側）から１〜３本目と６〜７本目の光バーの幅と間隔は４．９ｍｍ、４本目と５本目の光バーの幅及び間隔は２．９ｍｍである。

【0035】

図９（Ｂ）のグラフは測定結果を示す。矢印Ａで示すように、周期構造が異なる４本目と５本目の光バーのみで出力が著しく低下している。このことから、光フィルタ素子１０を空間周波数の欠陥抽出に適用できることがわかる。詳細は後述するが、たとえば半導体集積回路の配線パターンの欠陥検出に適用することができる。

【0036】

図１０は、光フィルタ素子１０の方向選択性を示す図である。マスク１１に対して光バーを走査する方向を変えて、光フィルタ素子１０の応答特性を測定する。走査する光バーの幅は４．９ｍｍ、走査速度は８０ｍｍ／ｓである。グラフ（Ａ）は、マスク１１の開口パターン１１ａ〜１１ｃの配列方向に沿って走査（走査角度０°）したときの出力プロファイルである。グラフ（Ｂ）は走査角度が４５°のときの出力プロファイルである。グラフ（Ｃ）は走査角度が９０°、すなわち、開口パターン１１ａ〜１１ｃの配列方向と直交する方向に光バーを走査したときの出力プロファイルである。グラフ（Ｄ）は、走査方向が１３５°のときの出力プロファイルである。

【0037】

これらの結果から、角度を変えることで出力が８０％ほど減少し、開口パターン１１ａ〜１１ｃの配列方向に沿って光バーを走査するとき（走査角度０°）だけ強い反応が得られることがわかる。

【0038】

図１１は、走査速度を変えて図１０を同様の測定を行い、光電流値を角度の関数としてプロットした図である。図１０と同様に、光フィルタ素子１０は、走査速度にかかわりなく強い方向選択性を示す。

【0039】

図６〜図１１の結果から、光フィルタ素子１０は、任意のライン状のものやパターンを検出することができ、たとえば電子部品の欠陥検出に良好に適用できることがわかる。

【0040】

図１２は、光フィルタ素子１０を用いた欠陥検出システム５０の概略図である。欠陥検出システム５０は、図４の光センサ２０と、プロジェクタ３０と、カメラ５５と、表示装置５６を有する。表示装置５６は、図４のようにオシロスコープ２５でもよいし、パーソナルコンピュータの表示画面でもよい。光センサ２０は、マスク１１を有する光フィルタ素子１０をアナログセンサ素子として有する。

【0041】

たとえば、ウェハ５１上の各チップ領域５２に形成された所定の配線パターンをカメラ５５で順次撮影する。ウェハ５１を保持する図示しないステッパをチップ単位で走査することで、チップ領域５２を順次カメラ５５の撮影領域内に移動する。ウェハ５１は、ウェハ５１に形成されたアライメントマークにより、チップ領域５２の配線パターンの並ぶ方向が、光フィルタ素子１０のマスク１１の開口パターン１１ａ〜１１ｃの配列方向と一致するように保持されている。チップ領域５２のライン・アンド・スペースは、あらかじめ設計データからわかっている。

【0042】

カメラ５５は、順次電子部品の配線パターンを撮影する。カメラ５５で取得された画像データは、プロジェクタ３０に供給される。プロジェクタ３０は拡大機能と画像回転機能を有してもよい。プロジェクタ３０は、画像データの配線パターンのライン・アンド・スペースが、光フィルタ素子１０の二値化パターンの開口配列方向の幅の１／２となるように画像データを拡大し、ミラー等により光センサ２０上に走査する。

【0043】

光センサ２０は、光フィルタ素子１０で生じる光電流を電圧変換して表示装置５６に出力する。図９を参照して説明したように、配線パターンのライン・アンド・スペースが設計値から外れている場合は、出力波形に欠損が生じる。したがって、電子部品等の欠陥をリアルタイムで検出することができる。この方法は、画像処理の一部をアナログ処理とすることで、従来のガボールフィルタを用いた画像処理と比較して、計算時間を大幅に低減することができる。また、消費電力も小さい。

【0044】

ひとつのチップ領域５２が複数の配線領域を有し、配線領域によって配線方向が９０°異なる場合は、プロジェクタ３０でチップ領域５２ごとの画像データを一時的に格納し、画像データを９０°回転して画像を光センサ２０上に走査することも可能である。

【0045】

図１２の欠陥検出システム５０は、プリント基板等の個別の電子部品をベルト上で順次検査する場合にも適用できる。

【0046】

図１３は、光フィルタ素子１０の変形例として、複数の二値化パターンを配置した光フィルタ素子１０Ａを示す。光フィルタ素子１０Ａは、４つのフィルタで構成された１素子デバイスである。光フィルタ素子１０Ａでは、一つのマスク１１Ａに向きが異なる複数の二値化パターンＰ１〜Ｐ４が形成されている。二値化パターンＰ１〜Ｐ４の各々がガボール関数を二値化した開口パターン１１ａ〜１１ｃを有する。マスク１１Ａは、グラフィックソフトウェアの数値計算により開口パターン１１ａ〜１１ｃの形状とサイズを決定し、パターンの向きを回転させるレイアウト処理を施してからプリントアウトすることで、簡単に作製できる。光フィルタ素子１０Ａの一方のＩＴＯ基板１２に、二値化パターンＰ１〜Ｐ４の興奮領域に相当するｂＲ薄膜１５ａを形成する。ＩＴＯ基板１３に、二値化パターンＰ１〜Ｐ４の抑制領域に相当するｂＲ薄膜１５ｂを形成する。ＩＴＯ基板１３のｂＲ薄膜１５ｂと反対側の面の図示しない電極も、ｂＲ薄膜１５ｂと同様のパターンであるのが望ましい。

【0047】

光フィルタ素子１０Ａは、検出対象となるライン・アンド・スペースパターンの方向が未知の場合に有用である。図１０を参照して説明したように、ライン・アンド・スペースパターンがＸ方向に並んでいるときは、二値化パターンＰ１で最大出力が得られ、その他の二値化パターンＰ２〜Ｐ４では出力がほとんど無いか、わずかに逆極性の出力となる。ライン・アンド・スペースパターンが並ぶ方向がＸ軸と４５°の角度をなすときは、二値化パターンＰ２で最大出力となり、その他の二値化パターンＰ１，Ｐ３，Ｐ４の出力は影響しない。ライン・アンド・スペースパターンがＹ方向に並ぶときは、二値化パターンＰ３で最大出力が得られる。ライン・アンド・スペースパターンがＸ軸から１３５°のときは、二値化パターンｐ４で最大出力が得られる。

【0048】

光フィルタ素子１０Ａを光センサ２０（図１２参照）の入射面に配置し、プロジェクタ３０で撮影画像の投射光をＸ軸方向に走査する。これにより、プロジェクタ３０に画像データの回転機能がなくても、ライン・アンド・スペースパターンの欠陥検出を行うことができる。また、チップ領域５２や電子部品が斜め配線を含む場合も、有効に欠陥検出を行うことができる。
＜第２実施形態＞
図１４は、第２実施形態の光センサ６０を示す。第２実施形態では、ｂＲ薄膜を用いた光セルの適用例として、簡便なモーションセンサを提供する。光センサ６０は、光セル８０と、光源６２を有する。光セル８０は、ＩＴＯ基板１２上に成膜されたｂＲ薄膜１５と、対極ＩＴＯ基板１３の間に電解質溶液を介して保持される。光入射側のＩＴＯ基板１２の入射面に配置され、所定の開口パターン１１ｄを有するマスク１１と、いずれか一方のＩＴＯ基板（図の例ではＩＴＯ基板１３）に形成されたアンテナパターン１９を有する。開口パターン１１ｄは、この例では直径１０ｍｍ〜１５ｍｍの円形のパターンである。円形のパターンとすることで任意の方向からの物体の動きを検知する。ＩＴＯ基板１３に薄膜技術などを用いてアンテナパターン１９に接続される増幅回路を形成してもよい。

【0049】

光源６２と光セル８０を、スタンド台６１で一体的に保持してもよい。この場合は、スタンド台６１の開口パターン１１ｄに対応する位置に円形窓６３を形成する。円形窓６３内に露出する光セル８０が受光部となる。

【0050】

光セル８０のｂＲ薄膜１５はタンパク質であり、その吸収波長領域は５００〜６５０ｎｍである。光源６２としては、白色ＬＥＤや安価な緑色または赤色ＬＥＤを用いることができる。ＬＥＤの指向性が良い場合はＬＥＤをそのまま用いる。ＬＥＤの指向性がそれほど良くない場合は、図示しない平板型円形フレネルレンズを被せて受光効率を向上してもよい。

【0051】

通常状態で、自然光あるいは光源６２からの光が円形窓６３から受光部としての光セル８０に入射しているだけでは何の変化も生じないので、光セル８０の出力はゼロである。円形窓６３上を物体が横切ったときに、光セル８０は物体の動き及び／またはエッジを検出して、応答する。一例として、円形窓６３に物体のエッジが入ったときに負に出力し、円形窓６３から物体のエッジが出たときに正に出力するように、ＩＴＯ基板１２と１３の透明電極の極性を設定する。逆の極性に設定して、受光部である円形窓６３に物体のエッジが入ったときに正に出力、エッジが出たときに負に出力するように接続してもよい。たとえば、光源６２がオンの状態でユーザの指が円形窓６３上を素早く横切ったときに、光セル８０は応答する。

【0052】

図１５は、円形窓６３を横切る指の本数に応じた出力波形を示す。図１５の（Ａ）は指が一本のときの出力波形、（Ｂ）は指が２本のときの出力波形、（Ｃ）は指が３本のときの出力波形、（Ｄ）は指が４本のときの出力波形である。（Ａ）〜（Ｄ）の波形のそれぞれにコマンドを割り当てると、２ビットの情報を送信することができる。指の数に応じた光セル８０の応答出力を、アンテナパターン１９でワイヤレス送信する。

【0053】

光センサ６０に近傍に、Bluetooth（登録商標）等の近距離無線通信機能付きの情報端末７０を配置することで、非接触でコマンド操作することができる。たとえば、情報端末７０で料理レシピを開いているときに、次の手順へのページ操作や、料理の出来上がり状態の画像の確認を、非接触ですることができる。

【0054】

光センサ６０は、情報端末７０だけではなく、無線通信機能付きの家電（クッキングヒーター、エアコンデュショナー、電灯）や、換気扇、ドア等とワイヤレス通信することで家電や換気扇のオン・オフ、ドアのロックまたはアンロックを非接触で指示することができる。

【0055】

光セル８０は簡単なアナログ素子でありながら、エッジ検出に非常に敏感であり、動きの速度が速いほど検出感度が良い。円形窓６３の上方で指を振るだけで４通りのコマンドを送信することができるので、利用者にとって有用である。後述するように、受光部の形状あるいはマスク１１の開口パターンを非対称な形状にすることで、情報量をさらに増やすことができる。光センサ６０はスタンド型に限定されず、たとえば、壁に設置してもよい。

【0056】

図１６は、光センサ６０の変形例としてコンパクトケース型の光センサ６０Ａを示す。ケース６５の蓋６５ｂの裏側に、光源６２Ａを配置する。光源６２Ａは、たとえばＬＥＤにフレネルレンズを被せたものである。ケース６５の本体６５ａ側に、光セル８０Ａと、ＬＥＤのドライバＩＣ６６を配置する。光セル８０Ａのマスク１１の開口パターン１１ｄが受光部となる。光センサ６０Ａのケース６５の蓋６５ｂを開いて、受光部上で指を振るだけで所定のコマンドを送信することができる。この光センサ６０Ａは場所を選ばないので有利である。

【0057】

図１７は、マスク１１の別の開口パターンと出力波形を示す。図１７（Ａ）で、マスク１１は非対称の開口パターン１１eを有する。たとえば、紙面の右向きに回転させた正三角形の開口パターン１１eを形成する。正三角形の開口パターン１１eの中に露出するｂＲ薄膜（図１７では不図示）が受光部となる。

【0058】

指が三角形の辺を通過するときに高い出力、頂点を通過するときに低いなだらかな出力が得られる。図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）の配置パターンで、指を左から右へ横切らせたときの出力波形、図１７（Ｃ）は、指を右から左へ横切らせたときの出力波形である。動かす指を１本〜４本と変化させ、かつ移動方向を右から左、または左から右に変えることで、８通りの出力波形が得られる。８通りの出力波形にそれぞれコマンドを割り当てることで、３ビットの情報を送信することができる。

【0059】

図１８は、マスク１１のさらに別の開口パターンと出力波形を示す。図１８（Ａ）で、マスク１１は、異なるサイズの矩形の開口パターン１１fと１１gを間隔を置いて組み合わせた非対称のパターンを有する。開口パターン１１fと１１gの幅はほぼ同じ、開口パターン１１gの高さは開口パターン１１fの高さの４０〜６０％、２つのパターンの間のスペース幅は、開口パターン１１fと１１gの幅の約半分である。

【0060】

図１８（Ｂ）は指をマスク１１の左から右へ横切らせたときの出力波形、図１８（Ｃ）は指をマスク１１の右から左へ横切らせたときの出力波形である。この例では、指が開口パターンに入ったときに負の出力となり、開口パターンを出るときに正の出力となるようにＩＴＯ基板の透明電力の接続が設定されている。

【0061】

図示は省略するが、マスク１１で指を上から下に横切らせたときは、負のピークが２つ（開口パターン１１fに入るときと、開口パターン１１gに入るとき）現れた後に、正のピークが１つ（開口パターン１１f、１１gの両方から出るとき）現れる。指を下から上に横切らせたときは、負のピークがひとつ現れた後に、正のピークが２つ（開口パターン１１gを出るときと開口パターン１１fを出るとき）、連続して現れる。

【0062】

この場合、４通りの出力波形が得られる。

【0063】

第２実施形態の光センサ６０（または６０Ａ）では、簡単な構成で物体の動きを検知して、複数種類の情報を送信することができる。

【0064】

上述した実施形態以外に種々の変形が可能である。たとえば、第１実施形態の光フィルタ素子に反射膜を用いてもよい。

【0065】

図１９は、光フィルタ素子の変形例として光フィルタ素子１０Ｂを示す。光フィルタ素子１０Ｂの基本的構成は、図３の光フィルタ素子１０と同様であるが、光りの入射側と反対側のＩＴＯ基板１３の裏面に反射膜４１が形成されている。反射膜４１として、アルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）など、高反射率を有する適切な材料を用いることができる。

【0066】

反射膜４１を設けることで、図中の矢印Ａで示すように、入射光がＩＴＯ基板１２→ｂＲ薄膜（１５aまたは１５ｂ）→ＩＴＯ基板１３の反射膜４１で反射→ｂＲ薄膜（１５ｂまたは１５ａ）→ＩＴＯ基板１２→出射の順で進み、ｂＲ薄膜を二度通過する。この構成により、光強度が二倍になりセンサ感度が向上する。逆に言うと、弱い光でも検出可能になる。反射が得られればよいので、ＩＴＯ基板１３と反射膜４１に替えて、金属板を電極として用いてもよい。

【0067】

以上述べたように実施形態の光フィルタ素子・光セルは、アナログ画像処理や電子部品の欠陥検出、モーションセンサ等に適用することができる。また、実施形態の光フィルタ素子を用いることで、簡単な構成でライン状またはバー状の任意の物体を検出することができる。

【符号の説明】

【0068】

１ 測定光学系
１０、１０Ａ、１０Ｂ 光フィルタ素子
１１ マスク
１１ａ〜１１ｇ 開口パターン
１２，１３ ＩＴＯ基板（透明電極基板）
１５，１５ａ、１５ｂ ｂＲ薄膜（光受容タンパク質膜）
１６ 電解質溶液
１７ シーリング(スペーサー)部材
１８、８０、８０Ａ 光セル
１９ アンテナパターン
２０、６０、６０Ａ 光センサ
２５ オシロスコープ
３０ プロジェクタ
３５ レンズ
３１ 光バー
５０ 欠陥検出システム
５５ カメラ
５６ 表示装置

【図1】

【図3】

【図4】

【図6】

【図7】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図2】

【図5】

【図8】