專利名稱：三維傳感器用光波導路和使用該光波導路的三維傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及三維傳感器用光波導路和使用該光波導路的 三維傳感器。
背景技術：
三維傳感器通常朝向測量對象物射出光、電波，并接收被 該測量對象物反射的光、電波，在計算機等中進行運算處理， 從而獲得上述測量對象物的三維形狀、位置、速度等信息(例 如參照專利文獻l )。
專利文獻l:日本特開2007—163429號7>才艮 可是，上述以往的三維傳感器是較大的裝置。因此，將以 往的三維傳感器安裝在例如用于金融機構的ATM、車站的售票 機、便攜式游戲機等的觸摸面板上而用作檢測手指的觸摸位置 的檢測部件，有可能因該三維傳感器比觸摸面板的主體還大而 不實用。
此外，如本發(fā)明這樣將光波導路用作三維傳感器是以往沒 有過的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這樣的背景而做成的，其目的在于提供一種 能小型化的三維傳感器用光波導路和使用該光波導路的三維傳 感器。
為了達到上述目的，本發(fā)明的第l技術方案是一種三維傳 感器用光波導路，其包括沿厚度方向同軸層疊的多層框狀光波 導路體和由層疊的光波導路體的內(nèi)側空間構成的測量用空間，其中，上述各光波導路體包括發(fā)光芯、受光芯、覆蓋這些芯的
邊緣中的 一 方內(nèi)側邊緣上的光射出端部和定位于各框狀光波導 路體的外側邊緣上的光入射端部，上述受光芯具有定位于各框 狀光波導路體的相對內(nèi)側邊緣中的另 一 方內(nèi)側邊緣上的光入射 端部和定位于各框狀光波導路體的外側邊緣上的光射出端部。
此外，本發(fā)明的第2技術方案是一種三維傳感器，其包括 上述三維傳感器用光波導路、控制部件、與上述發(fā)光芯的光入 射端部相關聯(lián)地設于上述框狀光波導路體的外側部且向上述發(fā) 光芯射出光的發(fā)光元件、與上述受光芯的光射出端部相關聯(lián)地 設于上述框狀光波導路體的外側部且自上述受光芯接受光的受 光元件，其中，上述控制部件與上述發(fā)光元件和受光元件電連 接，控制自上述發(fā)光元件發(fā)出的光，且運算處理由上述受光元 件接受到的信號。
即、本發(fā)明的三維傳感器用光波導路沿厚度方向同軸層疊 有多層上述框狀的光波導路體，該層疊的框狀的內(nèi)側空間(由 在層疊方向上連續(xù)的被框圍成的空心空間構成的空間)形成配 置測量對象物或使測量對象物通過的測量用空間。此外，使用 了該三維傳感器用光波導路的本發(fā)明的三維傳感器形成為在上 述框狀光波導路體的外側部設置上述發(fā)光元件和受光元件，將 這些發(fā)光元件和受光元件與上述控制部件進行電連接的構件。 在該三維傳感器中，框狀光波導路體能薄型化和小型化，發(fā)光 元件、受光元件和控制部件也能小型化，因此，由它們構成的 本發(fā)明的三維傳感器能小型化。而且，在本發(fā)明的三維傳感器 中，由上述框狀光波導路體的框圍成的空心空間中，按照來自 上述控制部件的發(fā)光信號使發(fā)光元件發(fā)光，自發(fā)光芯的光射出 端部射出光，使該光入射到受光芯的光入射端部。在該狀態(tài)下，若在上述三維傳感器用光波導路的上述測量用空間中配置測量 對象物或使測量對象物通過，則該測量對象物遮擋上述射出光 的一部分，因此，利用上述受光元件感知該凈皮遮擋的部分，利 用上述控制部件運算處理該信號與向上述發(fā)光元件發(fā)送的發(fā)光 信號，從而能夠獲得上述測量用空間中的上述測量對象物的三 維位置、傾斜、速度、大小等信息。
另外，本發(fā)明的"框狀"不僅是指框連續(xù)的構件，也包括該 框的一部分分離而變得不連續(xù)的構件。例如，在四邊形的"框狀"
的情況下，也包括使2個L字狀部相對而配置成四邊形的"框狀" 的構件。
本發(fā)明的三維傳感器用光波導路是將具有射出光的芯的 端部和入射該射出的光的芯的端部的多層框狀的光波導路體沿 厚度方向同軸層疊而成的構件，該層疊的框狀的光波導路體的 內(nèi)側空間形成配置測量對象物或使測量對象物通過的測量用空 間。此外，上述光波導路體能薄型化和小型化，因此層疊該光 波導路體而成的本發(fā)明的三維傳感器用光波導路能小型化，使 用該三維傳感器用光波導路的三維傳感器也能小型化。
特別是在上述光波導路體中，在發(fā)光芯的光射出端部形成 為第l透鏡部，該第l透鏡部的透鏡面形成為朝向外側鼓起的俯 視呈圓弧狀，上述上敷層的端緣形成為覆蓋上述第1透鏡部的 透鏡面的狀態(tài)，該上敷層的端部形成為第2透鏡部，該第2透鏡 部的透鏡面形成為朝向外側鼓起的側剖視呈圓弧狀的情況下， 能在形成上敷層的時刻自動地使發(fā)光芯光射出端部的第l透鏡 部與上覆層端部的第2透鏡部成為位置對合的狀態(tài)。因此，能 夠不需要上述第l透鏡部與第2透鏡部的位置對合操作，能夠提 高生產(chǎn)率。而且，利用上述第1透鏡部 第2透鏡部的折射作用， 能夠抑制射出的光的發(fā)散，能夠提高所獲得的有關測量對象物的信息的準確性。
而且，受光芯的光入射端部形成為第3透鏡部，該第3透鏡 部的透鏡面形成為朝向外側鼓起的俯視呈圓弧狀，上述上敷層 的另 一端緣形成為覆蓋上述第3透鏡部的透鏡面的狀態(tài)，該上 敷層的端部形成為第4透鏡部，該第4透4竟部的透4竟面形成為朝 向外側鼓起的側剖視呈圓弧狀的情況下，與發(fā)光側的上述第1 透鏡部與第2透鏡部相同，能夠在形成上敷層的時刻自動地使 第3透鏡部與第4透鏡部成為位置對合的狀態(tài)，能夠提高生產(chǎn) 率。而且，利用上述第3透鏡部與第4透鏡部的折射作用，能夠 使入射光收攏而聚集后導入到芯內(nèi)，能夠提高所獲得的有關測 量對象物的信息的準確性。
此外，在將處于層疊狀態(tài)的光波導路體使框以規(guī)定軸線為 中心線相互錯開的狀態(tài)定位的情況下，由于框的錯開，自各光 波導路體的發(fā)光芯射出的光的方向相互不同。因此，能夠根據(jù) 高度位置改變角度地測量立體的測量對象物。由此，能夠獲得 測量對象物的大致形狀。即，在一個光波導路體中，能夠獲得 光對測量對象物照射部分的輪廓形狀。若使該光波導路體的框 以沒有錯開的狀態(tài)(框?qū)R的狀態(tài))層疊多層，則由于所有的 自光波導路體的發(fā)光芯射出的光的方向都相同，因此只能獲得 相對于測量對象物的某個恒定的方向的、光照射部分的輪廓形 狀。因此，無法獲得光沒有照射到的部分(陰影部分)等的形 狀。對此，若如本發(fā)明這樣的以使框錯開的狀態(tài)層疊多層光波 導路體，則由于能夠根據(jù)測量對象物的高度位置來從不同方向 照射光，所以能夠通過改變測量對象物的高度位置來獲得不同 方向的輪廓形狀。而且，能夠由上述多層不同方向的輪廓形狀 獲得測量對象物的大致形狀。
本發(fā)明的三維傳感器是，在能小型化的上述三維傳感器用光波導路中，在框狀的光波導路體的外側部設置發(fā)光元件和受 光元件，利用控制部件電連接上述發(fā)光元件和受光元件而形成 的。因此，本發(fā)明的三維傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)小型化。此外，若在 上述三維傳感器用光波導路的測量用空間中配置測量對象物或 使測量對象物通過，則能夠獲得在上述測量用空間中的測量對 象物的三維位置、傾斜、速度、大小等信息。


圖l是示意性地表示本發(fā)明的三維傳感器用光波導路的第 l實施方式的立體圖。
圖2是示意性地表示構成上述三維傳感器用光波導路的光 波導路體，(a)是其俯視圖，(b)是(a)的用圏部C圏起來的 芯的端部的放大俯視圖，(c)是(b)的X-X剖視圖。
圖3是示意性地表示使用了上述三維傳感器用光波導路的 三維傳感器的立體圖。
圖4是示意性地表示上述光波導路體的光的射出狀態(tài)，(a) 是其俯視圖，(b)是(a)的X-X剖視圖。
圖5是示意性地表示上述三維傳感器的測量對象物的測量 方法的說明圖。
圖6是示意性地表示將上述三維傳感器用作觸摸面板的手 指的接觸位置的檢測部件的情況的說明圖。
圖7的(a) (d)是示意性地表示上述三維傳感器用光波 導路的制造方法的說明圖。
圖8的(a) ~ ( d)是接著示意性地表示上述三維傳感器用 光波導路的制造方法的說明圖。
圖9是示意性地表示本發(fā)明的三維傳感器用光波導路的第 2實施方式的俯一見圖。
具體實施例方式
接著，基于附圖詳細地說明本發(fā)明的實施方式。
圖l表示本發(fā)明的三維傳感器用光波導路的第l實施方式。
在該實施方式的三維傳感器用光波導路Wi是將形成為四邊形
的框狀(連續(xù)的框)的光波導路體v將其框?qū)R地沿其厚度方
向同軸層疊多層(圖1中為3層)的構造。而且，上述光波導路 體V的、由用框圍成的連續(xù)的空心空間構成的空間形成配置測 量對象物或使測量對象物通過的測量用空間H。在該實施方式 中，實際上處于層疊狀態(tài)的光波導路體V是相接觸的，但在圖l 中，為了便于理解，隔開間隙地進行圖示，另外，在圖l中， 用虛線表示的附圖標記3A、 3B分別是在上述光波導路體V內(nèi)作 為光的通路的發(fā)光芯和受光芯，該虛線的粗細表示芯3A、 3B 的粗細，并且省略了芯3A、 3B的數(shù)量而進行圖示。此外，附圖 標記4是覆蓋上述芯3A、 3B的上敷層。
如圖2的(a)(俯視圖)所示，上述四邊形的框狀的光波 導路體V中，構成其四邊形的框狀的一L字形部分形成為發(fā)光側 的光波導路部分A,另一 L字形部分形成為受光側的光波導路部 分B。上述四邊形的框狀的光波導路體V由形成為四邊形的框狀 的下敷層(基體)2 (參照圖2的(c))、形成于下敷層的表面 的發(fā)光芯3A、受光芯3B和以覆蓋發(fā)光芯3A、受光芯3B的狀態(tài) 層疊形成于整個下敷層2上的上敷層4。上述多個芯3A、 3B是 作為光的通路的構件，形成自上述各L字形部分的外側端緣部 的規(guī)定部分a、 b以等間隔并列的狀態(tài)延伸到該L字形部分的內(nèi) 側端緣部的圖案。此外，形成在發(fā)光側的光波導路部分A上的 發(fā)光芯3 A的數(shù)量和形成在受光側的光波導路部分B上的受光芯 3B的數(shù)量是相同的。而且，發(fā)光側的芯3A的光射出端面與受光側的芯3B的光入射端面成為相面對的狀態(tài)。另外，在圖2的(a) 中，用虛線表示芯3A、 3B，其虛線的粗細表示芯3A、 3B的粗 細，并且省略了芯3A、 3B的數(shù)量而進行圖示。
在此，如圖2的(b)(圖2的(a)的圈C的放大俯視圖)、 圖2的(c)(圖2的(b)的X-X剖視圖)所示，在該實施方式中， 上述發(fā)光側的芯3A的光射出端部形成為大致扇形狀的第l透鏡 部31,受光側的芯3B的光入射端部形成為大致扇形狀的第3透 鏡部33 (圖中加括號表示)。如圖2的(a)所示，兩透鏡部31、 33形成相面對的狀態(tài)。但是，由于大致扇形狀等的形狀是相同 的，所以在圖2的(b)、 (c)中， 一并表示第1透鏡部31以及其 周邊、第3透鏡部33以及其周邊。即，上述第l和第3透鏡部31、 33形成隨著朝向端面(圖2的(b)中的右側端面)去而逐漸寬 度擴大的大致扇形狀，該大致扇形狀的圓弧面部形成為朝向外 側鼓起的俯視呈圓弧狀的透鏡面31a、 33a。包括上述第1和第3 透鏡部31、 33的芯3A、 3B形成均勻的厚度。此外，上述上敷 層4以覆蓋整個上述芯3A、 3B (包括第l和第3透鏡部31、 33) 的狀態(tài)，在上述下敷層2的表面形成為均勻的高度。上述上敷 層4也形成為與下敷層2相同的四邊形的框狀，沿著該四邊形的 框狀的內(nèi)側部分的框的邊緣部在發(fā)光側形成為第2透鏡部42， 在受光側形成為第4透鏡部44。如圖2的(c)所示，上述第2和 第4透鏡部42、 44的端面形成為朝向外側鼓起的側剖視呈圓弧 狀的透鏡面42a、 44a。
接著，對使用了上述三維傳感器用光波導路Wi的三維傳感 器進行說明。如圖3所示，該三維傳感器在上述四邊形的框狀 的各光波導路體V中，在發(fā)光側的光波導路部分A的外側端緣部 的規(guī)定部分a上連接有發(fā)光元件5，在受光側的光波導路部分B 的外側端緣部的規(guī)定部分b上連接有受光元件6。此外，上述發(fā)光元件5和受光元件6與ADC ( Analog Digital Converter )、微
處理器等控制部件7電連接，利用該控制部件控制上述發(fā)光元 件5的發(fā)光，且運算處理來自上述受光元件6的信號。另外，在 圖3中，與圖2的(a)相同，用虛線表示芯3A、 3B，其虛線的 粗細表示芯3A、 3B的粗細，并且省略了芯3A、 3B的數(shù)量而進 行圖示。此外，在圖3中，為了便于理解，僅表示多束光中的 一部分光S。
在利用上述三維傳感器測量測量對象物時，從上述控制部 件7向發(fā)光元件5發(fā)送發(fā)光信號，按照該信號使發(fā)光元件5發(fā)光。 由此，由發(fā)光元件5發(fā)出的光自外側端緣部的規(guī)定部分a在光波 導路體V的發(fā)光側的光波導路部分A的發(fā)光芯3A內(nèi)傳送至內(nèi)側 端緣的光射出端部。而且，如圖4的(a)(俯視圖)、圖4的(b)
(圖4的(a)的X-X剖視圖)所示，通過該內(nèi)側端緣的光射出 端部射出光S。自該發(fā)光芯3A的光射出端部射出的光S利用其端 部的第l透鏡部31的大致扇形狀的形狀，沿著該大致扇形狀的 寬度擴大部的形狀大致均勻地擴大寬度。而且，利用第l透鏡 部31的、透鏡面31a形狀(俯視呈圓弧狀)引起的折射作用來 抑制該光S相對于光S的前進方向的橫向(左右方向)(參照圖4 的(a))上的發(fā)散。然后，該光S以對應于上述透鏡面31a的寬 度的狀態(tài)，發(fā)射到上敷層4的內(nèi)側。接著，利用由上敷層4的內(nèi) 側端緣部的第2透鏡部42的透鏡面42a的形狀(側剖視呈圓弧 狀)引起的折射作用來抑制該光S相對于光S的前進方向縱向的
(上下方向)(參照圖4的(b))上的發(fā)散。然后，由第2透鏡 部42的透鏡面42a射出(參照圖3)該光S。即，在發(fā)光側，利 用上述2個透鏡部(第1透鏡部31和第2透鏡部42)的折射作用， 光S在相對于光S的前進方向的橫向或縱向上的發(fā)散被抑制的 狀態(tài)下，由上述第2透鏡部42的透鏡面42a射出。然后，在四邊形的框狀的光波導路體V的空心空間中前進。
另一方面，在光波導路體V中的受光側的光波導路部分B 中，穿過上述四邊形的框狀的光波導路體V的空心空間而進來 的光S以與圖4的(a)、 ( b)相反的順序入射。即，光S自上敷 層4的內(nèi)端緣的第4透鏡部44的透鏡面44a入射，利用該第4透鏡 部44的透鏡面44a的形狀(側剖視呈圓弧狀)而引起的折射作 用來使光S在相對于前進方向的縱向上進一步收攏而被聚集。 然后，該光S利用受光芯3 B的光入射端部的第3透鏡部3 3的大致 扇形狀的形狀而從寬度變寬的透鏡面33a高效率地入射到第3 透鏡部33內(nèi)。然后，利用該第3透鏡部33的透鏡面33a的形狀(俯 視呈圓弧狀)而引起的折射作用來使該光S在相對于光S的前進 方向的橫向上進一步收攏而被聚集。即，在受光側，利用上述 2個透鏡部(第4透鏡部44和第3透鏡部33 )的折射作用來使光S 在相對于光S的前進方向的橫向或縱向上聚集的狀態(tài)下向受光 芯(3B)的內(nèi)側前進。然后，如圖3所示，該光S在光波導路體 V中的受光側的光波導路部分B的受光芯3B內(nèi)傳送到外側端緣 部的規(guī)定部分b上，由受光元件6受光。該受光元件6將接受到 的光的信息改變成信號，傳遞到上述控制部件7中。
如圖5所示，在這樣的狀態(tài)下，在由上述四邊形的框狀的 光波導路體V的連續(xù)空心空間構成的空間(三維傳感器用光波 導路W i的測量用空間H )中配置測量對象物M i或使測量對象物 Mi通過時，在上述測量用空間H中，該測量對象物Mi遮擋光S 的一部分。因此，用上述受光元件6 (參照圖3 )感知該被遮擋 的部分，并且利用上述控制部件7 (參照圖3 )運算處理該感知 到的信號以及向上述發(fā)光元件5 (參照圖3)發(fā)射的發(fā)光信號， 從而能夠獲得上述測量用空間H中的上述測量對象物Mi的三 維位置、傾斜、速度、大小等信息。該三維傳感器通過使用光波導路(光波導路體V)而能夠 小型化，因此，例如能夠用作觸摸面板中檢測手指的接觸位置 的檢測部件。此時，使上述四邊形的框狀的三維傳感器用光波
導路Wi圍繞觸摸面板的四邊形的顯示器的畫面地沿該畫面周 緣部的四邊形設置。然后，在用手指接觸顯示器的畫面時，如
圖6所示，上述手指(測量對象物)M2的頂端從上述三維傳感 器用光波導路Wi的測量用空間H的上端開口通過到下端開口 ， 而且，該手指M2是長的，所以在上述三維傳感器用光波導路 Wi的整個層的光波導路體V中遮擋射出的光S的一部分。此時，
上述三維傳感器判斷為與顯示器的畫面相接觸的是手指M2，并
欲進行該接觸位置所顯示的操作等。另一方面，在顯示器的畫 面上有灰塵、水滴等的情況下，如圖5所示，該灰塵、水滴等 (相當于圖5所示的測量對象物Mi)僅遮擋從上述三維傳感器 用光波導路W i的下側層的光波導路體V射出的光S的 一 部分。 在這樣的情況下，上述三維傳感器判斷為手指M2 (參照圖6) 未與顯示器的畫面相接觸，不能進行操作等。即，能夠防止由 上述灰塵、水滴等帶來的誤動作。
特別是在該實施方式中，在發(fā)光側形成有第l和第2透鏡部 31、 42,所以在三維傳感器用光波導路Wi的測量用空間H中， 光S成為以相對于前進方向的橫向或縱向上的發(fā)散被抑制的狀 態(tài)下沿格子狀前進的狀態(tài)。因此，能夠提高所獲得的有關測量 對象物Mi的信息的準確性。
此外，在該實施方式中，在受光側形成有使光S收攏而聚 集的上述第3和第4透鏡部33、 44,因此即使在發(fā)光側的第l和 第2透鏡部31、 42中，不以收攏的狀態(tài)射出光S,也能夠提高光 的傳送效率，能夠提高所獲得的有關測量對象物Mi的信息的準 確性。接著，說明在上述三維傳感器中使用的三維傳感器用光波
導路Wi的制造方法的一例。另外，該說明中參照的圖7的(a) (d)或圖8的(a) (d)圖示了以在圖2的(a) (c)中 所示的第1 第4透4竟部31、 42、 33、 44以及其周邊部分為中心 的制造方法。此外，由于上述透鏡部的形狀等在發(fā)光側和受光 側相同，所以一并表示發(fā)光側和受光側。
首先，準備好制造上述三維傳感器用光波導路Wi的光波導 路體V時所用的平板狀的基臺1 (參照圖7的(a))。作為該基臺 l的形成材料，例如可以采用玻璃、石英、硅、樹脂、金屬等。 另外，基臺l的厚度，例如設定在20〃 m 5mm的范圍內(nèi)。
接著，如圖7的(a)所示，在上述基臺l上的規(guī)定區(qū)域涂 敷作為下敷層2的形成材料的、將感光樹脂溶解在溶劑中而形 成的清漆。作為上述感光樹脂，例如可以列舉出感光環(huán)氧樹脂 等。涂敷上述清漆的方法，例如可采用旋涂法、浸漬法、澆鑄 法、注射法、噴墨法等。然后，對其進行50 120。CxlO 30分 鐘的加熱處理，使其干燥。這樣，形成作為下敷層2的感光樹 脂層2a。
接著，用照射線對上述感光樹脂層2a進行曝光。作為上述 曝光用的照射線例如可采用可見光、紫外線、紅外線、X射線、 a射線、i3射線、y射線等。最好采用紫外線。這是因為在采 用紫外線時，通過照射較大的能量能夠得到較快的固化速度， 而且照射裝置也小型且便宜，能夠降低生產(chǎn)成本。作為紫外線 光源例如可以采用低壓水銀燈、高壓水銀燈、超高壓水銀燈等。 紫外線照射量通常設定在10 10000mJ/cm2的范圍內(nèi)。
在上述曝光后，為了結束光反應而進行加熱處理。該加熱 處理通常在80 250。CxlO秒 2小時的范圍內(nèi)進行。這樣，使上 述感光樹脂層2a形成為下敷層2。下敷層2 (感光樹脂層2a)的厚度通常設定在l 50;um的范圍內(nèi)。
接著，如圖7的(b)所示，在上述下敷層2的表面形成作 為芯3A、 3B的感光樹脂層3a。該感光樹脂層3a的形成與在圖7 的(a )中說明的形成下敷層2的感光樹脂層2 a的形成方法相同。 另外，該芯3A、 3B的形成材料，采用折射率大于上述下敷層2 和后述上敷層4(參照圖2的(c))的形成材料的折射率的材料。 例如，可以通過對上述下敷層2、芯3A、 3B、上敷層4的各個 形成材料的種類進行選擇、對該各形成材料的組成比例進行調(diào) 整來調(diào)整該折射率。
接著，在上述感光樹脂層3a的上方配置曝光掩模，該曝光 掩模上形成有與芯3A、 3B的圖案(包括第l和第3透鏡部31、 33)對應的開口圖案。隔著該曝光掩模，用照射線對上述感光 樹脂層3a進行曝光后，進行加熱處理。該曝光和加熱處理與在 圖7的(a)中說明的下敷層2的形成方法相同地進行。
接著，用顯影液進行顯影，如圖7的(c)所示，使上述感 光樹脂層3a (參照7 (b))中的未曝光部分溶解而將其去除， 將殘存在下敷層2上的感光樹脂層3a形成為芯3A、 3B的圖案。 上述顯影，例如可采用浸漬法、噴射法、攪拌法等。另外，作 為顯影液例如可采用有機溶劑、含有堿性水溶液的有機溶劑等。 根據(jù)感光樹脂組合物的成分適當選擇顯影液和顯影條件。
在上述顯影后，通過加熱處理去除殘留在形成為芯3A、 3B 的圖案的殘存感光樹脂層3a的表面等上的顯影液。該加熱處 理，通常是在80 12(TCxlO 30分鐘的范圍內(nèi)進行。這樣，將 形成為上述芯3A、 3B的圖案的殘存感光樹脂層3a形成為芯3A、 3B (包括第l和第3透鏡部31、 33)。芯3A、 3B(感光樹脂3a) 的厚度，通常設定在10~100# m的范圍內(nèi)，芯3A、 3B的寬度 (第1和第3透鏡部31、 33的大致扇形狀的寬度擴大部以外)通常設定在8 50g m的范圍內(nèi)。此外，第1和第3透鏡部31、 33 的大致扇形狀的寬度擴大部的中心角度(錐角度)通常設定在 5。 50。的范圍內(nèi)，上述第l和第3透鏡部31、 33的透鏡面31a、 33a的曲率半徑設定為大于50/z m且小于6000# m。
并且，如圖7的(d)所示，在上述下敷層2的表面涂敷形 成上敷層4的感光樹脂，形成感光樹脂層(未固化)4a，以覆 蓋該芯3A、 3B。作為形成該上敷層4的感光樹脂，例如可以舉 出與上述下敷層2相同的感光樹脂。
接著，如圖8的(a)所示，準備用于將上敷層4壓制成形 為四邊形的框狀的成形模20。該成形模20由可使紫外線等照射 線透過的材料(例如石英)構成，形成有由與具有上述第2和 第4透鏡部42、 44的上敷層4的表面形狀相同形狀的才莫面21構成 的凹部。而且，如圖8的(b)所示，將上述成形模20的模面(凹 部)21相對于上述芯3A、 3B定位于規(guī)定位置地用成形模20給 上述感光樹脂層4a加壓，使該感光樹脂層4a成形為上敷層4的 形狀。接著，在該狀態(tài)下，在利用紫外線等照射線透過上述成 形模20對上述感光樹脂層4a進行曝光之后進行加熱處理。該曝 光和加熱處理與以圖7的(a)說明的下敷層2的形成方法同樣 地進行。之后，如圖8的(c)所示，進行脫模。由此，獲得形 成有第2和第4透鏡部42、 44的四邊形的框狀的上敷層4。上敷 層4的高度通常設定在50 2000/zm的范圍內(nèi)。此外，將上述第 l透鏡部31的透鏡面31a的曲率中心到上述第2透鏡部42的透鏡 面42a的曲率中心的距離以及從上述第3透鏡部33的透鏡面33a 的曲率中心到上述第4透4竟部44的透4竟面44a的曲率中心的距 離設定為大于400g m且小于10000w m。此外，上述第2和第4 透鏡部42、44的透鏡面42a、44a的曲率半徑設定為大于300〃 m 且小于10000 v m。這樣一來，由于作為上敷層4的延長部來形成第2和第4透 鏡部42、 44,因此在形成上敷層4的時刻，芯3A、 3B的端部的 第l和第3透鏡部31、 33和由上敷層4的延長部構成的第2和第4 透鏡部42、 44成為被定位的狀態(tài)。此外，下敷層2和上敷層4 為相同的形成材料的情況下，下敷層2和上敷層4在它們的接觸 部分同化。
之后，如圖8的(d)所示，通過采用刀模的沖切等將下敷 層2等與基臺l一起切斷成四邊形的框狀。這樣，在基臺l的表 面制造由上述下敷層2、芯3A、 3B和上敷層4 (包括第2和第4 透4竟部42、 44)構成的四邊形的框狀的光波導^各體V。該光波 導路體V的厚度通常設定為500 5000/im的范圍內(nèi)。然后，將 該光波導路體V從上述基臺l剝離下來(參照圖2的(c))。
而且，如圖1所示，將上述光波導路體V沿其厚度方向同軸 層疊多層。在該實施方式中，對齊上述光波導路體V的框而進 行層疊。此外，在進行層疊時，在上側的框狀的光波導路體V
劑。這樣，制造出上述三維傳感器用光波導路Wi。
接著，說明使用上述三維傳感器用光波導路W!的三維傳感 器的制造方法。即，如圖3所示，在上述四邊形的框狀的各光 波導路體V中，在發(fā)光側的光波導路部分A的外側端緣部的規(guī)定 部分a上連接發(fā)光元件5，在受光側的光波導路部分B的外側端 緣部的規(guī)定部分b上連接有受光元件6。此外，上述發(fā)光元件5 和受光元件6與控制部件7電連接。這樣，制造上述三維傳感器。 圖9是表示本發(fā)明的三維傳感器用光波導路的第2實施方
式的俯視圖。該實施方式的三維傳感器用光波導路W2與上述第
l實施方式的三維傳感器用光波導路Wi(參照圖l)不同的是處 于層疊狀態(tài)的光波導路體V以規(guī)定軸線為中心線，被定位成使框相互錯位的狀態(tài)。除此之外的部分與上述第l實施方式相同， 相同的部分標注相同的附圖標記。
在使用了該實施方式的三維傳感器用光波導路W2的三維
傳感器中，由于光波導路體v的層疊位置(高度位置)不同， 射出的光的方向不同。因此，能夠利用通過改變高度位置來改 變角度地測量測量對象物。由此，能夠獲得測量對象物的大致 形狀。
在上述各實施方式中，因為三維傳感器用光波導路Wb
W2使用光波導路(光波導路體V),所以能夠小型化。此外，只
要發(fā)光側和受光側能夠進行光傳送即可，其大小沒有上限。測
量對象物Mi的大小只要對應于其移動范圍等地適當?shù)卦O定即 可。例如，如上述第l實施方式那樣，在將三維傳感器用光波 導路Wi設置在觸摸面板的顯示器上時，四邊形的框狀的光波導 路體V的縱向和橫向的長度分別設定在30 300mm左右，框?qū)?設定在lmm 30mm左右，此外，上述光波導3各體V的層疊數(shù)設 定為2層以上，三維傳感器用光波導路Wi的總厚度設定為lmm 以上。
此外，發(fā)光芯3A(受光芯3B)的數(shù)量也只要對應于測量 對象物Mi的大小、其移動范圍等地適當?shù)卦O定即可。例如，如 上述第l實施方式那樣，在將三維傳感器用光波導路Wj殳置在 觸摸面板的顯示器上的情況下，發(fā)光芯3A的數(shù)量在各光波導路 體V上設定為20 100根左右。
另外，在上述實施方式中，處于層疊狀態(tài)的光波導路體V 是相接觸的，但也可以借助隔離件等隔開間隔地進行層疊。該 間隔也只要對應于測量對象物]Vh的大小、其移動范圍等地適當 地設定即可。
此外，在上述各實施方式中，將光波導路體V做成了四邊形的框狀，-f旦也可以將構成該四邊形的;f醫(yī)狀的光波導if各體V的2 個L字形光波導路A、 B相互獨立的部件。作為其制造方法，也 可以代替切斷成上述四邊形的框狀而切斷成2個L字形。此外， 上述光波導路體V的框狀的形狀不僅可以是四邊形，還可以是 其它的多邊形，也可以是圓形。
而且，在上述各實施方式中，將芯3A、 3B的端部的第1和 第3透鏡部31、 33形成為大致扇形狀，但作為三維傳感器只要 在發(fā)光側和受光側之間適當?shù)剡M行光傳送即可，也可以將上述 第1和第3透鏡部31、 33形成為均勻的寬度。
此外，在受光側也可以不形成上述第3和第4透鏡部33、 44 (參照圖2的(a) (c)),使受光側的芯3B的光入射端面自上 敷層4的內(nèi)側面露出。此時，從提高光傳送效率的觀點出發(fā)， 優(yōu)選光以聚集的狀態(tài)入射到受光側的芯3 B的光入射端面，以光 收攏的狀態(tài)自發(fā)光側的第l和第2透鏡部31、 42射出。相反地， 也可以不形成發(fā)光側的上述第l和第2透鏡部31、 42而形成受光 側的上述第3和第4透鏡部33、 44的狀態(tài)。此時，使發(fā)光側的芯 3A的光射出端面自上敷層4的內(nèi)側面露出。
而且，作為三維傳感器只要在發(fā)光側和受光側之間適當?shù)?進行光傳送即可，也可以不形成上述第1 第4透鏡部31、 42、 33、 44。此時，使發(fā)光側的芯3A的光射出端面和受光側的芯3B 的光入射端面自上敷層4的內(nèi)側面露出。
另外，在上述各實施方式中，使用感光樹脂形成了下敷層 2,但也可以替代感光樹脂準備作為下敷層2而發(fā)揮作用的樹脂 薄膜，將樹脂薄膜直接作為下敷層2來使用。也可以替代下敷 層2，用金屬薄膜(金屬材料)、在表面形成有金屬薄膜(金屬 材料)的基板等用作將芯3A、 3B形成在其表面上的基體。
在上述各實施方式中，將光波導路體V從上述基臺l上剝離下來而層疊，但也可以不進行剝離而以形成在基臺l的表面上 的狀態(tài)層疊。
接著，說明實施例。但是，本發(fā)明不限于實施例。 實施例
下敷層和上敷層的形成材料
通過將下述通式(1)所示的雙苯氧乙醇藥基縮水甘油醚
(成分A): 35重量份、脂環(huán)式環(huán)氧樹脂即3'， 4'-環(huán)氧環(huán)己基甲 基3 ， 4-環(huán)氧己烯羧酸酯(大賽璐化學工業(yè)公司制造， CELLOXIDE2021P)(成分B): 40重量f分、(3'， 4'-環(huán)氧環(huán)己 烷)曱基3', 4'-環(huán)氧環(huán)己基羧酸酯(大賽璐化學工業(yè)公司制造， CELLOXIDE2081 )(成分C): 25重量份、和4， 4'-雙[二 ( B 羥基乙氧基)苯基亞硫酸基]苯基硫酸-雙-六氟銻酸鹽的50%碳 酸丙二酯溶液(成分D): 2重量份混合，調(diào)制成下敷層和上敷 層的形成材料。化學式1
(式中，R1 R6全部是氫原子，n=l ) 芯的形成材料
將70重量份的上述成分A、 30重量份的1， 3, 3-三{4-[2-(3-氧雜環(huán)丁烷)]丁氧基苯基}丁烷、和1重量份的上述成分D, 溶解到28重量份的乳酸乙烷中，調(diào)制成芯的形成材料。 三維傳感器用光波導路的制作利用涂敷器在聚萘二曱酸乙二酯(PEN )薄膜 (160mmxl60mmxl88/i m (厚度))的表面上涂布上述下敷 層的形成材料后，用2000mJ/cm2的紫外線照射進行曝光。接 下來，通過進行100。Cxl5分鐘的加熱處理，形成了下敷層。用 接觸式膜厚計測量該下敷層的厚度為20/z m。另外，該下敷層 的波長830nm的折射率為1.502。
接著，利用涂敷器在上述下敷層的表面涂布上述芯的形成 材料，進行了 10(TCxl5分鐘的干燥處理。接著，在其上方借助 形成有與芯的圖案(包括第1和第3透鏡部)相同形狀的開口圖 案的合成石英系的鉻掩模(曝光掩模)，利用接近式曝光法用 4000mJ/cm2的紫外線照射進行曝光后，進行了 80°C x 15分鐘的 加熱處理。接著，通過使用y - 丁內(nèi)酯水溶液進行顯影，溶解 去除未曝光部分之后，通過進行120。Cx30分鐘的加熱處理，形 成了芯。芯端部的第l和第3透鏡部形成大致扇形狀，中心角度 7。、透鏡面的曲率半徑160Mm、長度是2460/zm。此外，芯的 厚度是50/im,寬度(第1和第3透鏡部的大致扇形狀的寬度擴 大部以外)是15y m。上述各尺寸用SEM (掃描電子顯微鏡) 測量。另外，該芯的波長830nm的折射率為1.588。
然后，利用涂敷器在上述下敷層的表面覆蓋芯地涂布上敷 層的形成材料。接著，與第2和第4透鏡部的透鏡面的曲率半徑 (1500gin)相對應地準備了形成上敷層用的石英制成形模。 上述成形模形成了具有與上敷層的表面形狀(包括第2和第4透 鏡部)相同形狀的模面的凹部。而且，將從上述第l透鏡部的 透鏡面的曲率中心到第2透鏡部的透鏡面的曲率中心的距離以 及從第3透鏡部的透4竟面的曲率中心到第4透鏡部的透鏡面的 曲率中心的距離設定為2800/i m,用上述成形模對上敷層材料 加壓。然后，透過上述成形模，由2000mJ/cn^的紫外線照射、進行了曝光后，進行120。Cxl5分鐘的加熱處理。之后，進行了 脫模。由此，獲得了包括第2和第4透鏡部的上敷層。用顯微鏡 (KEYENCE CORPORATION制)測量該上敷層的高度，其 高度為1.5mm。該上敷層的波長830nm的折射率為1.502。
然后，通過采用刀模的沖切，與上述PEN薄膜一起將獲得 的構造體切斷成2個L字形光波導路部分，從而得到2個(帶有 四邊形的框狀的PEN薄膜的光波導路體)帶有PEN薄膜的L字 形光波導路部分(外形尺寸66.3mmx70.0mm、 L字形的線 寬度10mm)。
將所得到的2個帶有PEN薄膜的L字形光波導路部分與玻 璃環(huán)氧基板的表面相面對地形成四邊形的框狀地配置。然后， 用顯微鏡進行了對位，使得相面對的發(fā)光側的芯與受光側的芯 的光軸重合。同樣地，借助粘接劑層疊3層上述帶有PEN薄膜 的L字形光波導路部分。在該狀態(tài)下，用紫外線固化型粘接劑 連結固定于玻璃環(huán)氧基板的表面。該接觸面作為最下位的光波 導路體的PEN薄膜。這樣，制作了3層構造的三維傳感器用光 波導路。
三維傳感器的制作
然后，在三維傳感器用光波導路的各層中，在發(fā)光側的L 字形光波導路部分的外側端緣部的少見定部分連結發(fā)光元件 (VCSEL ),在受光側的L字形光波導路部分的外側端緣部的規(guī) 定部分連結受光元件(CMOS線性傳感器陣列)。而且，將上述 發(fā)光元件和受光元件與微處理器電連接。這樣，制作了三維傳 感器。 評價
能夠確認如下使各發(fā)光元件發(fā)出強度1.5mW的光(波長 850nm)后用各受光元件能夠檢測到該光。而且，在自上述3層構造的三維傳感器用光波導路的測量用空間的上端開口伸入
手指尖，到達上述玻璃環(huán)氧基板的表面時，在3層所有的光波 導路體中，射出的光的一部分被遮擋。此外，若水滴滴下到上 述玻璃環(huán)氧基板的表面，在最下層的光波導路體中，射出的光 的一部分被遮擋。此外，若在上述玻璃環(huán)氧基板的表面上載置 泡沫苯乙烯片(直徑3mm),則在最下2層的光波導路體中，射 出的光的一部分^皮遮擋。
從上述結果可知，若作為觸摸面板的手指的接觸位置的檢 測部件使用上述三維傳感器，能夠判斷實施中手指是否接觸， 能夠防止由水滴、灰塵(泡沫苯乙烯片)等造成的誤動作。
權利要求
1.一種三維傳感器用光波導路，包括沿厚度方向同軸層疊的多層框狀光波導路體和由層疊的光波導路體的內(nèi)側空間構成的測量用空間，其特征在于，上述各光波導路體包括發(fā)光芯、受光芯、覆蓋這些芯的上敷層，上述發(fā)光芯具有定位于各框狀光波導路體的相對內(nèi)側邊緣中的一方內(nèi)側邊緣的光射出端部和定位于各框狀光波導路體的外側邊緣的光入射端部，上述受光芯具有定位于各框狀光波導路體的相對內(nèi)側邊緣中的另一方內(nèi)側邊緣的光入射端部和定位于各框狀光波導路體的外側邊緣的光射出端部。
2. 根據(jù)權利要求l所述的三維傳感器用光波導路，在上述光波導路體中，發(fā)光芯的光射出端部形成為第l透鏡部，該第l透鏡部的透鏡面形成為朝向外側鼓起的俯視呈圓弧狀，上述上敷層的端緣形成為覆蓋上述第l透鏡部的透鏡面的狀態(tài)，該上敷層的端部形成為第2透鏡部，該第2透鏡部的透鏡面形成為朝向外側鼓起的側剖視呈圓弧狀。
3. 根據(jù)權利要求l所述的三維傳感器用光波導路，在上述光波導路體中，受光芯的光入射端部形成為第3透鏡部，該第3透鏡部的透鏡面形成為朝向外側鼓起的俯視呈圓弧狀，上述上敷層的另 一端緣形成為覆蓋上述第3透鏡部的透鏡面的狀態(tài)，該上敷層的端部形成為第4透鏡部，該第4透鏡部的透鏡面形成為朝向外側鼓起的側剖視呈圓弧狀。
4. 根據(jù)權利要求2所述的三維傳感器用光波導路，在上述光波導路體中，受光芯的光入射端部形成為第3透鏡部，該第3透鏡部的透鏡面形成為朝向外側鼓起的俯視呈圓弧狀，上述上敷層的另 一端緣形成為覆蓋上述第3透鏡部的透鏡面的狀態(tài)，該上敷層的端部形成為第4透鏡部，該第4透鏡部的透鏡面形成為朝向外側鼓起的側剖視呈圓弧狀。
5. 根據(jù)權利要求1 4中任一項所述的三維傳感器用光波導路，處于層疊狀態(tài)的光波導路體被定位成使框以規(guī)定軸線為中心線相互錯開的狀態(tài)。
6. 根據(jù)權利要求1~4中任 一 項所述的三維傳感器用光波導路，上述芯形成在由下敷層材料或金屬材料構成的基體的表面的規(guī)定部分上，上述上敷層以覆蓋上述芯的狀態(tài)形成在上述基體表面上。
7. 根據(jù)權利要求5中任一項所述的三維傳感器用光波導路，上述芯形成在由下敷層材料或金屬材料構成的基體的表面的規(guī)定部分上，上述上敷層以覆蓋上述芯的狀態(tài)形成在上述基體表面上。
8. —種三維傳感器，其特征在于，包括上述權利要求1 ~ 7中任 一 項所述的三維傳感器用光波導路；控制部件；發(fā)光元件，其與上述發(fā)光芯的光入射端部相關聯(lián)地設于上述框狀光波導路體的外側部、且向上述發(fā)光芯射出光；受光元件，其與上述受光芯的光射出端部相關聯(lián)地設于上述框狀光波導路體的外側部、且自上述受光芯接受光；上述控制部件與上述發(fā)光元件和受光元件電連接，控制自上述發(fā)光元件發(fā)出的光，且運算處理從上述受光元件接受到的信號。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠小型化的三維傳感器用光波導路和使用該光波導路的三維傳感器。該三維傳感器用光波導路(W₁)包括沿厚度方向同軸層疊的多層框狀光波導路體(V)和由層疊的光波導路體(V)的內(nèi)側空間構成的測量用空間(H)，其中，上述各光波導路體(V)包括發(fā)光芯(3A)、受光芯(3B)、覆蓋這些芯(3A、3B)的上敷層(4)，上述發(fā)光芯(3A)具有定位于各框狀光波導路體(V)的相面對內(nèi)側邊緣的一方的光射出端部和定位于各框狀光波導路體(V)的外側邊緣的光入射端部，上述受光芯(3B)具有定位于各框狀光波導路體(V)的相對內(nèi)側邊緣的另一方的光入射端部和定位于各框狀光波導路體的外側邊緣的光射出端部。
文檔編號G02B6/12GK101639551SQ20091016067
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權日2008年7月29日
發(fā)明者十二紀行 申請人:日東電工株式會社