JP2001050813A

JP2001050813A - 受光センサ

Info

Publication number: JP2001050813A
Application number: JP11226472A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Iwasako; 洋志祝迫; Etsuro Shimizu; 悦朗清水
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2001-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】短波長領域などの特定波長領域の微弱な信号
をノイズの影響を受けることなく安定して測定可能な受
光センサを提供する。【解決手段】離散的に１次元状に配列したフォトダイ
オード３ａ〜３ｅに対して、右端のフォトダイオード３
ｅを除いたフォトダイオード３ａ〜３ｄの光入射面に、
透過波長領域が短波長側から長波長側へ順次異なるフィ
ルタ素子６ａ〜６ｄを配置し、フォトダイオード３ｅに
はフォトダイオード３ａと同じ特性のフィルタ素子６ａ
を配置して、受光センサユニット１ａ〜１ｅを形成し、
受光センサユニット１ａと１ｅとを電気的に接続して受
光センサを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、分光光度計など
に適用される受光センサ、特に多波長測定の可能な受光
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５ないし図７を用いて、従来の受光セ
ンサについて説明する。図５は、特開平７−９８２５１
号公報に開示されている受光センサの断面を示す図で、
この公報開示の従来の受光センサ101 は、セラミックケ
ース102 内に複数のフォトダイオード103 が離散的に並
ぶように形成されたフォトダイオードアレイ104 が実装
されている。フォトダイオードアレイ104 の光入射面に
は、単色光に応じた光透過特性を有するフィルタ、すな
わち透過波長領域が単色光の分散する方向に沿って順次
異なるフィルタ素子106a,106b,106c,106d,106eが、それ
ぞれ対応するフォトダイオード上に位置するように、紫
外領域から赤外領域まで透過する透明樹脂などで接着さ
れている。ここで、フィルタ素子106aが紫から紫外の短
波長光を、フィルタ素子106eが赤から赤外の長波長光
を、フィルタ素子106b,106c,106dがその間の段階的に異
なる波長の光を透過するようになっている。すなわち、
フォトダイオードアレイ104 には、フィルタ106 により
単色光の分散方向に沿って短波長側から長波長側へ順次
段階的に波長の異なる光が入射するようになっている。

【０００３】そして、フィルタ106 の光入射面前方に
は、透明保護部材としての保護ガラス107 がセラミック
ケース102 に透明樹脂などで接着され、該セラミックケ
ース102 内には不活性ガスが気密封止されている。ま
た、各フォトダイオード103 の出力は、それぞれ対応す
る出力ピン105 から取り出すように構成されている。

【０００４】図６は、この種の従来の受光センサを分光
光度計に適用した状態を示す図で、図７は便宜上、光路
を一直線上に示した断面図である。図６及び図７におい
て、図５に示した受光センサ101 と対応する部分には同
一符号を付して示している。図６及び図７に示すよう
に、例えば試料液中を透過する光の種々の波長での吸光
度を測定する場合、レンズ112 を介して光源ランプ111
から照射され、試料液中113 を透過した光は、スリット
114 を介して分散素子115 ，例えば回折格子などで各単
色光に分光される。これら各単色光が分散している方向
に上記構成の受光センサ101 を配置して、単色光、すな
わち波長毎の強度、すなわち吸光度を検出するようにな
っている。

【０００５】なお、試料液中を透過した光は、分散素子
115 により１次光、２次光、３次光、・・・・・と順次
光量を弱めながら各単色光に分光されるが、従来の分光
光度計では１次光のみを測定に用いている。したがって
受光センサとしては、１次光のみの短波長から長波長に
かけての全波長域をカバーできればよい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
受光センサで高精度の測定を行おうとすると、次のよう
な問題が生じる。第１に、分光された単色光の単位面積
当たりの光量は波長によって異なり、特に短波長（紫か
ら紫外）側の単色光は、他の波長の単色光に比べて光量
が小さいのが普通である。ところが、本受光素子を使用
した測定は、短波長から長波長まで、極短い時間での測
定が要求される。そこで、短波長領域の電気的な増幅度
を、長波長の増幅度に比較して、大きくとることによっ
て、短波長の単色光測定を行っていた。ところが、元々
微小な信号を、増幅度を上げることで測定するために、
ノイズの影響を受けやすいという問題があった。更に、
短波長領域に代表されるように波長毎の単位面積当たり
の光量は一定ではないため、波長毎の出力信号にばらつ
きがあり、均一な出力信号を得るのが難しいという問題
もあった。

【０００７】第２に、光源ランプの経年変化を考えたと
き、初期において光量が不規則に変化する時期を経て、
その後光量が安定な期間に入る。しかし、その後は時間
の経過と共に光量が徐々に落ちていくことが自明であ
る。加えて、その光量の変化の態様は波長毎に異なる。
したがって、受光素子に入力される光量も波長毎に変化
する。

【０００８】ところで、より精密な測定をしたいとき、
ダイナミックレンジを小さくせざるを得ないことがあ
る。しかし、前述したように光量の変化により、このダ
イナミックレンジをオーバーすることがある。

【０００９】本発明は、従来の受光センサにおける上記
問題点を解消するためになされたもので、各波長での高
精度の吸光度測定が可能な受光センサを提供することを
目的とする。請求項毎の目的を述べると、請求項１に係
る発明は、短波長領域などの特定波長領域の微弱な信号
をノイズの影響を受けることなく安定して測定可能な受
光センサを提供することを目的とする。請求項２に係る
発明は、請求項１に係る受光センサにおいて短波長領域
の信号を安定して測定できる具体的な構成を提供するこ
とを目的とする。請求項３に係る発明は、光量の変化に
対してもダイナミックレンジを損なうことなく、精密な
測定可能な受光センサを提供することを目的とする。請
求項４に係る発明は、ばらつきをなくすと共に均一な信
号を出力させて、安定した高精度の吸光度測定可能な受
光センサを提供することを目的とする。請求項５に係る
発明は、請求項３又は４に係る受光センサにおいて高精
度の測定が可能な具体的な構成を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に係る発明は、単色光が分散する方向に離
散的に１次元状に配列された複数の受光素子と、該受光
素子の光入射面に近接ないし接触するように前記単色光
が分散する方向に沿って光透過特性が異なるように配列
されたフィルタとを少なくとも備えた受光センサにおい
て、特定波長測定用受光素子を複数個設け、該複数個の
受光素子を電気的に接続して構成したことを特徴とする
ものである。また請求項２に係る発明は、請求項１に係
る受光センサにおいて、前記特定波長は、紫から紫外領
域の短波長であることを特徴とするものである。

【００１１】このような構成とすることにより、特定波
長領域、例えば単位面積当たりの光量が他の波長に比べ
て微弱な紫から紫外領域の波長に対しても、ノイズの影
響を受けることなく、安定した吸光度の測定が可能とな
る。

【００１２】請求項３に係る発明は、単色光が分散する
方向に離散的に１次元状に配列された複数の受光素子
と、該受光素子の光入射面に近接ないし接触するように
前記単色光が分散する方向に沿って光透過特性が異なる
ように配列されたフィルタとを少なくとも備えた受光セ
ンサにおいて、前記受光素子自体を複数に分割し、該分
割された受光素子毎の感度を異ならせるように構成した
ことを特徴とするものである。

【００１３】このような構成により、例えば光源ランプ
の経年変化などにより光量が変化しても、ダイナミック
レンジを損なうことなく、吸光度の精密な測定が可能と
なる。

【００１４】請求項４に係る発明は、単色光が分散する
方向に離散的に１次元状に配列された複数の受光素子
と、該受光素子の光入射面に近接ないし接触するように
前記単色光が分散する方向に沿って光透過特性が異なる
ように配列されたフィルタとを少なくとも備えた受光セ
ンサにおいて、前記受光素子毎の感度を測定波長に対応
させて異ならせるように構成したことを特徴とするもの
である。

【００１５】このような構成により、ばらつきを抑えて
均一な信号を出力させて、安定した高精度な吸光度測定
が可能となる。

【００１６】請求項５に係る発明は、請求項３又は４に
係る受光センサにおいて、前記受光素子の感度は、受光
素子の大きさを変えることにより異ならせるように構成
したことを特徴とするものである。これにより、請求項
３又は４に係る安定した高精度の吸光度測定が可能な受
光センサの具体的な構成を提供することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明の実施の形態において、受光素子と
その入射面上のフィルタからなる受光センサの基本的な
構造は従来技術と同様であり、その構成が異なるもので
ある。

【００１８】〔第１の発明の実施の形態〕まず、第１の
発明の実施の形態について説明する。図１及び図２は、
本発明に係る受光センサの第１の実施の形態を示す平面
模式図及び断面図である。本実施の形態は、従来の受光
センサの構成に加えて、新たな受光センサユニットを付
加することにより、分散素子により分光された単色光の
うち、１次光のみならず２次光、それも２次光の特定波
長分の測定も同時に行えるようにするものである。な
お、分光光度計の構成は従来例と同様である。

【００１９】本発明に係る受光センサ１は、セラミック
ケース２内に実装された複数の受光素子、ここではフォ
トダイオード３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅが離散的に
１次元状に配列されたフォトダイオードアレイ４と、該
フォトダイオードアレイ４の光入射面に接着されたフィ
ルタ素子６ａ〜６ｄからなるフィルタ６とで構成されて
いる。ここでフォトダイオード３ａ，３ｂ，３ｃ，３
ｄ，３ｅは全て同一のものである。右端のフォトダイオ
ード３ｅを除くフォトダイオードアレイ４の光入射面に
は、近接ないし接触するように単色光に応じた光透過特
性を有するフィルタ、すなわち透過波長領域が単色光の
分散する方向に沿って順次異なるフィルタ素子６ａ，６
ｂ，６ｃ，６ｄが、それぞれ対応するフォトダイオード
上に接着され、左端から受光センサユニット１ａ，１
ｂ，１ｃ，１ｄが形成されている。ここでフィルタ素子
６ａが短波長（紫から紫外）側、フィルタ素子６ｄが長
波長（赤から赤外）側の光透過特性をもつものとする。
したがって、受光素子（フォトダイオード）３ａには紫
から紫外領域の短波長光が、フォトダイオード３ｄには
赤から赤外領域の長波長光が、フォトダイオード３ｂ及
び３ｃにはその間の段階的に異なる波長光が入射するこ
とになる。すなわち、受光センサユニット１ａは単色光
のうち短波長光測定用、１ｄは長波長光測定用、１ｂ及
び１ｃはその間の波長光測定用となる。

【００２０】フォトダイオードアレイ４の右端のフォト
ダイオード３ｅの光入射面には、フォトダイオード３ａ
と同様にフィルタ素子６ａが装着され、受光センサユニ
ット１ｅが形成される。ここでフィルタ素子６ａは短波
長側のみに光透過特性を有するものであるから、右端の
受光素子（フォトダイオード）３ｅには紫から紫外領域
の短波長のみが入射することになる。したがって、受光
センサユニット１ｅは、受光センサユニット１ａと同一
の機能を有し、単色光のうち短波長光測定用となる。そ
して、同一の波長光測定用の受光センサユニット１ａと
１ｅとを電気的に接続している。

【００２１】なお、各フォトダイオードの出力は、図示
はしないが従来例と同様に、それぞれ対応する出力ピン
から取り出すようにする。また、フィルタの光入射面前
方には透明保護部材としての保護ガラス７が、セラミッ
クケース２に透明樹脂などで接着されている。

【００２２】次に、このように構成されている受光セン
サの動作原理を簡単に説明する。受光センサ１におい
て、受光センサユニット１ａから１ｄを１次光の測定
用、受光センサユニット１ｅを２次光の測定用とする。
ここで、２次光は１次光と比べても光量的にはほとんど
遜色がないため、２次光のみでも十分な出力が得られ
る。受光センサユニット１ａと１ｅはいずれも短波長光
測定用であり、電気的に接続されているため、短波長光
に関しては、１次光と２次光との和が出力されることに
なる。一方、短波長以外の光は１次光のみの出力とな
る。

【００２３】本実施の形態に係る受光センサを分光光度
計に適用した場合には、従来通りに分光された単色光の
吸光度が測定できると共に、他の波長に比べて微弱な信
号の短波長領域の吸光度もノイズの影響を受けることな
く、安定して測定可能となる。

【００２４】また本実施の形態では、２次光の短波長成
分のみを新たに設けた受光センサユニットにより測定
し、１次光との和を出力するようにしたものを示した
が、短波長成分のみならず、必要に応じて２次光の他の
波長成分を測定するように構成してもよい。また、２次
光のみならず、３次光以降の単色光の測定を行ってもよ
い。

【００２５】〔第２の発明の実施の形態〕次に、第２の
発明の実施の形態について説明する。図３は、第２の実
施の形態に係る受光センサ11を示す平面模式図である。
この実施の形態は、受光センサを構成する受光素子の形
状、構成を変えることで、分光光度計の光源ランプの光
量の経年変化等による被測定光の長期的変動が発生して
も、測定のレンジをオーバーすることなく、測定を行え
るようにしたものである。

【００２６】本実施の形態に係る受光センサは、フォト
ダイオードの形状及び構成が異なるのみで、受光センサ
の基本的な構成及び構造は、第１の実施の形態と同様で
ある。したがって、ここではフォトダイオードの形状及
び構成に関してのみ説明することとする。

【００２７】図３において、同一波長光測定用のフォト
ダイオード13ａ，13ｂ，13ｃ，13ｄ，13ｅは、それぞれ
複数の分割されたフォトダイオード素子から構成されて
いる。フォトダイオード13ａに注目すると、大きさの異
なる３つの分割されたフォトダイオード素子13ａ１，13
ａ２，13ａ３から構成され、面積的には分割フォトダイ
オード素子13ａ１と13ａ３が同一で、分割フォトダイオ
ード素子13ａ２は前者に比べて十分大きく形成されてい
る。

【００２８】このようにフォトダイオード13ａを構成す
る分割されたフォトダイオード素子13ａ１，13ａ２，13
ａ３には、同一波長をもつ単色光が入力されるが、入射
光量はほぼ各分割フォトダイオード素子の面積に比例す
る。なお、フォトダイオード13ｂ，13ｃ，13ｄ，13ｅも
同様に分割されたフォトダイオード素子13ｂ１，13ｂ
２，13ｂ３，13ｃ１，・・・・・13ｅ３により構成され
る。

【００２９】なお、各分割フォトダイオード素子の出力
は従来例と同様に、それぞれ出力ピンから取り出され、
フォトダイオード13ａであれば、分割フォトダイオード
素子13ａ１，13ａ２，13ａ３の３つの電気信号が出力さ
れる。

【００３０】次に、この実施の形態の動作原理を簡単に
説明する。今、被測定光の単色光の光量が光源ランプの
経年変化により徐々に少なくなっていく場合、光源ラン
プの使用状態が初期であれば、分割フォトダイオード素
子13ａ２の出力をフォトダイオード13ａの出力として使
用し、分割フォトダイオード素子13ａ１，13ａ３の出力
は使用しない。徐々に光量が落ちてきて、低出力信号が
測定レンジから逸脱する可能性が出てきた場合、分割フ
ォトダイオード素子13ａ１，13ａ２の出力を加算した信
号を、フォトダイオード13ａの出力として使用する。更
に光量が落ちた場合には、分割フォトダイオード素子13
ａ１，13ａ２，13ａ３の３つの出力を加算した信号を、
フォトダイオード13ａの信号として使用する。なお、フ
ォトダイオード13ｂ，13ｃ，13ｄ，13ｅも同様な方法に
より使用する。

【００３１】以上のように、本実施の形態に係る受光セ
ンサを分光光度計に適用した場合には、従来、光源ラン
プの出力低下により測定レンジをオーバーし、測定不可
能になっていたものが、測定レンジをオーバーすること
なく測定可能となる。

【００３２】なお、被測定光の単色光の光量の変化は、
使用する光源ランプの違いや波長の違いによって様々で
ある。例えば、初期から一定時間までは徐々に光量が増
加し、その後光量が減少していく場合や、初期から終期
まで、ごくわずかではあるが、光量が徐々に増加してい
く場合などがある。このような場合には、分割されたフ
ォトダイオード素子13ａ１，13ａ２，13ａ３の使用方法
を光量の変化に合わせて選択することで対応が可能であ
る。

【００３３】また、本実施の形態では、同一波長光測定
用フォトダイオードを３つのフォトダイオード素子に分
割し、面積的にも２種類のフォトダイオード素子を用い
たものを示したが、これに限定されるものでなく、必要
に応じて分割方法、分割数あるいは面積なども自由に設
定可能である。

【００３４】〔第３の発明の実施の形態〕次に、第３の
発明の実施の形態について説明する。図４は、本実施の
形態に係る受光センサ21を示す平面模式図である。本実
施の形態は、受光素子の形状を変えることにより、測定
波長による光量のばらつきをなくすと共に均一な信号を
出力させて、安定した高精度な吸光度測定を行えるよう
にしたものである。

【００３５】この実施の形態に係る受光センサは、フォ
トダイオードの形状及び構成が異なるのみで、受光セン
サの基本的な構成及び構造は第１及び第２の実施の形態
と同様である。したがって、ここではフォトダイオード
の形状及び構造に関してのみ説明することとする。

【００３６】図４において、段階的に異なる波長光が入
射する受光素子、ここではフォトダイオード23ａ，23
ｂ，23ｃ，23ｄ，23ｅが離散的に１次元状に配列されて
いる。そして、フォトダイオード23ａ，23ｂ，23ｃ，23
ｄ，23ｅは短波長側に位置しているフォトダイオード23
ａの面積が一番大きく、長波長側にいくにしたがって、
面積が小さくなり、すなわちフォトダイオード23ｅの面
積が一番小さいように構成されている。

【００３７】このような構成によれば、波長毎に光量の
異なる単色光を測定しようとする場合（特に本実施の形
態では短波長側の光量が長波長側に比較して少ない）で
も、ばらつきを抑えて均一な信号を出力させて、安定し
た高精度な吸光度測定が可能となる。

【００３８】本実施の形態におけるフォトダイオードの
構成の他に、波長毎にフォトダイオードの形状、大き
さ、すなわち感度を自由に設定できることは言うまでも
ない。

【００３９】なお、上記第１から第３の実施の形態で
は、受光素子としてフォトダイオードを用いたものを示
したが、これに限定されるものでなく、同様な機能を有
する受光素子であれば何でもかまわない。また、上記各
実施の形態ではいずれも単独での形態を示したが、上記
各実施の形態を組み合わせて構成することもできる。

【００４０】

【発明の効果】以上実施の形態に基づいて説明したよう
に、本発明によれば、短波長領域等の特定波長領域の微
弱な信号をノイズの影響をうけることなく安定して測定
可能な受光センサを提供することができる。また、光量
の変化に対してもダイナミックレンジを損なうことな
く、精密な測定が可能な受光センサを提供することがで
きる。また、ばらつきをなくすと共に均一な信号を出力
させて、安定した高精度の吸光度測定の可能な受光セン
サを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る受光センサの第１の実施の形態を
示す平面模式図である。

【図２】図１に示した第１の実施の形態に係る受光セン
サの断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態を示す平面模式図で
ある。

【図４】本発明の第３の実施の形態を示す平面模式図で
ある。

【図５】従来の受光センサを示す断面図である。

【図６】図５に示した受光センサを分光光度計に適用し
た態様を示す図である。

【図７】図６に示した分光光度計の光路を一直線上に示
した場合の断面図である。

【符号の説明】

１受光センサ２セラミックケース３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅフォトダイオード４フォトダイオードアレイ６フィルタ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄフィルタ素子７保護ガラス 11 受光センサ 13ａ，13ｂ，13ｃ，13ｄ，13ｅフォトダイオード 13ａ１，13ａ２，・・・・・13ｅ３分割フォトダイオ
ード素子 21 受光センサ 23ａ，23ｂ，23ｃ，23ｄ，23ｅフォトダイオード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単色光が分散する方向に離散的に１次元
状に配列された複数の受光素子と、該受光素子の光入射
面に近接ないし接触するように前記単色光が分散する方
向に沿って光透過特性が異なるように配列されたフィル
タとを少なくとも備えた受光センサにおいて、特定波長
測定用受光素子を複数個設け、該複数個の受光素子を電
気的に接続して構成したことを特徴とする受光センサ。
【請求項２】前記特定波長は、紫から紫外領域の短波
長であることを特徴とする請求項１に係る受光センサ。
【請求項３】単色光が分散する方向に離散的に１次元
状に配列された複数の受光素子と、該受光素子の光入射
面に近接ないし接触するように前記単色光が分散する方
向に沿って光透過特性が異なるように配列されたフィル
タとを少なくとも備えた受光センサにおいて、前記受光
素子自体を複数に分割し、該分割された受光素子毎の感
度を異ならせるように構成したことを特徴とする受光セ
ンサ。
【請求項４】単色光が分散する方向に離散的に１次元
状に配列された複数の受光素子と、該受光素子の光入射
面に近接ないし接触するように前記単色光が分散する方
向に沿って光透過特性が異なるように配列されたフィル
タとを少なくとも備えた受光センサにおいて、前記受光
素子毎の感度を測定波長に対応させて異ならせるように
構成したことを特徴とする受光センサ。
【請求項５】前記受光素子の感度は、受光素子の大き
さを変えることにより異ならせるように構成したことを
特徴とする請求項３又は４に係る受光センサ。