JP2001272269A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱流入に起因して生じる光検出精度の低下を
防止する。 【解決手段】 断熱室２内に設置され冷却機１１によっ
て所定温度に冷却される台座３と、台座３に載置されて
入射光を検出するホトダイオード４と、一端部が外部装
置に接続されると共に他端部がホトダイオード４に接続
され、かつ一端部および他端部の間の中間部位が台座３
に接触させられる接続用導体３１〜３３とを備え、ホト
ダイオード４の検出信号に基づいて入射光の入射量を検
出する光検出装置１において、接続用導体３１〜３３に
おける中間部位よりも一端部側の所定部位を断熱室２内
において所定の一定温度に維持する恒温手段２１〜２５
を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ホトダイオードを
用いて微弱な光を検出する光検出装置に関し、詳しく
は、大気中の水滴や塵の測定などの環境測定、各種工業
分野におけるガスや微量物質の分析、および医療診断な
どに応用可能な光検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の光検出装置として、出願人は、
図２に示す光検出装置４１を既に開発している。この光
検出装置４１は、アバランシェホトダイオード４を光検
出素子として用いて微弱な近赤外域光を検出可能に構成
されている。具体的には、光検出装置４１は、断熱壁で
囲われた断熱室２を備えている。また、断熱室２内には
台座３が配設され、その台座３には、入射光を検出する
アバランシェホトダイオード４と、台座３の温度を検出
する温度センサ５とが取り付けられている。また、光検
出装置４１は、台座３を冷却する冷却機１１と、冷却機
１１用の駆動電源を生成する駆動電源１２と、温度セン
サ５のセンサ信号に基づいてアバランシェホトダイオー
ド４の冷却温度を近似的に検出して駆動電源１２の出力
電力を調整する温度調節器１３と、断熱室２内の内気を
排出して真空に維持する排気装置１４と、アバランシェ
ホトダイオード４のバイアス電圧を生成する直流電圧源
１５と、アバランシェホトダイオード４の検出信号に基
づいてアバランシェホトダイオード４に入射される信号
光の入射量を検出する検出部４２とを備えている。

【０００３】また、断熱室２には、ケーブル導入用の導
入用端子１８，１８・・および挿通孔１９が設けられて
おり、アバランシェホトダイオード４に信号光を入射す
る光ファイバーケーブル３１が挿通孔１９を挿通させら
れた状態で、一端部および他端部が外部の集光光学系お
よびアバランシェホトダイオード４にそれぞれ接続され
ている。また、アバランシェホトダイオード４にバイア
ス電圧を供給するバイアス電圧供給用のケーブル３２、
アバランシェホトダイオード４の検出信号を検出部４２
に出力する信号出力用のケーブル３３、および温度セン
サ５のセンサ信号を温度調節器１３に出力するセンサ信
号出力用のケーブル３４の各々の一端部および他端部
は、導入用端子１８，１８・・を介して各部間にそれぞ
れ接続されている。

【０００４】この光検出装置４１では、冷却機１１が台
座３を設定温度（例えば−１５０℃）に冷却してアバラ
ンシェホトダイオード４をその設定温度に冷却すると共
に直流電圧源１５がアバランシェホトダイオード４のバ
イアス電圧を所定電圧に維持する。また、温度調節器１
３が、温度センサ５のセンサ信号に基づいて、台座３の
冷却温度が設定温度となるように駆動電源１２を制御し
て冷却機１１を駆動する。この状態において、アバラン
シェホトダイオード４に信号光を入射することにより、
検出部４２が、アバランシェホトダイオード４の検出信
号に基づいて信号光の入射量を検出する。

【０００５】この場合、アバランシェホトダイオード４
は、温度変化に非常に敏感な特性を有している。一方、
アバランシェホトダイオード４の冷却温度と断熱室２の
外気温度との間には、百数十℃の温度差が生じる。した
がって、ケーブル３１〜３４を介して、断熱室２の外部
から台座３に熱が流入し、その熱流入に起因して、アバ
ランシェホトダイオード４の内部温度が変動するおそれ
がある。このため、この光検出装置４１では、いわゆる
熱アンカー方式が採用されている。つまり、各ケーブル
３１〜３４の中間部を接着剤などで台座３に接着させて
熱的に接触させることによって設定温度に維持してい
る。この結果、冷却機１１によって台座３を設定温度に
冷却することにより、ケーブル３１〜３４を介してアバ
ランシェホトダイオード４に流入する熱量が最小かつほ
ぼ一定となるため、アバランシェホトダイオード４の冷
却温度を一定に維持することが可能となっている。

【０００６】また、この光検出装置４１では、断熱室２
の外部から台座３に流入する熱量を低減するために、以
下の方式が採用されている。まず、接続ケーブル３１〜
３４として、径が極力細い導体を必要最小限の本数だけ
用いることにより、熱が流入する導体の断面積を最小化
し、かつ、その長さをある程度長くする。さらに、接続
ケーブル３２〜３４として、その全部または中間の一部
に例えばステンレスなどの低熱伝導率の素材を用いる。
これにより、接続ケーブル３１〜３４の熱抵抗が増大す
る結果、アバランシェホトダイオード４の温度変化が最
小となるように工夫されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この光検出
装置４１には、以下の改善すべき点がある。すなわち、
アバランシェホトダイオード４は、冷却温度の１／１０
０℃単位での変化に対して、その検出特性が非常に敏感
に変化する。このため、たとえ、熱アンカー方式などを
採用したとしても、断熱室２の外気温度が変動する場合
には、接続ケーブル３１〜３４を介して台座３に流入す
る熱量も変動する。したがって、台座３を冷却機１１で
一定温度に冷却しようとしても、冷却機１１が台座３へ
の熱流入量の変動に迅速に追従して冷却するのが困難の
ため、台座３の冷却温度は、熱流入量の変動に起因して
微妙に変動する。このため、台座３の冷却温度の変動に
起因して、アバランシェホトダイオード４の検出特性が
変化する結果、光検出装置４１には、光検出精度が低下
するおそれがあり、この点を改善すべきとの要請があ
る。

【０００８】一方、高い冷却能力を有する冷却機で断熱
室２全体を一定温度に冷却することにより、アバランシ
ェホトダイオード４の冷却温度を一定温度に維持するの
は可能である。しかし、かかる場合には、冷却機自体の
コストが大幅に上昇し、かつ大型化する結果、それに応
じて、光検出装置が、高価になると共に小型化の要請に
反して大型化するという問題が生じる。

【０００９】本発明は、かかる改善すべき点に鑑みてな
されたものであり、装置の大幅なコストアップを招くこ
となく、熱流入に起因して生じる光検出精度の低下を防
止可能な光検出装置を提供することを主目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく請
求項１記載の光検出装置は、断熱室内に設置され冷却機
によって所定温度に冷却される台座と、台座に載置され
て入射光を検出するホトダイオードと、一端部が外部装
置に接続されると共に他端部がホトダイオードに接続さ
れ、かつ一端部および他端部の間の中間部位が台座に接
触させられる接続用導体とを備え、ホトダイオードの検
出信号に基づいて入射光の入射量を検出する光検出装置
において、接続用導体における中間部位よりも一端部側
の所定部位を断熱室内において所定の一定温度に維持す
る恒温手段を備えていることを特徴とする。なお、ホト
ダイオードには、アバランシェホトダイオードやＰＩＮ
ホトダイオードなどの光検出用ダイオードが含まれる。

【００１１】請求項２記載の光検出装置は、請求項１記
載の光検出装置において、恒温手段は、一面が断熱室内
に位置する電子冷却素子と、断熱室の外部に配設される
と共に電子冷却素子の他面に熱伝導可能に連結された放
熱器と、電子冷却素子の一面の表面温度を検出する温度
センサと、温度センサの検出温度に応じて電子冷却素子
を駆動することによりその一面を所定の一定温度に恒温
化制御する制御部とを備えて構成されていることを特徴
とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係る光検出装置の好適な実施の形態について説明す
る。なお、出願人が既に開発している光検出装置４１と
同一の構成要素については、同一の符号を付して重複し
た説明を省略する。

【００１３】光検出装置１は、波長０．９μｍ〜１．５
５μｍの近赤外域光を光パワー０．０００１ｐＷ〜１０
ｐＷの範囲で高検出効率で検出可能に構成されている。
具体的には、光検出装置１は、図１に示すように、台座
３が内部に配設されて真空状態に維持される断熱室２、
本発明におけるホトダイオードに相当するアバランシェ
ホトダイオード４、温度センサ５、冷却機１１、駆動電
源１２、温度調節器１３、排気装置１４および直流電圧
源１５を備えると共に、アバランシェホトダイオード４
を流れる電流信号を増幅してパルス電圧に変換する増幅
器１６と、ＣＰＵまたはＤＳＰで構成され、増幅器１６
から出力されるパルス電圧を内蔵のカウンタによってカ
ウントして光子数を計測する計測部１７とを備えてい
る。この場合、アバランシェホトダイオード４は、雪崩
増幅作用を生じ易い動作領域で作動するように直流電圧
源１５によってバイアス電圧が設定されており、微弱な
信号光が入射した際には雪崩増幅作用によって入射光を
光電変換し、検出信号としての電流信号を増幅器１６に
出力する。また、冷却機１１は、例えばスターリングク
ーラー、電子冷却素子、または液体窒素を利用した冷却
装置などで構成され、温度調節器１３によって設定され
た温度に台座３を冷却する。

【００１４】一方、光ファイバーケーブル３１は、挿通
孔１９を挿通させられた状態で、その一端部が断熱室２
の外部に配置された集光光学系に接続されている。ま
た、各ケーブル３２〜３４の各々の一端部が、ケーブル
導入用の導入用端子１８，１８・・に接続され、各導入
用端子１８，１８・・は、直流電圧源１５、増幅器１６
および温度調節器１３にそれぞれ接続されている。さら
に、各ケーブル３１〜３３（本発明における接続用導体
に相当する）の他端部は、アバランシェホトダイオード
４に接続されると共に、その中間部は、台座３に接触さ
せられて所定温度に冷却されている。また、ケーブル３
４の他端部は、温度センサ５に接続され、その中間部
が、台座３に接触させられて所定温度に冷却されてい
る。

【００１５】さらに、光検出装置１は、本発明における
恒温手段として、電子冷却素子であるペルチェモジュー
ル２１、放熱器２２、温度センサ２３、ペルチェモジュ
ール２１を駆動するための駆動電源２４、および本発明
における制御部に相当し、導入用端子１８を介してセン
サ信号出力用のケーブル３５で温度センサ２３に接続さ
れた温度調節器２５とを備えている。この場合、ペルチ
ェモジュール２１は、その一面が断熱室２内に位置する
ように断熱壁に取り付けられおり、温度調節器２５の制
御に従って駆動電源２４から供給される電流の向きに応
じて放熱器２２を加熱または冷却する。つまり、ペルチ
ェモジュール２１は、電流が一方の向きに流れるときに
は、その一面から放熱器２２に熱を移動することによ
り、その一面を冷却する。逆に、電流が他方の向きに流
れるときには、ペルチェモジュール２１は、放熱器２２
側の他面から一面に熱を移動することにより、その一面
を加熱する。一方、放熱器２２は、外気によって冷却さ
れたり、外気から熱を奪ったりすることにより、外気温
度に近い温度に維持される。この結果、ペルチェモジュ
ール２１の一面は、温度調節器２５の制御下で、設定温
度に冷却または加熱されると共に、その設定温度を維持
するよう制御される。

【００１６】また、放熱器２２は、フィンが外部に突出
するように断熱室２に取り付けられて、例えば接着剤に
よってその基部面にペルチェモジュール２１の他面が接
着されることにより、その基部面がペルチェモジュール
２１の他面に熱伝導可能に連結されている。温度センサ
２３は、サーミスタ、白金抵抗体または温度検出用集積
回路などで構成され、ペルチェモジュール２１の一面に
取り付けられると共に、その一面の表面温度に応じたセ
ンサ信号を温度調節器２５に出力する。駆動電源２４
は、温度調節器２５の制御に従い、ペルチェモジュール
２１に供給する電流の向きを可変する。温度調節器２５
は、温度設定が可能に構成され、温度センサ２３によっ
て検出されたペルチェモジュール２１の一面の温度が設
定温度と等しくなるように、駆動電源２４から出力され
る電流の向きを制御する。

【００１７】次に、光検出装置１の全体的な動作につい
て説明する。

【００１８】最初に、台座３の冷却温度（例えば−１５
０℃）を温度調節器１３に設定する。これにより、温度
調節器１３が、駆動電源１２を制御して冷却機１１に駆
動用電源を供給させ、温度センサ５のセンサ信号に基づ
いてフィードバック制御することにより台座３の冷却温
度を設定温度に維持する。この結果、アバランシェホト
ダイオード４がその設定温度に冷却される。

【００１９】また、ペルチェモジュール２１の一面側の
温度（例えば１０℃）を温度調節器２５に設定する。こ
れにより、温度調節器２５は、温度センサ２３のセンサ
信号に基づいて駆動電源２４の出力電流の向きを制御す
る。これにより、ペルチェモジュール２１は、放熱器２
２に熱を放出し、その一面を設定温度まで冷却する。こ
の際に、放熱器２２は、外気によって冷却されることに
より外気温度に近い温度に維持される。この後、温度調
節器２５は、ペルチェモジュール２１の一面側の表面温
度が設定温度と等しくなるように、駆動電源２４に対し
て、出力電流をペルチェモジュール２１に供給させ続け
る。一方、例えば、ペルチェモジュール２１の表面温度
が設定温度よりも低下した場合、温度調節器２５は、温
度センサ２３のセンサ信号に基づいて駆動電源２４の出
力電流の向きを逆向きに制御する。これにより、ペルチ
ェモジュール２１の一面側の表面温度が、上昇して設定
温度に維持される。

【００２０】この結果、ペルチェモジュール２１の一面
側の表面温度が能動的に設定温度に保たれる。したがっ
て、たとえ外気温度が変動したとしても、各ケーブル３
１〜３４におけるペルチェモジュール２１への接触部位
（本発明における所定部位に相当する）が強制的にペル
チェモジュール２１の表面温度に維持されるため、各ケ
ーブル３１〜３４を介して台座３に流入する熱量が一定
となる。このため、台座３は、外部からの熱流入に影響
されることなく、冷却機１１によって一定温度に冷却さ
れる。同時に、アバランシェホトダイオード４は、台座
３によって安定的に一定温度に冷却されるため、その検
出精度が極めて向上する。この場合、ペルチェモジュー
ル２１を用いた温度制御は、液体窒素やガスなどの冷媒
を用いる方式と比較して、設定温度への追従性が速く、
かつ温度安定性が非常に優れ、しかも、小型化できると
共にそのコストを安くすることができる。したがって、
光検出装置１全体としても、それ程のコストアップを招
くことなく、小型化することができる。また、ペルチェ
モジュール２１の表面温度を極めて安定な一定温度に維
持できるため、各ケーブル３１〜３４の良否を判別する
こともできる。つまり、冷却機１１に供給される駆動電
源１２の供給電力を監視し、基準となる供給電力と大き
く異なるときには、各ケーブル３１〜３４に異常が生じ
ていることを判別できる。また、駆動電源１２の供給電
力を監視することで、各ケーブル３１〜３４におけるペ
ルチェモジュール２１との接触部位から台座３に流入す
る熱量を最小化するための改善評価作業を行うことがで
きる。

【００２１】入射光の検出時には、図外の集光光学系に
おける絞りを閉じることによって、アバランシェホトダ
イオード４に対する信号光の入射を遮断する。続いて、
この状態において、増幅器１６が、アバランシェホトダ
イオード４を流れる暗電流に応じた検出信号をパルス信
号に変換し、計測部１７が、所定のしきい値を超えるパ
ルス信号の数をカウントする。次いで、集光光学系にお
ける絞りを開くことによって信号光をアバランシェホト
ダイオード４に入射させる。この状態において、計測部
１７が、所定のしきい値を超えるパルス信号の数をカウ
ントし、信号光が入射状態のときのカウント値から、信
号光が遮断されている状態のときのカウント値を減算す
ることによって、信号光のみに対応するカウント値を算
出する。この場合、信号光の入射が遮断状態のときの雑
音量に相当するカウント値が正確に相殺されるため、信
号光の入射量を高精度で検出することができる。

【００２２】このように、この光検出装置１によれば、
各ケーブル３１〜３４における導入用端子１８側の所定
部位をペルチェモジュール２１で恒温化することによ
り、台座３の冷却温度を極めて安定的に一定温度に維持
することができ、これにより、アバランシェホトダイオ
ード４の検出精度を向上させることができる。また、ペ
ルチェモジュール２１を用いることにより、恒温化用の
空気、水および油などの熱媒体を用いないため、熱媒体
を循環させるためのパイプやポンプなどを不要にするこ
とができる。このため、光検出装置１の小型化、軽量
化、低消費電力化および低価格化を図ることができる。
さらに、電気的に恒温化するため、熱時定数が大きい熱
媒体を加熱・冷却する場合と比較して、極めて短時間で
各ケーブル３１〜３４を設定温度に維持することができ
ると共に、設定温度に達した後には、各ケーブル３１〜
３４の表面温度のオーバーシュートを回避でき、しか
も、外気温度の変動に対して応答性よく各ケーブル３１
〜３４の表面温度を設定温度に維持することができる。

【００２３】なお、本発明は、上記した発明の実施の形
態に示した構成に限定されない。例えば、本発明におけ
る恒温手段は、電子冷却素子を用いた構成に限らず、ス
ターリングクーラーなどの各種冷却装置と加熱装置とを
組み合わせた構成を採用することができる。また、本発
明における電子冷却素子についても、ペルチェ素子を用
いたペルチェモジュール２１に限らず、電子的に熱を移
動させる各種素子を用いることが可能である。さらに、
恒温手段の取付位置も適宜規定することができる。ま
た、恒温手段によって維持される温度は、本発明の実施
の形態に示した温度に限定されず、外気温度と無関係の
任意の温度に規定することができる。

【００２４】さらに、ケーブル３２〜３４を導入用端子
１８に接続することなく、その一端部を外部装置に直接
的に接続する構成を採用できるのは勿論である。また、
計測部１７による光検出方式も本発明の実施の形態に示
した方式に限らず、例えば、計測部１７がアバランシェ
ホトダイオード４を流れる電流値を検出することによっ
て入射光量を検出してもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の光検出装
置によれば、恒温手段が接続用導体の所定部位を所定の
一定温度に維持することにより、台座の冷却温度を極め
て安定的に一定温度に維持することができ、これによ
り、ホトダイオードの動作条件を高精度で一定条件に維
持することができる結果、微弱な入射光を高精度で検出
することができる。

【００２６】また、請求項２記載の光検出装置によれ
ば、電子冷却素子、放熱器、温度センサおよび制御部に
よって恒温手段を構成したことにより、簡易に構成でき
ると共に、恒温化用の熱媒体を用いないため、パイプや
ポンプなどを不要にすることができる。これにより、光
検出装置の小型化、軽量化、低消費電力化および低価格
化を図ることができる。さらに、電気的に恒温化するた
め、熱時定数が大きい熱媒体を加熱・冷却する場合と比
較して、極めて短時間で各接続用導体を一定温度に維持
することができると共に、その温度に達した後には、各
接続用導体の表面温度のオーバーシュートを回避でき、
しかも、外気温度の変動に対して応答性よく、その表面
温度を一定温度に維持することができる。加えて、保守
が不要で取り扱い易く、さらに、無振動・無騒音化を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る光検出装置１の構成
を示す透視図である。

【図２】出願人が既に開発している光検出装置４１の構
成を示す透視図である。

【符号の説明】

１ 光検出装置 ２ 断熱室 ３ 台座 ４ アバランシェホトダイオード １１ 冷却機 １７ 計測部 ２１ ペルチェモジュール ２２ 放熱器 ２３ 温度センサ ２４ 駆動電源 ２５ 温度調節器 ３１ 光ファイバーケーブル ３２〜３５ ケーブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丸山 知行 長野県上田市大字小泉字桜町81番地 日置 電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB02 BA09 BC17 CA19 CA20 CA21 DA07 DA08 DA10 5F049 MA04 MA07 NA01 NA05 NA07 NA20 NB07 WA01 5F088 AA03 AA05 BA01 BA04 BA10 BA20 BB06 JA20 LA01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断熱室内に設置され冷却機によって所定
   温度に冷却される台座と、当該台座に載置されて入射光
   を検出するホトダイオードと、一端部が外部装置に接続
   されると共に他端部が前記ホトダイオードに接続され、
   かつ一端部および他端部の間の中間部位が前記台座に接
   触させられる接続用導体とを備え、前記ホトダイオード
   の検出信号に基づいて前記入射光の入射量を検出する光
   検出装置において、 前記接続用導体における前記中間部位よりも前記一端部
   側の所定部位を前記断熱室内において所定の一定温度に
   維持する恒温手段を備えていることを特徴とする光検出
   装置。
2. 【請求項２】 前記恒温手段は、一面が前記断熱室内に
   位置する電子冷却素子と、前記断熱室の外部に配設され
   ると共に前記電子冷却素子の他面に熱伝導可能に連結さ
   れた放熱器と、前記電子冷却素子の前記一面の表面温度
   を検出する温度センサと、当該温度センサの検出温度に
   応じて前記電子冷却素子を駆動することにより前記一面
   を前記所定の一定温度に恒温化制御する制御部とを備え
   て構成されていることを特徴とする請求項１記載の光検
   出装置。