JP2006017684A

JP2006017684A - 光検出器

Info

Publication number: JP2006017684A
Application number: JP2004198559A
Authority: JP
Inventors: Makoto Suzuki; 鈴木　　誠; Hidehiro Kume; 英浩久米; Takanori Nakatani; 崇典中谷; Yasushi Obayashi; 寧大林
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-01-19
Also published as: WO2006003843A1; TW200604498A

Abstract

【課題】フラットな感度分布を有する光検出器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る光検出器は、所定の波長範囲内において所定の感度分布を有する光検出素子６０と、所定の波長範囲内において光検出素子の感度分布とは逆の透過率分布を有する補正フィルタ及び所定の波長範囲内の光を選択的に透過させる選択フィルタを有する補正光学系２０と、を備え、補正光学系２０を透過した光が光検出素子に入射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光検出器に関する。

近年、光の照射により活性が発現するＴｉＯ_２等の光触媒が急速に進歩している。光触媒の特性を好適に発現させる波長は例えば、３００〜４００ｎｍの範囲の紫外線である。そして、光触媒の活性を定量的に評価するには、光触媒に照射する光のエネルギー（強度）を正確に定量化することが必要である。

光エネルギーを測定する光検出器としては、例えば、特許文献１等に開示されているような光検出器が開示されている。
特開平２００２−３５０２２８号公報

しかしながら、上述の光検出器では、紫外線の波長範囲、特に３００〜４００ｎｍの範囲範囲における感度特性が十分にフラットではない。したがって、光触媒に照射する光の波長を知らなければ光のエネルギーを定量的に評価することができず、煩雑である。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、フラットな感度分布を有する光検出器を提供することを目的とする。

本発明に係る光検出器は、所定の波長範囲内において所定の感度分布を有する光検出素子と、所定の波長範囲内において光検出素子の感度分布とは逆の透過率分布を有する補正フィルタと、所定の波長範囲内の光を選択的に透過させる選択フィルタと、を備え、補正フィルタ及び選択フィルタを透過した光が光検出素子に入射する。

本発明によれば、外部からの光は、選択フィルタを透過することにより所定の波長範囲以外の光が除去され、さらに、補正フィルタを透過することによりこの波長範囲において光検出素子の感度分布とは逆の分布で減衰が与えられる。そして、このように処理された光が光検出素子に入射するので、光検出素子で検出される光のエネルギーの値は、波長に依存しない値となる。すなわち、光検出器としての感度分布が所定の波長範囲内においてフラットとなる。さらに、光検出素子に入射する光は、選択フィルタにより余計な波長範囲の光が除去されたものなので、余計な波長範囲の光によって光検出素子の精度が低下することも抑制される。

ここで、選択フィルタは、多層膜構造を有するカットフィルタ及び色ガラスフィルタを有する物とすることが好ましい。

これによれば、十分にフラットな感度特性を有する光検出器が実現される。

このとき、色ガラスフィルタの一方の表面にカットフィルタが形成され、色ガラスフィルタの他方の表面に補正フィルタが形成されているとより好ましい。

この場合には、補正フィルタ、色ガラスフィルタ及びカットフィルタが一体化しているので、各フィルタを分離して設ける場合に比べて、界面における反射の問題を低減でき、また、光検出素子までの距離を短くできる。

一方、選択フィルタは、多層膜構造を有するカットフィルタを複数有する物とすることも好ましい。

これによっても、十分にフラットな感度特性を有する光検出器が実現される。

また、所定の波長範囲は３００〜４００ｎｍであると好適である。

このような波長範囲は、ＴｉＯ_２等に代表される光触媒を活性させるのに好適とされた波長範囲であり、このような光検出器は、光触媒の触媒活性のキャラクタリゼーションに特に好適に用いることができる。

また、補正フィルタ及び選択フィルタに入射する光を拡散させる拡散板を備えるとより好ましい。

これによれば、斜め方向から入射する光が散乱するので、斜入射による光検出素子の誤差をより低減できる。

さらに、拡散板を透過した光を集光するコリメータを備えるとより好ましい。

これによれば、拡散した光を集光させて光検出素子に対して垂直に入射させ得るので、斜入射による光検出素子の誤差をより一層低減できる。

本発明によれば、フラットな感度分布を有する光検出器が提供される。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。

（第一実施例）
図１に、第一実施例に係る光検出器１００の構成を示す。この光検出器１００は、ＴｉＯ_２等の光触媒を活性化するための光を発生する励起光源２から照射される光のエネルギー（強度）を測定する装置である。ここで、光検出器１００は、ＴｉＯ_２に対して特に活性を有する３００〜４００ｎｍの波長範囲において光の強度を取得する。

この光検出器１００は、拡散板１０、補正光学系２０、コリメータ５０、及び、光検出素子６０を主として備える。

拡散板１０は、励起光源２から入射する光を拡散させるものである。この拡散板１０は、入射光にたいして完全拡散的な透過特性、すなわち、ＣＯＳ角度分布を有するものであることが好ましく、例えば、テフロンやアクリル板等を利用できる。

補正光学系２０は、拡散板１０で拡散された光を入射させ、所定の波長範囲の光を選択的に透過させると共に波長に応じた所定の減衰を光に与えるフィルタである。この補正光学系２０の構成及び作用については後述する。補正光学系２０に入射する光の入射角は特に限定されない。

コリメータ５０は、補正光学系２０を通過した光を集光して光検出素子６０の検出面６０ａに対して垂直に入射させるものである。

光検出素子６０は、コリメータ５０により集光された光を検出面６０ａに入射させ、光のエネルギー（強度）を検出する。光検出素子６０としては、ＧａＰフォトダイオード等を利用できる。光検出素子６０は、入射した光のエネルギーに応じた電圧等を出力するが、図２に示すように、２５０〜４５０ｎｍの波長範囲において、右上がり、すなわち、波長の増加に伴って感度が増加する感度分布特性を有する。なお、４５０ｎｍ以降の波長では、右下がり、すなわち波長の増加に伴って感度が低下する感度分布特性を有し、可視光等の不要なバックグランドノイズの低減が可能である。

続いて、図３を参照して、補正光学系２０に付いて説明する。本実施形態の補正光学系２０は、色ガラスフィルタ２１と、色ガラスフィルタ２１の表面に形成されたカットフィルタ２２と、色ガラスフィルタ２１の裏面に形成された補正フィルタ２３とを有している。

補正フィルタ２３は、色ガラスフィルタ（ガラス基板）２１上に、Ａｌ_２Ｏ_３膜と、このＡｌ_２Ｏ_３膜上に、ＨｆＯ_２膜とＳｉＯ_２膜とを交互に１６層積層した、合計１７層の誘電体多層膜フィルタであり、膜の詳しい構成は構成は図４のようになっている。ここで、図４において、各膜の屈折率は波長３５０ｎｍでの値である。なお、各膜の材料の屈折率は、光の波長によって変化する。例えば、ＳｉＯ_２膜では、波長３００ｎｍの光の屈折率は１．４９、波長４００ｎｍの光の屈折率は１．４７である。また、ＨｆＯ_２膜では、波長３００ｎｍの光の屈折率は２．１２、波長４００ｎｍの光の屈折率は２．０４である。また、Ａｌ_２Ｏ_３膜では、波長３００ｎｍの光の屈折率は１．６７、波長４００ｎｍの光の屈折率は１．６５である。色ガラスフィルタに用いられる通常のガラス基板では、波長３００ｎｍの光の屈折率は１．５５、波長４００ｎｍの光の屈折率は１．５３である。

この補正フィルタ２３の光透過特性を図２に示す。この補正フィルタ２３の透過特性は、３００〜４００ｎｍにおいて、光検出素子６０の感度分布（曲線）と逆の傾向を有するものである。すなわち、補正フィルタ２３の透過率は、光検出素子６０の感度が相対的に高い高周波数側ほど低く、光検出素子６０の感度が相対的に低い低周波数ほど高くなるようになっている。

カットフィルタ２２は、色ガラスフィルタ（ガラス基板）２１上に、ＨｆＯ_２膜と、ＳｉＯ_２膜とを交互に全部で３０層重ねた誘電体多層膜フィルタであり、膜の詳しい構成は図５に示すようになっている。ここで、図５において、屈折率は波長３５０ｎｍでの値である。

色ガラスフィルタ２１は、ガラス中に所定の成分を含有させることにより所定の波長の範囲の光を選択的に透過させるものである。色ガラスフィルタとしては、青色を透過するいわゆるブルーフィルタと呼ばれる物が好ましい。色ガラスフィルタ２１における青色着色成分としては、Ｃｏ^２＋，Ｃｕ^２＋、Ｔｉ^３＋、Ｆｅ^２＋等の金属イオンが挙げられ、中でもＣｏ^２＋イオンを含むことが好ましい。

カットフィルタ２２及び色ガラスフィルタ２１の透過特性を図２に示す。これらのカットフィルタ２２及び色ガラスフィルタ２１とによって、概ね３００〜４００ｎｍの光が透過され、これ以外の光がカットされる。詳しくは、カットフィルタ２２が、３００ｎｍ未満及び４００ｎｍを超える波長の光を概ねカットし、色ガラスフィルタ２１が、さらに、３００ｎｍ未満及び４００ｎｍを超える波長の光をより確実に（補完的に）カットする。これら２つの組み合わせにより、３００〜４００ｎｍ以外の範囲の光を十分確実にカットできている。ここでこれらカットフィルタ２２及び色ガラスフィルタ２１が選択フィルタ２７を構成する。

すなわち、この補正光学系２０では、３００〜４００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させると共に、この波長範囲の光に対して、光検出素子６０の感度分布と逆の分布となるような減衰が与えられる。

そして、光検出器全体の検出感度特性、すなわち、補正光学系２０及び光検出素子６０の特性を足し合わせてえられる光検出器１００の合成特性は、合成特性＝（光検出素子の相対感度×色ガラスフィルタの透過率×カットフィルタの透過率×補正フィルタの透過率）となる。これを図２に示す。図２よりわかるように、光検出器１００の合成特性は３００〜４００ｎｍにおいて十分にフラットなものとなる。

つづいて、このような光検出器の作用について説明する。

光源２からの光が拡散板１０に入射すると、光が散乱された上で補正光学系２０に入射する。

補正光学系２０では、上述のように、３００〜４００ｎｍ程度の波長範囲の光を選択的に透過させると共に、この波長範囲における光に対して光検出素子６０の感度分布と逆の分布で減衰を与える。

補正光学系２０で上述のように補正された光は、コリメータ５０によって集光されて光検出素子６０の受光面に対して垂直に入射する。

このとき、光検出素子６０に入射する光は、光検出素子６０の感度分布とは逆の分布となるような減衰が与えられている。したがって、光検出素子６０が検出する光のエネルギーは、３００〜４００ｎｍの範囲において波長に依存しないものとなる。すなわち、この光検出器１００は、上記の波長範囲でフラットな感度特性を有することとなり、この波長範囲においてどの波長の光であっても、光のエネルギーを正確に定量的に測定することができる。

そして、このようにして、３００〜４００ｎｍにおいてフラットな感度特性を有する光検出器が実現すると、光触媒等に照射する励起光のエネルギーを定量化する際に、光の波長の定量化が不要となるので、光触媒の活性の統一的なキャラクタリゼーション等に対する寄与は極めて甚大である。

また、光源２からの光が拡散板１０を通過しており、また、拡散板１０を透過した光がコリメータにより集光されているので、これらによって光源２から光検出器１００に入射する光の方向性に寄らず、精度の極めて高い光のエネルギーのデータが得られる。

また、色ガラスフィルタ２１の表裏面に補正フィルタ２３及びカットフィルタ２２が設けられていて補正光学系２０が一体化しているので、各フィルタを分離して設ける場合に比べて、界面における反射の問題を低減できて透過率を高くでき、また、光検出素子６０までの距離を短くでき、さらなる高精度化、高感度化が可能となる。なお、補正光学系２０が一体化しておらず、３枚のフィルタに分離していても動作は可能である。

また、コリメータ５０と補正光学系２０との位置関係を逆にすることも可能である。

（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る光検出器２００について説明する。本実施形態の光検出器が第一実施形態の光検出器と異なる点は、補正光学系２０を補正光学系３０に代えただけであるので補正光学系３０のみについて詳説する。

本実施形態の補正光学系３０は、図６に示すように、第一フィルタ３１及び第二フィルタ３２を有しており、第一フィルタ３１及び第二フィルタ３２を透過した光がコリメータ５０を介して光検出素子６０に入射する。

第一フィルタ３１は石英等のガラス基板３３の一方の面に補正フィルタ３４、他方の面に第一カットフィルタ３５が形成されたものである。第二フィルタ３２は、石英等のガラス基板３６の一方の面に第二カットフィルタ３７、他方の面に反射防止膜（ＡＲ膜）３８が形成されたものである。

なお、補正フィルタ３４、第一カットフィルタ３５、第二カットフィルタ３７、及び反射防止膜３８の配置はこれに限定されず、ガラス基板３３の表面、裏面、及びガラス基板３６の表面、裏面の４つの面に、これら補正フィルタ３４、第一カットフィルタ３５、第二カットフィルタ３７、及び反射防止膜３８の４つの膜を任意の順序で設けることができる。また、光が透過する順序も特に限定されない。

補正フィルタ３４は、ガラス基板３３上にＡｌ_２Ｏ_３膜を積層し、そのＡｌ_２Ｏ_３膜上にＨｆＯ_２膜とＳｉＯ_２膜とを交互に１６層重ねてなる、合計１７層の誘電体多層膜フィルタであり、膜の構成は図７に示すようになっている。ここで、図７において、各膜の屈折率は波長３５０ｎｍでの値である。なお、ＳｉＯ_２膜及びＨｆＯ_２膜の材料の屈折率の波長分散は第１実施形態と同様である。石英ガラス基板では、波長３００ｎｍの光の屈折率は１．５０、波長４００ｎｍの光の屈折率は１．４８である。

この補正フィルタ３４の光透過特性を図８に示す。この補正フィルタ３４の透過特性は、第一実施形態と同様に、３００〜４００ｎｍにおいて、光検出素子６０の感度分布曲線と逆の傾向を有するものである。すなわち、補正フィルタ３４の透過率は、光検出素子６０の感度が高い高周波数側ほど低く、光検出素子６０の感度が低い低周波数側ほど高くなっている。

第一カットフィルタ３５及び第二カットフィルタ３７は、ガラス基板３３，３６上にＡｌ_２Ｏ_３膜を積層し、このＡｌ_２Ｏ_３膜上に、ＨｆＯ_２膜とＳｉＯ_２膜とを交互に２８層重ねてなる、合計２９層の多層膜フィルタであり、膜の構成はそれぞれ、図９、図１０に示すようになっている。ここで、図９，図１０において、屈折率は波長３５０ｎｍでの値である。

第一カットフィルタ３５及び第二カットフィルタ３７を組み合わせると、図８に示すように、概ね３００〜４００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させる機能を発揮する。そして、これら第一カットフィルタ３５及び第二カットフィルタ３７が選択フィルタ２７を構成する。

反射防止膜３８は、ガラス基板３６上に、Ａｌ_２Ｏ_３／ＨｆＯ_２膜／ＭｇＦ_２膜の３層構造の膜を形成してなるものであり、その構成は図１１に示すようになっている。ここで、図１１において、各膜の屈折率は波長３５０ｎｍでの値である。ＭｇＦ_２膜では、波長３００ｎｍの光の屈折率は１．３９、波長４００ｎｍの光の屈折率は１．３８である。このように、Ａｌ_２Ｏ_３／高屈折材料膜／ＭｇＦ_２膜という３層構造は、反射防止膜として広く用いられる。反射防止膜３８の透過率を図８に示す。反射防止膜３８は、３００〜４００ｎｍの波長範囲において、特に減衰を与えない。

そして、補正光学系３０及び光検出素子６０の特性を合わせることにより第一実施形態と同様にして得られる光検出器２００の合成特性を図８に示す。

このような補正光学系３０を備える第二実施形態の光検出器２００も、第一実施形態の補正光学系２０と同様に３００〜４００ｎｍの範囲でフラットな感度特性を示す。したがって、本実施形態の光検出器２００も第一実施形態と同様の作用効果を発揮する。

また、反射防止膜３８は、ガラス基板３６における表面反射を防止するために設けるものであり、これによって補正光学系３０全体の透過率が上がり好ましい。なお、反射防止膜３８を設けず、未コートのガラス面を一面残しておいても本光検出器２００の動作は可能である。

（第三実施形態）
続いて、第三実施形態に係る光検出器３００について説明する。本実施形態の光検出器３００が第二実施形態の光検出器２００と異なる点は、補正光学系３０を補正光学系４０に代えただけであるので補正光学系４０のみについて詳説する。

本実施形態の補正光学系４０は、図１２に示すように、第一フィルタ３１と、第二フィルタ３９とが接着剤４１で張り合わされた構造を有している。

第一フィルタ３１の構造は第二実施形態と同様である一方、第二フィルタ３９の構造は第二実施形態の第二フィルタ３２から反射防止膜３８を取り除いたものである。

具体的には、第二フィルタ３９は一方の表面に第二カットフィルタ３７を有し、第二フィルタ３９の未コート面が第一フィルタの第一カットフィルタ３５と接着剤４１により接着されている。なお、補正フィルタ３４、第一カットフィルタ３５、及び第二カットフィルタ３７の構成は第二実施形態と同様である。
なお、補正フィルタ３４、第一カットフィルタ３５、及び第二カットフィルタ３７の配置はこれに限定されず、ガラス基板３３の表面、裏面、及びガラス基板３６の非接着面の３つの面に、これら補正フィルタ３４、第一カットフィルタ３５、及び第二カットフィルタ３７を任意の順序で設けることができる。

接着剤４１は、紫外線、特に３００〜４００ｎｍの波長の光に対して透明な、すなわちこの波長範囲の光を十分に透過させることのできる接着剤を使用でき、例えば、イソシアヌル酸のトリアジン環窒素原子に結合したグリシジル基をもつエポキシ化合物を含む樹脂や、オーエンスイリノイ社製等のガラスレジン等を利用することができる。

接着剤の影響を少なくするためには、接着剤の屈折率がガラス基板３６の屈折率と同程度であることが好ましい。

本実施形態でも第二実施形態と同様の作用効果が得られる。加えて、第一フィルタ３１と第二フィルタ３９とが接着されて補正光学系４０が一体化しているので、各フィルタを分離して設ける場合に比べて、界面における反射の問題を低減でき、また、光検出素子６０までの距離を短くできる。

第一実施形態に係る光検出器の概略構成図である。図１の光検出器の構成部品の透過率及び相対感度を示すグラフである。図１の補正光学系の構成を示す概略断面図である。図３の補正フィルタの膜構造を説明する表である。図３のカットフィルタの膜構造を説明する表である。第二実施形態に係る光検出器の補正光学系の構成を示す概略構成図である。図６の補正フィルタの膜構造を説明する表である。第二実施形態の光検出器の構成部品の透過率及び相対感度を示すグラフである。図７の第一カットフィルタの膜構造を説明する表である。図７の第二カットフィルタの膜構造を説明する表である。図７の反射防止膜の膜構造を説明する表である。第三実施形態の光検出器の補正光学系の構成を示す概略構成図である。

符号の説明

１０…拡散板、２０，３０，４０…補正光学系、２１…色ガラスフィルタ、２２…カットフィルタ、２７…選択フィルタ、２３，３４…補正フィルタ、３５…第一カットフィルタ、３７…第二カットフィルタ、５０…コリメータ、６０…光検出素子、１００，２００，３００…光検出器。

Claims

所定の波長範囲内において所定の感度分布を有する光検出素子と、
前記所定の波長範囲内において前記光検出素子の感度分布とは逆の透過率分布を有する補正フィルタと、
前記所定の波長範囲内の光を選択的に透過させる選択フィルタと、
を備え、前記補正フィルタ及び前記選択フィルタを透過した光が前記光検出素子に入射する光検出器。
前記選択フィルタは、多層膜構造を有するカットフィルタ及び色ガラスフィルタを有する請求項１に記載の光検出器。
前記色ガラスフィルタの一方の表面に前記カットフィルタが形成され、前記色ガラスフィルタの他方の表面に前記補正フィルタが形成されている請求項２に記載の光検出器。
前記選択フィルタは、多層膜構造を有するカットフィルタを複数有する請求項１に記載の光検出器。
前記所定の波長範囲は３００〜４００ｎｍである請求項１〜４のいずれかに記載の光検出器。
さらに、前記補正フィルタ及び前記選択フィルタに入射する光を拡散させる拡散板を備える請求項１〜５のいずれかに記載の光検出器。
さらに、前記拡散板を透過した光を集光するコリメータを備える請求項６に記載の光検出器。