JP2012154780A - Spectroscope - Google Patents

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正紀 舟木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized spectroscope requiring only spatially small volume, integrally formed, capable of resisting vibration and eliminating the necessity of large voltage, and allowed to be carried.SOLUTION: A linear sensor 1 is an infrared sensor having such a configuration that a plurality of pixels sensitive to infrared rays are linearly arrayed at a predetermined pitch. A Fabry-Perot interferometer 2 has such a configuration that respective ends of two mirrors are fixed so that the two mirrors oppositely separated and has such a characteristic that a resonance wavelength is changed in a direction parallel with the array direction of the pixels configuring the linear sensor 1. A light parallelization device 3 has such a configuration that many holes having the same diameter as a pixel pitch of the plurality of pixels configuring the linear sensor 1 are pierced in a sheet capable of absorbing near infrared light and having a predetermined thickness. An optical filter 4 prevents incidence of light of excess wavelengths on the Fabry-Perot interferometer 2. A spectroscope 10 can noninvasively obtain various information by transmitting light from a light source 6 to a measuring object 7 such as a human finger.

Description

本発明は分光器に係り、特に被測定対象物の分光特性を取得する分光器に関する。   The present invention relates to a spectroscope, and more particularly to a spectroscope that acquires spectral characteristics of an object to be measured.

物質を透過したり反射したりする光、あるいは物質の放射する光の分光特性を得ることで、当該物質に関する様々な性質を知ることが可能である。その分光特性を得るのが分光器である。しかしながら、分光器は多くの場合、光学系に大きな体積の空間が必要になる。特に回折格子を使う場合、分解された各波長の光が広がるための大きな体積の空間が必要になるので、装置が大きくなる。一方、ファブリペロ共振器(ファブリペロエタロン)を使う場合、必要な空間が回折格子を使う場合よりも比較的小さな体積で済むので小型化に有利である。   By obtaining spectral characteristics of light that is transmitted through or reflected by a substance or emitted from a substance, it is possible to know various properties related to the substance. The spectroscope obtains the spectral characteristics. However, spectrometers often require a large volume of space in the optical system. In particular, when a diffraction grating is used, a large volume space for spreading the decomposed light of each wavelength is required, so that the apparatus becomes large. On the other hand, when a Fabry-Perot resonator (Fabry-Perot etalon) is used, the required space is relatively small compared to the case where a diffraction grating is used, which is advantageous for downsizing.

特許文献1には、ファブリペロ干渉計とレンズとリニアセンサを組み合わせた分光器が記載されている。この特許文献1記載の分光器では、各波長毎に集光する位置が異なるので、集光位置の直線上に配置したリニアセンサで光強度を読み取り、各画素の位置と信号強度とから所定の演算操作を行って波長分布を得る。   Patent Document 1 describes a spectrometer that combines a Fabry-Perot interferometer, a lens, and a linear sensor. In the spectroscope described in Patent Document 1, the light collecting position is different for each wavelength. Therefore, the light intensity is read by a linear sensor arranged on the straight line of the light collecting position, and a predetermined value is obtained from the position of each pixel and the signal intensity. An arithmetic operation is performed to obtain a wavelength distribution.

また、特許文献2には、ファブリペロ干渉計の間隔を静電引力で可変することで波長分布を得る可変干渉器が記載されている。特許文献2には図示されていないが、この可変干渉器に光の入射方向を制御する部品を設けることで分光器が構成できる。   Patent Document 2 describes a variable interferometer that obtains a wavelength distribution by varying the interval between Fabry-Perot interferometers by electrostatic attraction. Although not shown in Patent Document 2, a spectroscope can be configured by providing the variable interferor with a component for controlling the incident direction of light.

特許第2692844号公報Japanese Patent No. 2629844 特公平4−046369号公報Japanese Examined Patent Publication No. 4-046369

しかしながら、特許文献1記載の分光器では、ファブリペロ干渉計の大きさのレンズが必要になり、また光を集光させるための比較的大きな体積の空間が必要になり、装置の小型化が十分ではないという問題がある。また、特許文献2記載の可変干渉器を用いて構成される分光器では、静電引力を発生させるため大きな電圧が必要になり、またファブリペロ干渉計全体の平行度を保ったまま距離を変化させるのは難しいという問題がある。更に、上記の特許文献1記載の分光器や特許文献2記載の可変干渉器を用いた分光器は、互いにある程度の隙間のある複数の光学部品により構成されるため、比較的振動に弱いという問題もある。   However, the spectroscope described in Patent Document 1 requires a lens having the size of a Fabry-Perot interferometer, and requires a relatively large volume space for condensing light. There is no problem. In addition, in the spectroscope configured using the variable interferometer described in Patent Document 2, a large voltage is required to generate electrostatic attraction, and the distance is changed while maintaining the parallelism of the entire Fabry-Perot interferometer. There is a problem that it is difficult. Furthermore, the spectroscope using the spectroscope described in Patent Document 1 and the variable interferometer described in Patent Document 2 is composed of a plurality of optical components having a certain amount of clearance from each other, so that it is relatively vulnerable to vibration. There is also.

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、空間的に小さな体積で済み、一体型で、振動にも強く、大きな電圧を必要とせず、持ち運びができる小型の分光器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to provide a small-sized spectroscope that can be carried around without requiring a small volume, being integrated, strong against vibration, requiring no large voltage. And

上記の目的を達成するため、第1の発明の分光器は、所定の波長範囲に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に配列したリニアセンサと、リニアセンサを構成する複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有しており、入射光を分光してリニアセンサに入射するファブリペロ干渉計と、ファブリペロ干渉計への入射光を平行化する光線平行化手段と、光線平行化手段に測定する波長の被検出光を入射する光源とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a spectroscope according to a first invention includes a linear sensor in which a plurality of pixels having sensitivity in a predetermined wavelength range are linearly arranged at a predetermined pitch, and a plurality of pixels constituting the linear sensor. A Fabry-Perot interferometer that splits the incident light and enters the linear sensor, and a light beam that collimates the incident light to the Fabry-Perot interferometer. It is characterized by comprising a collimating means and a light source for entering the light to be detected having a wavelength to be measured into the light collimating means.

また、上記の目的を達成するため、第2の発明の分光器は、リニアセンサと被測定対象物との間に、リニアセンサへの入射光の不要な波長を除去する光学フィルタを更に備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the spectroscope according to the second aspect of the present invention further includes an optical filter for removing unnecessary wavelengths of light incident on the linear sensor between the linear sensor and the measurement object. It is characterized by.

また、上記の目的を達成するため、第3の発明の分光器は、ファブリペロ干渉計が、それぞれ一面に形成された反射面が互いに離間対向する平板状の第1及び第2の誘電体の両端が固定されており、かつ、第1及び第2の誘電体の互いの間隔が一方の固定端の間隔から他方の固定端の間隔まで直線的に変化するように配置されることにより、共振波長の分布を形成している構成であることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a spectroscope according to a third aspect of the present invention is a Fabry-Perot interferometer, in which both ends of flat plate-like first and second dielectrics whose reflecting surfaces formed on one surface face each other are spaced apart from each other. Is fixed, and the first and second dielectrics are arranged so that the distance between them is linearly changed from the distance between one fixed end to the distance between the other fixed ends. It is the structure which forms distribution of this.

また、上記の目的を達成するため、第4の発明の分光器は、光線平行化手段が、複数の孔が開けられたシートからなり、複数の孔のそれぞれは、軸方向の長さが軸方向に対して垂直方向の横断面の最大長よりも大なる長さであり、内部の側面が無反射状態とされていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a spectroscope according to a fourth aspect of the present invention is that the beam collimating means comprises a sheet having a plurality of holes, each of the plurality of holes having an axial length. The length is greater than the maximum length of the cross section perpendicular to the direction, and the inner side surface is in a non-reflective state.

また、上記の目的を達成するため、第5の発明の分光器は、リニアセンサが、複数の画素のそれぞれが、基板の表面に金属を接触させた構造のショットキー・バリア・ダイオードで構成されており、基板の裏面からファブリペロ干渉計を通して光が入射する構成であることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a spectroscope according to a fifth aspect of the present invention is that the linear sensor includes a Schottky barrier diode having a structure in which a plurality of pixels are in contact with metal on the surface of the substrate. The light is incident from the back surface of the substrate through a Fabry-Perot interferometer.

また、上記の目的を達成するため、第6の発明の分光器は、ショットキー・バリア・ダイオードに蓄積した電荷を基板と反対導電型の高濃度拡散層に転送する転送手段と、高濃度拡散層に蓄積された電位変化を信号として読み出す読み出し回路手段とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a spectroscope according to a sixth aspect of the invention includes a transfer means for transferring the charge accumulated in the Schottky barrier diode to a high concentration diffusion layer having a conductivity type opposite to that of the substrate, and a high concentration diffusion. Readout circuit means for reading out the potential change accumulated in the layer as a signal is provided.

更に、上記の目的を達成するため、第7の発明の分光器は、光源はピーク波長が予め既知である光を出射する光源であり、その光源からの光を拡散して光線平行化手段に入射する拡散板と、複数の画素のうち読み出し信号が最大の強度を示した画素をピーク波長を測定している画素と特定し、その特定した画素と隣接する画素との既知の測定波長の差とに基づいて、複数の画素のすべてについてその測定波長を特定する特定手段とを更に備えることを特徴とする。   Furthermore, in order to achieve the above object, the spectroscope of the seventh invention is a light source for emitting light whose peak wavelength is known in advance, and diffusing the light from the light source to the light collimating means. Identify the incident diffuser and the pixel whose readout signal has the maximum intensity among the plurality of pixels as the pixel whose peak wavelength is being measured, and the difference in the known measurement wavelength between the identified pixel and the adjacent pixel And a specifying means for specifying the measurement wavelength for all of the plurality of pixels.

本発明によれば、空間的に小さな体積で済み、一体型で、振動にも強く、大きな電圧を必要とせず、持ち運びができる。   According to the present invention, a small space is sufficient, it is integrated, strong against vibration, does not require a large voltage, and can be carried.

本発明の分光器の一実施の形態の構成図である。It is a block diagram of one embodiment of the spectrometer of the present invention. 図1中のファブリペロ干渉計の一例の構成図である。It is a block diagram of an example of the Fabry-Perot interferometer in FIG. ファブリペロ共振器の分解能と反射率を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the resolution and reflectance of a Fabry-Perot resonator. ファブリペロ干渉計の他の各例の構成図である。It is a block diagram of each other example of a Fabry-Perot interferometer. ファブリペロ干渉計の入射光の角度の説明図である。It is explanatory drawing of the angle of the incident light of a Fabry-Perot interferometer. 光線平行化方法の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the light parallelization method. 図1中の光線平行化装置の一例の斜視図である。It is a perspective view of an example of the beam collimating device in FIG. リニアセンサを含むチップ内の一例の構成図である。It is a block diagram of an example in the chip | tip containing a linear sensor. リニアセンサの1画素と読み出し回路の一例の構造断面図及び回路図である。It is the structure sectional drawing and circuit diagram of an example of 1 pixel of a linear sensor, and a read-out circuit. 図9の動作説明用タイミングチャートである。10 is a timing chart for explaining the operation of FIG. 9. 本発明の分光器の一実施の形態の要部の補正方法の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the correction method of the principal part of one Embodiment of the spectrometer of this invention.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明になる分光器の一実施の形態の構成図を示す。同図に示すように、本実施の形態の分光器10は、赤外線に感度のあるリニアセンサ1、ファブリペロ干渉計2、光線を平行化する光線平行化装置3、及び特定の波長を透過させる光学フィルタ4が互いに密着又は殆ど隙間なく接している一体化された分光器本体5と、光源6とから構成され、分光器本体5と光源6との間に設置された被測定対象物(ここでは指を想定)7の分光特性を測定する。ここでは、分光器10は、被測定対象物7である指に光源6から発する光を透過させ、波長1μm〜2μmの赤外線の分光特性を得るものとする。   FIG. 1 shows a configuration diagram of an embodiment of a spectrometer according to the present invention. As shown in the figure, the spectroscope 10 of the present embodiment includes a linear sensor 1 sensitive to infrared rays, a Fabry-Perot interferometer 2, a light collimating device 3 that collimates light, and an optical that transmits a specific wavelength. An object to be measured (here, an object to be measured (here, the filter 4) is provided between the spectroscope body 5 and the light source 6, which is composed of an integrated spectroscope body 5 in which the filters 4 are in close contact with each other or in contact with each other with almost no gap. 7) Spectral characteristics are measured. Here, it is assumed that the spectroscope 10 transmits light emitted from the light source 6 to a finger, which is the measurement object 7, and obtains infrared spectral characteristics having a wavelength of 1 μm to 2 μm.

リニアセンサ1は、赤外線に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に並べた構成の赤外線センサである。このリニアセンサ1としては、例えば赤外線を吸収して熱に変換する熱型センサ、温度の変化を抵抗の変化で読み取る抵抗ボロメータ方式のセンサ、直列につないだ熱電対の電圧を読み取るサーモパイル方式のセンサ、焦電素子を使った方式のセンサ、あるいは光を直接光電変換により取り出す量子型のセンサを用いることができる。量子型のセンサとしては、InGaAs系の化合物半導体のフォトダイオードアレイ、あるいはシリコン基板にショットキー・バリア・ダイオードを形成し、シリコン基板と金属薄膜との界面で起こる光電変換を利用するショットキー・バリア・ダイオード方式センサなどが考えられる。ここでは、一例としてショットキー・バリア・ダイオード方式センサを使うものとする。   The linear sensor 1 is an infrared sensor having a configuration in which a plurality of pixels sensitive to infrared rays are arranged linearly at a predetermined pitch. As this linear sensor 1, for example, a thermal sensor that absorbs infrared rays and converts it into heat, a resistance bolometer type sensor that reads a change in temperature by a change in resistance, and a thermopile type sensor that reads the voltage of a thermocouple connected in series In addition, a sensor using a pyroelectric element or a quantum sensor that directly extracts light by photoelectric conversion can be used. Quantum sensors include InGaAs compound semiconductor photodiode arrays, or Schottky barrier diodes formed on the silicon substrate and using photoelectric conversion that occurs at the interface between the silicon substrate and the metal thin film.・ A diode type sensor can be considered. Here, a Schottky barrier diode type sensor is used as an example.

ファブリペロ干渉計2は、2枚の鏡が離間対向するように互いの両端が固定されており、例えばそれらの一方の固定端の間隔が0.25μmで、もう一方の固定端の間隔が0.5μmであり、かつ、それら2つの固定端の間が直線的に変化している構造である。上記の2つの固定端のそれぞれの間隔0.25μmと0.5μmとは、それぞれ測定する最短波長である1μmと最長波長である2μmの4分の1の長さに対応している。これら2つの固定端の各間隔は測定したい波長により変えられる。このファブリペロ干渉計2は、リニアセンサ1を構成する複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有しており、入射光を分光してリニアセンサ1に入射する。   The Fabry-Perot interferometer 2 is fixed at both ends so that the two mirrors are spaced apart from each other. For example, the distance between one of the fixed ends is 0.25 μm and the distance between the other fixed ends is 0.5. The structure is 5 μm and linearly changes between the two fixed ends. The interval 0.25 μm and 0.5 μm between the two fixed ends corresponds to a quarter length of 1 μm which is the shortest wavelength and 2 μm which is the longest wavelength, respectively. The distance between these two fixed ends can be changed according to the wavelength to be measured. The Fabry-Perot interferometer 2 has a characteristic that the resonance wavelength changes in a direction parallel to the arrangement direction of a plurality of pixels constituting the linear sensor 1, and splits incident light and enters the linear sensor 1. .

光線平行化装置3は、ファブリペロ干渉計2にある角度の範囲で垂直に光を入射することを目的としている。この光線平行化装置3は、特定の寸法の孔が多数開き、ある角度以外の光を遮光する構造を持っていたり、または光ファイバを多数並べた構造をしている。従って、高々数mmの厚さの形状であり、またファブリペロ干渉計2と接着することも可能で、空間的な体積をとらない。   The light collimating device 3 is intended to make light incident on the Fabry-Perot interferometer 2 vertically within a range of angles. The beam collimating device 3 has a structure in which a large number of holes of a specific size are opened and blocks light other than a certain angle, or a structure in which a large number of optical fibers are arranged. Therefore, it has a thickness of several millimeters at most, and can be bonded to the Fabry-Perot interferometer 2 and does not take up a spatial volume.

光学フィルタ4は、余計な波長の光がファブリペロ干渉計2に入射しないようにするためのもので、例えば1μm以下の光がファブリペロ干渉計2に入ると、干渉し検出する可能性があるために設けられる。後述するが、シリコン基板にショットキー・バリア・ダイオードでセンサを作る場合には、シリコン基板自体が光学フィルタ作用をするため、この光学フィルタ4を省くことが可能となる。   The optical filter 4 is for preventing light having an extra wavelength from entering the Fabry-Perot interferometer 2. For example, when light of 1 μm or less enters the Fabry-Perot interferometer 2, there is a possibility of interference and detection. Provided. As will be described later, when a sensor is formed on a silicon substrate with a Schottky barrier diode, the silicon substrate itself performs an optical filter function, so that the optical filter 4 can be omitted.

なお、ファブリペロ干渉計2、光線平行化装置3、光学フィルタ4は図1に示した順番に並んでいなくてもよい。例えば、光線平行化装置3はファブリペロ干渉計2の上に配置することも可能である(つまり、干渉させてから、余計な波長の光を取り除いてもよい)。また、光学フィルタ4はどの位置にあっても、結果として検出される光に差はない。配置については、設計により適宜最適な配置にすればよい。つまり、ファブリペロ干渉計2、光線平行化装置3、及び光学フィルタ4はどのような順番に並んでいてもよい。また、光学フィルタ4はファブリペロ干渉計2、光線平行化装置3、あるいはリニアセンサ1の表面に多層膜として形成し、それぞれと一体化させることも可能である。   The Fabry-Perot interferometer 2, the beam collimating device 3, and the optical filter 4 do not have to be arranged in the order shown in FIG. For example, the beam collimating device 3 can be disposed on the Fabry-Perot interferometer 2 (that is, the light having an extra wavelength may be removed after the interference). Moreover, there is no difference in the light detected as a result regardless of the position of the optical filter 4. About arrangement | positioning, what is necessary is just to make it optimal arrangement | positioning suitably by design. That is, the Fabry-Perot interferometer 2, the beam collimating device 3, and the optical filter 4 may be arranged in any order. The optical filter 4 can be formed as a multilayer film on the surface of the Fabry-Perot interferometer 2, the beam collimating device 3, or the linear sensor 1, and can be integrated with each other.

光源6は、測定したい波長の光を出す光源であればよい。例えば、ハロゲンランプは近赤外線領域の光を比較的一様に出し、手に入れ易いので光源として好適である。その他、1つあるいは複数の発光ダイオード(LED)を使ったり、LEDを1次光源にした蛍光体などでもよい。またレーザのような指向性のある光を被測定対象物7に入射させ、その拡散光を測定してもよい。また、光源6の位置は、図1の実施の形態ではリニアセンサ1の反対側になっているが、リニアセンサ1と同じ方向から光を被測定対象物7に反射させたり、あるいは光ファイバなどを用いて被測定対象物7に密着させ、その拡散光を検出するようにしてもよい。   The light source 6 may be any light source that emits light having a wavelength to be measured. For example, a halogen lamp is suitable as a light source because it emits light in the near infrared region relatively uniformly and is easily obtained. In addition, one or a plurality of light emitting diodes (LEDs) may be used, or a phosphor using LED as a primary light source may be used. Further, directional light such as a laser may be incident on the measurement object 7 and the diffused light may be measured. Further, the position of the light source 6 is opposite to the linear sensor 1 in the embodiment of FIG. 1, but the light is reflected to the object 7 to be measured from the same direction as the linear sensor 1 or an optical fiber or the like. May be used to closely contact the measurement object 7 to detect the diffused light.

被測定対象物7は、ここでは生体のサンプルとして人間の生きた指とする。分光器10は、人間の指に光源6からの光を透過させることで、様々な情報を非侵襲(生体に影響を及ぼさないこと)で得ることができる。例えば、波長1.5〜1.6μm付近にはグルコースの吸収帯があり、この領域を含む分光特性を得ることで、血糖値が測定できることが知られている(例えば、特開2000−131322号公報参照)。   Here, the measurement object 7 is a living human finger as a biological sample. The spectroscope 10 can obtain various information non-invasively (not affecting the living body) by transmitting light from the light source 6 to a human finger. For example, there is a glucose absorption band in the vicinity of a wavelength of 1.5 to 1.6 μm, and it is known that a blood glucose level can be measured by obtaining spectral characteristics including this region (for example, JP 2000-131322 A). See the official gazette).

なお、本実施の形態の分光器10は、このような応用を念頭においているが、被測定対象物7として生体に限っているものではなく、その他の無機物、有機物の化学的な特性を計測することを目的としてもよいことは勿論である。   In addition, although the spectrometer 10 of this Embodiment has such an application in mind, it is not restricted to a biological body as the to-be-measured object 7, It measures the chemical characteristic of another inorganic substance and organic substance. Of course, this may be the purpose.

次に、このような構成の分光器10において、どのように光が分光され、検出されるのかについて説明する。まず、分光を行っている光学部品であるファブリペロ干渉計2について図2を使って説明する。   Next, how the light is dispersed and detected in the spectroscope 10 having such a configuration will be described. First, the Fabry-Perot interferometer 2, which is an optical component performing spectroscopy, will be described with reference to FIG.

まず、ファブリペロ干渉計2は次のような特性を持っているものとする。測定波長が1〜2μmで、波長分解能が10nmであるとする。この波長分解能の分だけリニアセンサ1の画素を用意すると、リニアセンサ1の画素数は100個になる。リニアセンサ1の画素ピッチを30μmとすると、リニアセンサ1の全体の長さは3000μm(=3mm)となる。   First, it is assumed that the Fabry-Perot interferometer 2 has the following characteristics. It is assumed that the measurement wavelength is 1 to 2 μm and the wavelength resolution is 10 nm. If the pixels of the linear sensor 1 are prepared for this wavelength resolution, the number of pixels of the linear sensor 1 is 100. When the pixel pitch of the linear sensor 1 is 30 μm, the entire length of the linear sensor 1 is 3000 μm (= 3 mm).

ファブリペロ干渉計2の構造は以下のようになる。ファブリペロ干渉計2は、近赤外領域で透明な例えば平板状の誘電体(例えば石英)20aと20bとが互いに離間対向され、誘電体20aと20bの対向する一つの表面23a、23bに例えば金が蒸着により形成されて反射面とされている。誘電体20a、20bの光の出射面と入射面にはそれぞれ無反射コーティングの多層膜22a、22bが設けられている。   The structure of the Fabry-Perot interferometer 2 is as follows. In the Fabry-Perot interferometer 2, for example, flat dielectrics (for example, quartz) 20a and 20b that are transparent in the near-infrared region are opposed to each other, and one surface 23a, 23b of the dielectrics 20a and 20b is opposed to, for example, gold. Is formed by vapor deposition as a reflecting surface. The light emitting surfaces and the incident surfaces of the dielectrics 20a and 20b are provided with multilayer films 22a and 22b with antireflection coating, respectively.

誘電体20aと20bとは、各一端が長さ0.25μmのスペーサ21aにより固定され、各他端が長さ0.5μmのスペーサ21bにより固定されている。なお、上記の0.25μmと0.5μmの数値は測定波長1〜2μmの4分の1のことである。また、誘電体20a、20bの間隔は、一方の固定端の間隔(スペーサ21aの長さ)から他方の固定端の間隔(スペーサ21bの長さ)まで直線的に変化する構成である。反射面23aを有する誘電体20aは第1の鏡を構成し、反射面23bを有する誘電体20bは第2の鏡を構成する。ファブリペロ干渉計2は、これら2つの鏡の間隔が、リニアセンサ1の複数の画素の配列方向と平行な方向に変化することにより、共振波長の分布を形成している。   One end of each of the dielectrics 20a and 20b is fixed by a spacer 21a having a length of 0.25 μm, and the other end is fixed by a spacer 21b having a length of 0.5 μm. The above numerical values of 0.25 μm and 0.5 μm are 1/4 of the measurement wavelength of 1 to 2 μm. Further, the interval between the dielectrics 20a and 20b changes linearly from the interval between the one fixed ends (the length of the spacer 21a) to the interval between the other fixed ends (the length of the spacer 21b). The dielectric 20a having the reflective surface 23a constitutes a first mirror, and the dielectric 20b having the reflective surface 23b constitutes a second mirror. The Fabry-Perot interferometer 2 forms a distribution of resonance wavelengths by changing the interval between these two mirrors in a direction parallel to the arrangement direction of the plurality of pixels of the linear sensor 1.

反射面23aと23bの反射率は、分解能に応じて98.5%以上である。図3は、分解能と反射率の関係を示す。   The reflectivity of the reflective surfaces 23a and 23b is 98.5% or more depending on the resolution. FIG. 3 shows the relationship between resolution and reflectance.

さて、反射面のギャップが波長によって異なっているから、図2に示すように、反射面23aと23bとは完全な平行にはなっておらず、両端間では0.25μmの厚さの変化がある。しかしながら、この0.25μmの厚さの変化に対して、誘電体20a、20bの横の長さが3000μmであるから、その傾きは0.3秒程度となり、1秒以下の平行度である。例えば、ギャップが0.5μmのところで反射面23bに対して垂直に光26が入射したとすると、2度反射してもその位置のずれは0.08μmである。従って、図2のファブリペロ干渉計2は、波長2μmの光に対して十分小さく、自己干渉を引き起こすので、ファブリペロ共振器として作用することが分かる。   Now, since the gap of the reflecting surface differs depending on the wavelength, as shown in FIG. 2, the reflecting surfaces 23a and 23b are not completely parallel, and there is a change in thickness of 0.25 μm between both ends. is there. However, since the horizontal length of the dielectrics 20a and 20b is 3000 μm with respect to the change in thickness of 0.25 μm, the inclination is about 0.3 seconds, and the parallelism is 1 second or less. For example, if the light 26 is incident perpendicularly to the reflecting surface 23b when the gap is 0.5 μm, the positional deviation is 0.08 μm even if it is reflected twice. Therefore, it can be seen that the Fabry-Perot interferometer 2 of FIG. 2 is sufficiently small with respect to light having a wavelength of 2 μm and causes self-interference, and thus acts as a Fabry-Perot resonator.

なお、ファブリペロ干渉計2としては、図2のようにエアギャップの構成をとらなくてもよい。例えば、図4(A)に示すように、ギャップの形を誘電体24で作ってもよい。誘電体24は厚さ0.25μmの一端から厚さ0.5μmの他端まで厚さが連続的に変化する台形加工型の構成である。誘電体24の厚さは、図4(A)では誘電率1として0.25μmと0.5μmと表記してあるが、その厚さは誘電率により変わることは勿論である。   The Fabry-Perot interferometer 2 does not have to have an air gap configuration as shown in FIG. For example, as shown in FIG. 4A, the shape of the gap may be made of a dielectric 24. The dielectric 24 has a trapezoidal processing type structure in which the thickness continuously changes from one end having a thickness of 0.25 μm to the other end having a thickness of 0.5 μm. The thickness of the dielectric 24 is shown as 0.25 μm and 0.5 μm as the dielectric constant 1 in FIG. 4A, but it should be understood that the thickness varies depending on the dielectric constant.

また、図4(B)に示すように、平行な鏡面を形成している誘電体25の内部の誘電率を所定の方向に徐々に変化させていくような誘電率変調型の誘電体25を作ってもよい。誘電体24、25ともに、光の入射面、出射面には無反射コーティングを施しておくのは勿論のことである。   Further, as shown in FIG. 4B, a dielectric constant modulation type dielectric 25 that gradually changes the dielectric constant inside the dielectric 25 forming parallel mirror surfaces in a predetermined direction. You can make it. Of course, both the dielectrics 24 and 25 are provided with a non-reflective coating on the light incident surface and light exit surface.

次にファブリペロ干渉計2の入射光の角度について説明する。   Next, the angle of incident light of the Fabry-Perot interferometer 2 will be described.

画素の分解能が10nmなので、図5に示すようにリニアセンサ1内のある画素αと隣の画素βについて考える。検出する波長が画素αと画素βとで10nm異なっているので、角度θが6度程度垂直方向に対して傾くと、光路長が10nmの4分の1波長の2.5μmになり、本来隣の画素βで検出すべき光を画素αで検出してしまう。従って、ファブリペロ干渉計2へ光を入射する前に、何らかの光線平行化手段が必要になる。平行光線の作り方としてはレンズのコリメートによる方法が使える。しかしながら、レンズのコリメートによる方法では、大きな体積の空間が必要になるし、また、光学系は位置ずれが起きないような頑丈な躯体が必要になり、分光器の形状が更に大きくなる。   Since the pixel resolution is 10 nm, a certain pixel α in the linear sensor 1 and an adjacent pixel β are considered as shown in FIG. Since the wavelength to be detected is different by 10 nm between the pixel α and the pixel β, when the angle θ is tilted by about 6 degrees with respect to the vertical direction, the optical path length becomes 2.5 μm, which is a quarter wavelength of 10 nm. The light to be detected by the pixel β is detected by the pixel α. Therefore, some light collimating means is required before the light is incident on the Fabry-Perot interferometer 2. A method of collimating a lens can be used as a method of creating parallel rays. However, the lens collimation method requires a large volume of space, and the optical system requires a sturdy housing that does not cause misalignment, which further increases the shape of the spectrometer.

そこで、更に望ましい方法として、ある角度以外の光を遮光してしまう方法がある。この方法は、図6に示すように、直径がリニアセンサ1の画素ピッチと同じ30μmで、深さが直径よりも大である350μmで、内部の側面が光が反射しないような材料で構成された孔31を用いる方法である。この方法によれば、孔31を通る光は5度程度に制限されるので、容易に平行光を作ることができる。そこで、本実施の形態では、光線平行化装置3として、図7の外観斜視図に示すように、近赤外光を吸収する350μm厚のシート32(例えば黒色塗料が入ったプラスチックなどの有機材料)に直径30μmの孔31を金型などで多数開けたものを使用する。   Therefore, as a more desirable method, there is a method of shielding light other than a certain angle. As shown in FIG. 6, this method has a diameter of 30 μm which is the same as the pixel pitch of the linear sensor 1 and a depth of 350 μm which is larger than the diameter, and the inner side surface is made of a material which does not reflect light. This is a method using the perforated holes 31. According to this method, since the light passing through the hole 31 is limited to about 5 degrees, parallel light can be easily produced. Therefore, in the present embodiment, as the beam collimating device 3, as shown in the external perspective view of FIG. 7, a sheet 32 having a thickness of 350 μm that absorbs near infrared light (for example, an organic material such as plastic containing black paint) ) Having a large number of holes 31 having a diameter of 30 μm formed by a mold or the like.

なお、図6及び図7に示す光線平行化装置3は、孔31の軸方向に対して垂直な方向の横断面が円形であるものとしているが、形状はこれに限定されるものではなく、四角形や多角形その他の任意の形状であってもよい。ただし、光線平行化装置3の孔は、軸方向に対して垂直方向の横断面の最大長(円形の場合は直径、四角形の場合は対角線、他の形状の場合は断面を横切る長さが最も長くなるところの長さ)よりも、軸方向の長さ(つまり、深さ)が大であり、また、その内部の側面が無反射状態となっている必要がある。   6 and 7, the beam collimating device 3 has a circular cross section in a direction perpendicular to the axial direction of the hole 31, but the shape is not limited to this. It may be a quadrangle, a polygon or any other shape. However, the hole of the beam collimating device 3 has the maximum length of the cross section perpendicular to the axial direction (diameter in the case of a circle, diagonal line in the case of a quadrangle, and length that crosses the cross section in the case of other shapes). The length in the axial direction (that is, the depth) is larger than the length (the length at which the length is increased), and the inner side surface must be in a non-reflective state.

このほかの光線平行化方法としては、光ファイバを多数束にしてシート状に加工し、光を通過させる方法がある。光ファイバはある角度以下の光を全反射させ伝搬するので、ここでは全反射の角度が6度以下のファイバを使えば、光ファイバの性質によりある角度の光のみを取り出すことができる。光ファイバ・シートの厚さは数mmもあればよい。   As another beam collimation method, there is a method in which a large number of optical fibers are bundled and processed into a sheet shape to allow light to pass therethrough. Since the optical fiber propagates by totally reflecting light at a certain angle or less, here, if a fiber having a total reflection angle of 6 degrees or less is used, only light at a certain angle can be extracted due to the properties of the optical fiber. The thickness of the optical fiber sheet may be several mm.

次に、リニアセンサ1について詳細に説明する。リニアセンサ1については、前述のように熱型のものや量子型のものがあるが、ここではシリコン基板を使ったショットキー・バリア・ダイオードを使った例を図8に示す。   Next, the linear sensor 1 will be described in detail. As described above, the linear sensor 1 includes a thermal type and a quantum type. Here, an example in which a Schottky barrier diode using a silicon substrate is used is shown in FIG.

図8において、チップ33は縦1mm、横4mmの小型のチップである。このチップ33の中に赤外線を検出するリニアセンサ1と、読み出し回路34と、A/D変換回路35と、制御回路36と、電源回路37と、入出力(I/O)回路38と、パッド39とが設けられている。   In FIG. 8, a chip 33 is a small chip having a length of 1 mm and a width of 4 mm. In this chip 33, a linear sensor 1 for detecting infrared rays, a readout circuit 34, an A / D conversion circuit 35, a control circuit 36, a power supply circuit 37, an input / output (I / O) circuit 38, and a pad 39 is provided.

リニアセンサ1は、赤外線に感度のある複数の画素が、直線状に例えば30μmピッチで100個並んだ構成である。リニアセンサ1の各画素の縦方向の長さは100μmとする。各画素に読み出し回路34が繋がっており、読み出し回路34が各画素の信号を順に読み出して、A/D変換回路35に供給しデジタル信号に変換させる。制御回路36は読み出し回路34とA/D変換回路35の動作を制御する。電源回路37は外部から供給された電源電圧を適切な電圧に変換して、読み出し回路34、A/D変換回路35、制御回路36にそれぞれ供給する。I/O回路38はチップ33の外部との信号のやり取りを行い、A/D変換回路35、制御回路36、電源回路37と通信する。パッド39は外部との配線を取り持つ領域である。   The linear sensor 1 has a configuration in which a plurality of pixels sensitive to infrared rays are arranged in a straight line, for example, at a pitch of 30 μm. The vertical length of each pixel of the linear sensor 1 is 100 μm. A readout circuit 34 is connected to each pixel, and the readout circuit 34 sequentially reads out the signal of each pixel and supplies it to the A / D conversion circuit 35 to convert it into a digital signal. The control circuit 36 controls operations of the reading circuit 34 and the A / D conversion circuit 35. The power supply circuit 37 converts the power supply voltage supplied from the outside into an appropriate voltage and supplies it to the read circuit 34, the A / D conversion circuit 35, and the control circuit 36, respectively. The I / O circuit 38 exchanges signals with the outside of the chip 33 and communicates with the A / D conversion circuit 35, the control circuit 36, and the power supply circuit 37. The pad 39 is an area having wiring with the outside.

次に、リニアセンサ1の1つの画素とその信号の読み出し方について詳しく説明する。図9は、リニアセンサ1の1画素と読み出し回路の一例の構造断面図及び回路図を示す。同図において、P型のシリコン基板40には、コンタクト用P+拡散層41、金属薄膜42、N型拡散層43、N+拡散層46及び47がそれぞれ形成されている。また、シリコン基板40の上方には転送ゲート電極44、リセット・ゲート電極45が形成されている。 Next, one pixel of the linear sensor 1 and how to read the signal will be described in detail. FIG. 9 shows a structural cross-sectional view and a circuit diagram of an example of one pixel of the linear sensor 1 and a readout circuit. In the figure, a P-type silicon substrate 40 is provided with a contact P + diffusion layer 41, a metal thin film 42, an N-type diffusion layer 43, and N + diffusion layers 46 and 47, respectively. A transfer gate electrode 44 and a reset gate electrode 45 are formed above the silicon substrate 40.

コンタクト用P+拡散層41は、グランド電源に配線されている。金属薄膜42はショットキー・バリア・ダイオードを形成するための金属薄膜で、例えばモリブデン(Mo)である。Moはシリコン基板40と電気的に良好に接続するために、少なくともシリコン基板40との界面部分は500℃程度の熱処理によりシリサイド化されている。N型拡散層43はショットキー・バリア・ダイオードが周辺部で低電圧でブレークダウンすることを防ぐためのガードリングである。転送ゲート電極44はショットキー・バリア・ダイオードに蓄積した電子(電荷)をN+拡散層46に転送する。N+拡散層47は電源Vddに接続されている。リセット・ゲート電極45はN+拡散層46をVddにリセットするための電極である。 The contact P + diffusion layer 41 is wired to a ground power supply. The metal thin film 42 is a metal thin film for forming a Schottky barrier diode, and is, for example, molybdenum (Mo). In order to electrically connect Mo with the silicon substrate 40 in an excellent manner, at least the interface portion with the silicon substrate 40 is silicided by heat treatment at about 500 ° C. The N-type diffusion layer 43 is a guard ring for preventing the Schottky barrier diode from breaking down at a low voltage in the peripheral portion. The transfer gate electrode 44 transfers electrons (charges) accumulated in the Schottky barrier diode to the N + diffusion layer 46. The N + diffusion layer 47 is connected to the power supply Vdd. The reset gate electrode 45 is an electrode for resetting the N + diffusion layer 46 to Vdd.

NチャネルMOS型電界効果トランジスタ(FET)48は、ゲートがN+拡散層46に接続され、ドレインがVddに接続され、ソースが出力になっているソースフォロア・アンプである。被検出光49はシリコン基板40の裏面から入る。このシリコン基板40の裏面には光が入射時に反射しないようにするために、多層膜からなる無反射コーティング50が形成されている。ここまでが画素の構造である。 The N-channel MOS field effect transistor (FET) 48 is a source follower amplifier having a gate connected to the N + diffusion layer 46, a drain connected to Vdd, and a source serving as an output. The detected light 49 enters from the back surface of the silicon substrate 40. A non-reflective coating 50 made of a multilayer film is formed on the back surface of the silicon substrate 40 so that light is not reflected when incident. This is the pixel structure.

画素の出力はスイッチング用MOS型FET(以下、MOSスイッチという)51、53を通してメモリとして作用するキャパシタ52、54に保持される。差動アンプ55は、キャパシタ52、54により保持された画素の読み出し信号の差分信号を増幅する。スイッチング用MOS型FET(MOSスイッチ)56は、オンになったタイミングで差動アンプ55からの画素の差分信号を外部へ出力する。   The output of the pixel is held in capacitors 52 and 54 that function as memories through switching MOS FETs (hereinafter referred to as MOS switches) 51 and 53. The differential amplifier 55 amplifies the differential signal of the pixel readout signal held by the capacitors 52 and 54. The switching MOS FET (MOS switch) 56 outputs the pixel difference signal from the differential amplifier 55 to the outside at the timing when it is turned on.

次に、この画素の動作について、図10のタイミングチャートを参照して説明する。所定時間、入射光が入り既に金属薄膜42を有するショットキー・バリア・ダイオードに電子(電荷)が蓄積されているものとする。まず、リセット・ゲート電極45が、図10(A)にハイレベルで示す所定時間オン状態になり、N+拡散層46がVddとなる。次に、MOSスイッチ51が図10(C)にハイレベルで示す所定時間オンになり、N+拡散層46の電位をソースフォロア・アンプ48、MOSスイッチ51を通してオフセット信号としてメモリ作用をするキャパシタ52に記録する。 Next, the operation of this pixel will be described with reference to the timing chart of FIG. Assume that electrons (charges) are accumulated in a Schottky barrier diode that has already entered the incident light and has the metal thin film 42 for a predetermined time. First, the reset gate electrode 45 is turned on for a predetermined time indicated by a high level in FIG. 10A, and the N + diffusion layer 46 becomes Vdd. Next, the MOS switch 51 is turned on for a predetermined time indicated by a high level in FIG. 10C, and the potential of the N + diffusion layer 46 is used as the offset signal through the source follower amplifier 48 and the MOS switch 51 to perform a memory function. To record.

次に、転送ゲート電極44が図10(B)にハイレベルで示す所定時間オン状態になり、金属薄膜42を有するショットキー・バリア・ダイオードに蓄積されていた電子(電荷)がN+拡散層46に転送され電位が変化する。次に、MOSスイッチ53が図10(D)にハイレベルで示す所定時間オンになり、N+拡散層46の電位をソースフォロア・アンプ48、MOSスイッチ53を通してメモリ作用をするキャパシタ54に記録する。 Next, the transfer gate electrode 44 is turned on for a predetermined time indicated by a high level in FIG. 10B, and electrons (charges) accumulated in the Schottky barrier diode having the metal thin film 42 are transferred to the N + diffusion layer. 46 and the potential changes. Next, the MOS switch 53 is turned on for a predetermined time indicated by a high level in FIG. 10D, and the potential of the N + diffusion layer 46 is recorded in the capacitor 54 that performs the memory function through the source follower amplifier 48 and the MOS switch 53. .

ここまでの動作はリニアセンサ1の全画素で一斉に行われる。   The operations so far are performed simultaneously for all the pixels of the linear sensor 1.

次に、読み出し回路34は図10(E)にハイレベルで示す所定のタイミングでMOSスイッチ56をオンにして、差動アンプ55から出力されるキャパシタ52とキャパシタ53に記録された各信号の差分信号を真の信号として出力し、A/D変換回路35に引き渡す。このMOSスイッチ56がオンになるタイミングは画素により異なり、順次読み出されることになる。ここでキャパシタ52とキャパシタ54に記録された各信号の差分信号を真の信号として出力するのは、ソースフォロア・アンプとなるNチャネルMOS型FET48のしきい値電圧のばらつきを除去するためである。   Next, the read circuit 34 turns on the MOS switch 56 at a predetermined timing indicated by a high level in FIG. 10E, and the difference between each signal recorded in the capacitor 52 and the capacitor 53 output from the differential amplifier 55. The signal is output as a true signal and delivered to the A / D conversion circuit 35. The timing at which the MOS switch 56 is turned on differs depending on the pixel and is read sequentially. The reason why the difference signal between the signals recorded in the capacitor 52 and the capacitor 54 is output as a true signal is to remove the variation in the threshold voltage of the N-channel MOS FET 48 serving as the source follower amplifier. .

ところで、金属薄膜42を有するショットキー・バリア・ダイオードには通常のPN接合を使ったフォトダイオードに比べて界面におけるダークカレントが多いという問題がある。このダークカレントは画素毎にばらつく性質がある。そこで、ダークカレントの影響を除去するために、光信号が入らない状態で予め画素毎のダークカレント信号をメモリに記録しておき、信号から除去すると、雑音の少ない信号を得ることができる。   Incidentally, the Schottky barrier diode having the metal thin film 42 has a problem that the dark current at the interface is larger than that of a photodiode using a normal PN junction. This dark current has the property of varying from pixel to pixel. Therefore, in order to remove the influence of the dark current, a dark current signal for each pixel is recorded in advance in a memory in a state where no optical signal is input, and a signal with less noise can be obtained by removing it from the signal.

なお、被検出光49がシリコン基板40の裏面から入射し、シリコン基板40の表面で光電変換されるため、可視光はシリコン基板40に吸収され、近赤外光だけが検出される。従って、可視光のみをカットしたい場合は前述のように光学フィルタ4は必要ない。   In addition, since the to-be-detected light 49 enters from the back surface of the silicon substrate 40 and is photoelectrically converted on the surface of the silicon substrate 40, visible light is absorbed by the silicon substrate 40 and only near infrared light is detected. Therefore, if it is desired to cut only visible light, the optical filter 4 is not necessary as described above.

また、ショットキー・バリア・ダイオードに使う金属はMoに限らず、Sc、Er、Y、Ti、Hf、Mn、Zr、C(グラファイト)、Nb、Cr、Co、Ni、Fe、W、Ta、Pd、Al、Rh、Be、Re、Ir、Ptが使用可能である。   The metal used for the Schottky barrier diode is not limited to Mo, Sc, Er, Y, Ti, Hf, Mn, Zr, C (graphite), Nb, Cr, Co, Ni, Fe, W, Ta, Pd, Al, Rh, Be, Re, Ir, and Pt can be used.

さて、このような1個〜4個の部品を重ねて作られる分光器10の分光器本体5は縦、横、高さがそれぞれ数mm程度の大きさにすることが可能で、非常に小さい。また、その際に部品の位置ずれに対する許容度が非常に高い。   Now, the spectroscope body 5 of the spectroscope 10 made by stacking such 1 to 4 parts can be made to have a size of several millimeters in length, width, and height, and is very small. . Further, at that time, the tolerance for misalignment of parts is very high.

例えば、ファブリペロ干渉計2とリニアセンサ1との間で特定の画素が特定の波長を測定するように合わせこむ必要がない。多少ずれても図11に示すような方法で簡単に補正できるからである。ここでは、分光器本体5に対してある波長分布をもつ光源、例えば63で示すように1.5μmでピークを持つことが分かっている特性の光源62を用意する。例えば、LEDはある波長でピークを持ち、波長がそのピークの波長から離れるほど適度に強度が低下する、所謂波長の裾が広がっている波長対強度特性を有するので、上記の光源62として都合がよい。   For example, it is not necessary to adjust a specific pixel to measure a specific wavelength between the Fabry-Perot interferometer 2 and the linear sensor 1. This is because even a slight deviation can be easily corrected by the method shown in FIG. Here, a light source having a certain wavelength distribution with respect to the spectroscope body 5, for example, a light source 62 having a characteristic known to have a peak at 1.5 μm as shown by 63 is prepared. For example, an LED has a peak at a certain wavelength and has a wavelength-to-intensity characteristic in which the intensity decreases moderately as the wavelength moves away from the peak wavelength. Good.

拡散板61は、光源62からの光を光強度のバラツキがないようにして分光器本体5内に入射する。その結果、特定の分光分布が得られるが、そのとき信号強度が最大になる画素の測定波長が1.5μmであると簡単に確認することができる。それが分かると、隣の画素との測定波長の差が10nmであることが分かっているから、全ての画素の測定波長が確定する。この補正結果を例えば制御回路36などに記録しておけば、読み出し回路34を適切に制御して、正しい分光特性を出力することができる。   The diffusing plate 61 makes the light from the light source 62 enter the spectroscope body 5 with no variation in light intensity. As a result, a specific spectral distribution can be obtained, and it can be easily confirmed that the measurement wavelength of the pixel at which the signal intensity is maximum is 1.5 μm. When it is known, since it is known that the difference in measurement wavelength with the adjacent pixel is 10 nm, the measurement wavelengths of all the pixels are determined. If this correction result is recorded in the control circuit 36, for example, the readout circuit 34 can be appropriately controlled to output correct spectral characteristics.

このように、本実施の形態の分光器10は、特許文献1記載の分光器よりも空間的に小さな体積で済み、一体型で、振動にも強く、また、特許文献2記載の可変干渉器を用いた分光器のような大きな電圧を必要とせず、持ち運びができる小型の分光器である。また、本実施の形態の分光器10は光学部品であるにも関わらず、位置ずれに強いため、分光器のコスト低減に大いに貢献するものである。   As described above, the spectroscope 10 according to the present embodiment requires a spatially smaller volume than the spectroscope described in Patent Document 1, is integrated, and is resistant to vibration, and the variable interferometer described in Patent Document 2 It is a small-sized spectroscope that can be carried without requiring a large voltage as in a spectroscope using a laser. In addition, although the spectrometer 10 of the present embodiment is an optical component, it is resistant to misalignment and thus greatly contributes to the cost reduction of the spectrometer.

本発明に係る分光器は小型軽量な赤外線分光器であるため、特に、生体系や医療現場における分光特性の取得に有効で、例えば血糖値センサなどに使用できる。   Since the spectroscope according to the present invention is a small and light infrared spectroscope, it is particularly effective for obtaining spectral characteristics in biological systems and medical sites, and can be used for, for example, a blood glucose level sensor.

1 リニアセンサ
2 ファブリペロ干渉計
3 光線平行化装置
4 光学フィルタ
5 分光器本体
6 光源
7 被測定対象物
10 分光器
20a、20b、24、25 誘電体
21a、21b スペーサ
22a、22b 多層膜
23a、23b 反射面
31 孔
32 シート
33 チップ
34 読み出し回路
35 A/D変換回路
36 制御回路
37 電源回路
38 I/O回路
39 パッド
40 シリコン基板
41 コンタクト用P+拡散層
42 金属薄膜
43 N型拡散層
44 転送ゲート電極
45 リセット・ゲート電極
46、47 N+拡散層
48 NチャネルMOS型電界効果トランジスタ(ソースフォロア・アンプ)
51、53、56 スイッチング用MOS型電界効果トランジスタ
52、54 キャパシタ
55 差動アンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Linear sensor 2 Fabry-Perot interferometer 3 Beam collimating device 4 Optical filter 5 Spectrometer main body 6 Light source 7 Object to be measured 10 Spectroscope 20a, 20b, 24, 25 Dielectric 21a, 21b Spacer 22a, 22b Multilayer film 23a, 23b Reflection surface 31 hole 32 sheet 33 chip 34 readout circuit 35 A / D conversion circuit 36 control circuit 37 power supply circuit 38 I / O circuit 39 pad 40 silicon substrate 41 contact P + diffusion layer 42 metal thin film 43 N-type diffusion layer 44 transfer Gate electrode 45 Reset gate electrode 46, 47 N + diffusion layer 48 N-channel MOS field effect transistor (source follower amplifier)
51, 53, 56 MOS field effect transistor for switching 52, 54 Capacitor 55 Differential amplifier

Claims (7)

所定の波長範囲に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に配列したリニアセンサと、
前記リニアセンサを構成する前記複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有しており、入射光を分光して前記リニアセンサに入射するファブリペロ干渉計と、
前記ファブリペロ干渉計への入射光を平行化する光線平行化手段と、
前記光線平行化手段に測定する波長の被検出光を入射する光源と
を備えることを特徴とする分光器。
A linear sensor in which a plurality of pixels having sensitivity in a predetermined wavelength range are linearly arranged at a predetermined pitch;
A Fabry-Perot interferometer that has a characteristic of changing a resonance wavelength with respect to a direction parallel to an arrangement direction of the plurality of pixels constituting the linear sensor, and that splits incident light and enters the linear sensor;
Beam collimating means for collimating incident light on the Fabry-Perot interferometer;
A spectroscope comprising: a light source that makes the light to be detected incident on the light collimating means.
前記リニアセンサと被測定対象物との間に、前記リニアセンサへの入射光の不要な波長を除去する光学フィルタを更に備えることを特徴とする請求項1記載の分光器。   The spectroscope according to claim 1, further comprising an optical filter that removes an unnecessary wavelength of light incident on the linear sensor between the linear sensor and an object to be measured. 前記ファブリペロ干渉計は、それぞれ一面に形成された反射面が互いに離間対向する平板状の第1及び第2の誘電体の両端が固定されており、かつ、前記第1及び第2の誘電体の互いの間隔が一方の固定端の間隔から他方の固定端の間隔まで直線的に変化するように配置されることにより、共振波長の分布を形成している構成であることを特徴とする請求項1又は2記載の分光器。   In the Fabry-Perot interferometer, both ends of the flat plate-like first and second dielectrics whose reflecting surfaces formed on one surface are opposed to each other are fixed, and the first and second dielectrics The resonance wavelength distribution is formed by arranging the intervals so as to linearly change from one fixed end interval to the other fixed end interval. The spectroscope according to 1 or 2. 前記光線平行化手段は、複数の孔が開けられたシートからなり、前記複数の孔のそれぞれは、軸方向の長さが前記軸方向に対して垂直方向の横断面の最大長よりも大なる長さであり、内部の側面が無反射状態とされていることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか一項記載の分光器。   The beam collimating means comprises a sheet having a plurality of holes, and each of the plurality of holes has an axial length larger than a maximum length of a transverse section perpendicular to the axial direction. The spectroscope according to any one of claims 1 to 3, wherein the spectroscope has a length and an inner side surface is in a non-reflective state. 前記リニアセンサは、前記複数の画素のそれぞれが、基板の表面に金属を接触させた構造のショットキー・バリア・ダイオードで構成されており、前記基板の裏面から前記ファブリペロ干渉計を通して光が入射する構成であることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか一項記載の分光器。   In the linear sensor, each of the plurality of pixels includes a Schottky barrier diode having a structure in which a metal is in contact with the surface of the substrate, and light enters through the Fabry-Perot interferometer from the back surface of the substrate. The spectroscope according to any one of claims 1 to 4, wherein the spectroscope has a configuration. 前記ショットキー・バリア・ダイオードに蓄積した電荷を前記基板と反対導電型の高濃度拡散層に転送する転送手段と、
前記高濃度拡散層に蓄積された電位変化を信号として読み出す読み出し回路手段と
を備えることを特徴とする請求項5記載の分光器。
Transfer means for transferring charges accumulated in the Schottky barrier diode to a high-concentration diffusion layer having a conductivity type opposite to that of the substrate;
The spectroscope according to claim 5, further comprising: readout circuit means for reading out a potential change accumulated in the high concentration diffusion layer as a signal.
前記光源はピーク波長が予め既知である光を出射する光源であり、
その光源からの光を拡散して前記光線平行化手段に入射する拡散板と、
前記複数の画素のうち読み出し信号が最大の強度を示した画素を前記ピーク波長を測定している画素と特定し、その特定した画素と隣接する画素との既知の測定波長の差とに基づいて、前記複数の画素のすべてについてその測定波長を特定する特定手段と
を更に備えることを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか一項記載の分光器。
The light source is a light source that emits light whose peak wavelength is known in advance,
A diffusion plate that diffuses light from the light source and enters the light collimating means;
Among the plurality of pixels, the pixel having the maximum intensity of the readout signal is identified as the pixel measuring the peak wavelength, and based on the difference in the known measurement wavelength between the identified pixel and the adjacent pixel The spectroscope according to any one of claims 1 to 6, further comprising specifying means for specifying the measurement wavelength for all of the plurality of pixels.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015036669A (en) * 2013-08-15 2015-02-23 株式会社リコー Spectroscopic characteristic acquisition device, image evaluation device, and image forming apparatus
JP2017215315A (en) * 2016-04-25 2017-12-07 コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ Device for detecting electromagnetic radiation having encapsulating structure including at least one interference filter
JP2020521972A (en) * 2017-05-26 2020-07-27 カリフォルニア インスティチュート オブ テクノロジー Spectral filter with controllable spectral bandwidth and resolution
WO2022187785A1 (en) * 2021-03-02 2022-09-09 Wisconsin Alumni Research Foundation Compact hyperspectral spectrometers based on semiconductor nanomembranes

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015036669A (en) * 2013-08-15 2015-02-23 株式会社リコー Spectroscopic characteristic acquisition device, image evaluation device, and image forming apparatus
JP2017215315A (en) * 2016-04-25 2017-12-07 コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ Device for detecting electromagnetic radiation having encapsulating structure including at least one interference filter
JP7030422B2 (en) 2016-04-25 2022-03-07 コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ A device for detecting electromagnetic radiation having an enclosed structure including at least one interference filter.
JP2020521972A (en) * 2017-05-26 2020-07-27 カリフォルニア インスティチュート オブ テクノロジー Spectral filter with controllable spectral bandwidth and resolution
WO2022187785A1 (en) * 2021-03-02 2022-09-09 Wisconsin Alumni Research Foundation Compact hyperspectral spectrometers based on semiconductor nanomembranes
US11894399B2 (en) 2021-03-02 2024-02-06 Wisconsin Alumni Research Foundation Compact hyperspectral spectrometers based on semiconductor nanomembranes

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