JP2017026547A - 受発光装置及び濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学フィルタに入射角の大きい光が入射し、センサ部に届くことによる受発光装置の感度の低下を防止する。【解決手段】第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２を通過した光の、第一基板１、第二基板２の第二主面１ｂ、２ｂへの入射角が０°以上７５°以下となるように第一入射角制限部４１、第二入射角制限部４２を設けることで制限することにより、７５°以上の入射角の光、すなわち、外乱となり得る角度の光が第一基板１、第二基板２を通じて第一センサ部２１、第二センサ部２２に入射されることを回避することができる。その結果、入射角が大きいことにより生じる外乱に起因する、受発光装置の感度の低下を防止することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、受発光装置及び濃度測定装置に関する。

発光素子は、多くの用途に用いられており、例えば、発光素子と受光素子とを組み合わせ、発光素子と受光素子とが配置された空間内の物体を検知するガスセンサ等にも用いられている。
例えば特許文献１に記載の赤外線ガス分析計では、光源から出射された赤外光を、光源と向かい合うように配置された凹面反射鏡で反射し、受光器に入射する。そして、光源及び受光器と凹面反射鏡との間の空間に被検出ガスを流入させることで、ガスによる赤外光の吸収の度合いを受光器で測定している。このとき受光器の前面には光学フィルタが設けられ、ガスによる吸収帯域の赤外光のみを通過させるようにしている。

特開平０９−１８４８０３号公報

ところで、特許文献１に記載されているような、光源及び受光器と凹面反射鏡との間の空間に被検出ガスを流入させるようにした赤外線ガス分析計にあっては、受光器が特定の波長帯の赤外光のみを受光するための光学フィルタが必要となる。
ここで、一般的な光学フィルタの特性上、入射する光の入射角に依存して光学フィルタが透過する波長の帯域は変化する。つまり、特定の波長の光のみを透過させるために設けた光学フィルタであっても、入射角の大きい光が入射した場合には、所望の波長以外の帯域の光が光学フィルタを透過し、受光器に届いてしまう。この光はガス濃度を測定する上での外乱として作用し、ガス分析の感度を低下させる原因となる。

そこでこの発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、光学フィルタに入射角の大きい光が入射し、受光器に届くことによる受発光装置及び濃度測定装置の感度の低下を防止する。

本発明の一態様による受発光装置は、第一主面に第一発光部と第一センサ部とを有し、前記第一発光部で発光された光の一部が前記第一主面とは逆側の第二主面から出射されると共に他の一部が前記第二主面で反射される第一基板と、第一主面に第二発光部と第二センサ部とを有し、前記第二発光部で発光された光の一部が前記第一主面とは逆側の第二主面から出射されると共に他の一部が前記第二主面で反射される第二基板と、前記第一基板の前記第二主面側に設けられ、前記第一センサ部の感度が最大となる波長を透過域に含む第一光学フィルタと、前記第二基板の前記第二主面側に設けられ、前記第二センサ部の感度が最大となる波長を透過域に含む第二光学フィルタと、前記第一基板及び前記第二基板それぞれの前記第二主面側の、当該第二主面それぞれから離して配置された凹曲面形状の反射面を有する光反射部と、を備え、前記第一発光部、前記第一センサ部、前記第二発光部、及び前記第二センサ部は、前記第一発光部で発光した光のうち、前記第一基板の前記第二主面で反射された光が前記第一センサ部に入射されると共に前記第一基板の前記第二主面から出射され前記光反射部で反射された光が前記第二光学フィルタを通じて前記第二センサ部に入射され、前記第二発光部で発光した光のうち、前記第二基板の前記第二主面で反射された光が前記第二センサ部に入射されると共に前記第二基板の前記第二主面から出射され前記光反射部で反射された光が前記第一光学フィルタを通じて前記第一センサ部に入射されるように配置され、前記第一発光部で発光され、前記第一基板を通じて出射されて前記光反射部で反射された光が前記第二光学フィルタ及び前記第二基板を通じて前記第二センサ部に入射される入射角と、前記第二発光部で発光され、前記第二基板を通じて出射されて前記光反射部で反射された光が前記第一光学フィルタ及び前記第一基板を通じて前記第一センサ部に入射される入射角とのうちのいずれか一方が、０°以上７５°以下となることを特徴としている。

また、本発明の他の態様による濃度測定装置は、上記態様の受発光装置と、前記受発光装置の前記第一センサ部及び前記第二センサ部の出力信号が入力され、前記受発光装置の前記第一発光部から前記第二センサ部までの光路及び前記第二発光部から前記第一センサ部までの光路のうちの少なくともいずれか一方の光路の周囲に存在する物質の濃度を演算する濃度演算部と、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、光学フィルタに入射角の大きい光が入射し、センサ部に届くことによる感度の低下を防止し、より高感度な受発光装置及び濃度測定装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。 本発明の第２実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。 本発明の第３実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という）について説明する。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

＜第１の態様＞
［受発光装置］
第１の態様に係る受発光装置は、第一主面に第一発光部と第一センサ部とを有し、第一発光部で発光された光の一部が第一主面とは逆側の第二主面から出射されると共に他の一部が第二主面で反射される第一基板と、第一主面に第二発光部と第二センサ部とを有し、第二発光部で発光された光の一部が第一主面とは逆側の第二主面から出射されると共に他の一部が第二主面で反射される第二基板と、第一基板の第二主面側に設けられ、第一センサ部の感度が最大となる波長を透過域に含む第一光学フィルタと、第二基板の前記第二主面側に設けられ、第二センサ部の感度が最大となる波長を透過域に含む第二光学フィルタと、第一基板及び第二基板それぞれの第二主面側の、第二主面それぞれから離して配置された凹曲面形状の反射面を有する光反射部と、を備え、第一発光部、第一センサ部、第二発光部、及び第二センサ部は、第一発光部で発光した光のうち、第一基板の第二主面で反射された光が第一センサ部に入射されると共に第一基板の第二主面から出射され光反射部で反射された光が第二光学フィルタを通じて第二センサ部に入射され、第二発光部で発光した光のうち、第二基板の前記第二主面で反射された光が第二センサ部に入射されると共に第二基板の第二主面から出射され光反射部で反射された光が第一光学フィルタを通じて第一センサ部に入射されるように配置され、第一発光部で発光され、第一基板を通じて出射されて光反射部で反射された光が第二光学フィルタ及び第二基板を通じて第二センサ部に入射される入射角と、第二発光部で発光され、第二基板を通じて出射されて光反射部で反射された光が第一光学フィルタ及び第一基板を通じて第一センサ部に入射される入射角とのうちの少なくともいずれか一方が、０°以上７５°以下となる。そのため、より高感度な受発光装置及び濃度測定装置を提供することができる。

そして、第一基板及び第二基板の第二主面側と光反射部との間の空間に被検出ガスを導入することにより、被検出ガスの影響を受けた光が第一センサ部、第二センサ部に入射され、この被検出ガスの影響を受けた光を第一センサ部、第二センサ部で検出することによって、被検出ガスの濃度を検出することができる。
ここで本発明における感度とは、第一発光部、第二発光部、第一センサ部、及び第二センサ部と、光反射部との間の空間に存在する被検出ガスの濃度変化に対する、第一センサ部、第二センサ部から得られる信号の変化率のことである。また、光の入射角とは、光が第一光学フィルタ、第二光学フィルタ、または第一センサ部、第二センサ部に入射する際に、光の入射方向と第一光学フィルタ、又は第二光学フィルタ、又は第一センサ部、又は第二センサ部の光が入射する面の法線とがなす角度のことである。

［第一基板］
第１の態様に係る受発光装置において、第一基板は、第一主面上に第一発光部と第一センサ部とが形成されている。
第一基板の材料は特に制限されない。第一基板として、例えばシリコンＳｉ、ガリウム砒素ＧａＡｓ、サファイア、リン化インジウムＩｎＰ、インジウム砒素ＩｎＡｓ、ゲルマニウムＧｅ等が挙げられるがこの限りではなく、使用する波長帯に応じて選択すればよい。
第一基板として、半絶縁性基板を使用することができ、大口径化が可能である観点から、一実施形態として、ＧａＡｓ基板を第一基板として用いてもよい。また測定感度向上の観点から、第一基板の材料として、第一発光部、第二発光部から出力される光の透過性が高いものを用いてもよい。また、第一発光部、第二発光部の出力変動を高精度に補償する観点から、一実施形態として、第一基板、第二基板の材料は、それぞれ第二主面において第一発光部又は第二発光部から発光された光の一部を反射する材料を用いてもよい。

［第一発光部］
第１の態様に係る受発光装置において、第一発光部は第一基板の第一主面上に形成される。
第一発光部は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。第一発光部の具体的な形態は、第一基板の第一主面上に形成できるものであれば何でも良い。第一発光部の具体的な形態としては、ＭＥＭＳやＬＥＤが挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、一実施形態として、第一発光部として、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものを適用することができる。具体的には、発光波長帯をアクティブ層のバンドギャップでコントロールすることができるという観点から、ＬＥＤ構造は望ましい場合がある。

［第一センサ部］
第１の態様に係る受発光装置において、第一センサ部は、第一基板の第一主面上に形成され、第一発光部から出力される光のうち、第一基板の第二主面で反射した光が入射される位置に配置される。信号処理の応答速度の観点から、第一センサ部の積層構造としては、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のダイオード構造を適用することができ、インジウム又はアンチモンの何れかの材料を含んでも良い。さらに被検出ガスの吸収波長に応じてＧａ、Ａｌ、Ａｓからなる群より選択される少なくとも１つの材料をさらに含む混晶系の材料を含んでも良い。また、一実施形態として、温度特性を同一にする観点から、第一センサ部の受光素子の材料及び積層構造は、第一発光部の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。

測定感度向上の観点から、一実施形態では、第二基板の第二主面から出射された光が第一センサ部に入射されるまでの光路中に、特定の波長帯のみを透過する第一光学フィルタを備えている。第二発光部から出力される光が広範な波長帯の光である場合、特に上述のような光学フィルタを有することが好ましい。
第一センサ部及び第二センサ部を回路（増幅器）に接続した場合のＳ／Ｎ比の観点から、多数の受光素子を設けることによって、センサ部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。そのため、第一センサ部は、受光素子を複数直列接続した形態とすることにより高いＳ／Ｎ比を実現することができる。

［第二基板］
第１の態様に係る受発光装置において、第二基板は、第一主面上に第二発光部と第二センサ部とが形成されている。第二主面側から入射した光は、第二基板内部を通じて第二センサ部に入射される。
第二基板の材料は特に制限されない。第二基板として、例えばＳｉ基板、ＧａＡｓ基板、サファイア基板等が挙げられるがこの限りではない。測定感度向上の観点から、第二基板の材料は、第二主面側から入射した光に対する透過性が高いものであることが好ましい。
小型化の観点から、第二基板は、第一基板と互いに側面を対向させて間隔を空けて配置され、第一基板と第二基板との間に光遮断部が配置されることが好ましい。第一基板と第二基板とはこれら間に光遮断部を有することにより、第一発光部から出力された光がガスセル内の空間を通過せずに第二センサ部に入射されること、つまり、第一発光部、第一基板、モールド樹脂等の封止部、第二基板、第二センサ部の経路で光が伝達されることを防ぐことができ、検出感度（ガス濃度変化による信号の変化）を向上することができる。

［第二発光部］
第１の態様に係る受発光装置において、第二センサ部は、第二基板の第一主面上に形成され、第二発光部から出力された光のうち、第二基板の第二主面で反射した光が入射する位置に配置される。
第二発光部は、第二基板の第一主面上に形成できる形態のものであれば適用することができる。第二発光部の形態として、具体的な例としては、ＭＥＭＳやＬＥＤが挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、第二発光部として、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものを適用することができる。具体的には、第二発光部としては、発光波長帯をアクティブ層のバンドギャップでコントロールすることができるということから、ＬＥＤ構造が適している場合がある。

［第二センサ部］
第１の態様に係る受発光装置において、第二センサ部は、第二基板上に配置されるものであれば特に制限されない。前述のとおり、第二センサ部と第一センサ部との温度特性を同等のものにする観点から、第二センサ部と第一センサ部とは、その製造工程において同一基板上に形成されたものを適用することができ、さらに同じ積層構造を有するセンサ部を適用することができる。信号処理の応答速度の観点から、第二センサ部の積層構造としては、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のダイオード構造を適用することができ、特に、インジウム又はアンチモンの何れかの材料を含むダイオード構造は好適である。
測定感度向上の観点から、第一基板の第二主面から出射された光が第二センサ部に入射されるまでの光路中に、特定の波長帯のみを透過する第二光学フィルタを備えていることが好ましい。第一発光部から出力される光が広範な波長帯の光である場合、特に上述のような光学フィルタを有することが好ましい。

［第一基板及び第二基板の配置位置］
第１の態様に係る受発光装置において、第一基板及び第二基板は、第一発光部から出力された光のうち第一基板の第二主面から出射した光が光反射部で反射し、第二基板を通じて第二センサ部に入射するように配置され、且つ、第二発光部から出力された光のうち第二基板の第二主面から出射した光が光反射部で反射し、第一基板の第一センサ部に入射するように配置される。

［第一センサ部、第二センサ部、第一発光部、及び第二発光部の積層構造］
第１の態様に係る受発光装置において、第一センサ部、第二センサ部、第一発光部及び第二発光部は、同一組成の化合物半導体積層部を有してもよい。これにより、本発明の効果を最も発揮できる。同一組成の化合物半導体積層部は、同一基板上に同一成膜工程で膜を積層することで実現することができる。
つまり、第一センサ部、第二センサ部、第一発光部、第二発光部は同一のウエハー上に形成すると好ましい場合がある。さらに、ウエハー面内で隣り合って形成されたチップのペアを、一つの受発光装置に組み込むことが好ましい場合がある。これにより、組み立て後の受発光装置において、成膜工程で生じたウエハー面内の組成バラつきを緩和でき、第一センサ部の温度特性と第二センサ部の温度特性とを等しくすることができ、また、第一発光部の発光特性と第二発光部の発光特性とを等しくすることができるので、高精度の温度補償を実現することができる。

［第一センサ部、第二センサ部の構造］
第１の態様に係る受発光装置において、第一センサ部及び第二センサ部は同一構造であってよい。これにより、第一センサ部と第二センサ部との間の感度特性及び感度の温度特性のバラつきが抑制され、本発明の効果をより発揮することができる。

［第一発光部、第二発光部の構造］
第１の態様に係る受発光装置において、第一発光部及び第二発光部は同一構造であってよい。これにより、第一発光部と第二発光部との間の発光特性及び発光の温度特性のバラつきが抑制され、本発明の効果をより発揮することができる。

［第一光学フィルタ、第二光学フィルタ］
第１の態様に係る受発光装置において第一光学フィルタ及び第二光学フィルタは、第一センサ部及び第二センサ部の感度が最大となる波長を透過域に含み、被検知ガスに応じた透過特性を備えている。被検知ガスが二酸化炭素である場合、波長４μｍ以上５μｍ以下の波長帯域の光に対してのみ高い透過特性を持っていることが好ましい。
第一光学フィルタ、第二光学フィルタの具体的な例としては、透明な基板上に、屈折率の異なる材料（例えば、Ｇｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＳｉＯ_２、等）を交互に積層した干渉構造が利用できる。波長によって、入射光が干渉現象によって、強めあったり、弱めあったりし、特定の光のみ強く反射させることができる。これらの積層構造は光学フィルタの基板の両面に形成しても良いし、片面でも良い。この基板の具体的な例としてはＧａＡｓやＳｉやサファイアが挙げられる。干渉フィルタの具体的な例としては、透過率の高いＳｉ基板の両面に、Ｇｅ及びＺｎＳの薄膜を交互に、数周期〜数十周期を積層した干渉フィルタが挙げられる。このような構造を利用することによって、一部の波長のみ強く（例えば８０％以上）の反射率が実現でき、その他の波長を透過するような構造を実現することができる。

［光反射部］
第１の態様に係る受発光装置において、光反射部は、第一基板及び第二基板の第二主面側に、これら第一基板及び第二基板それぞれから離れた位置に配置され、凹曲面形状の反射面を有する。この光反射部は、第一基板の第二主面から出射した光を反射し、この反射した光を第二センサ部に入射させるものである。また、この光反射部は、第二基板の第二主面から出射した光を反射し、この反射した光を第一センサ部に入射させるものである。第一発光部から出力される光を第二センサ部に効率的に入射させ、第二発光部から出力される光を第一センサ部に効率的に入射させるために、光反射部は、集光型光反射部であることが好ましい。

［支持部］
第１の態様に係る受発光装置において、光反射部を支持する支持部は、光学フィルタの透過域の波長帯の光に対する反射率が、光反射部の光学フィルタの透過域の波長帯の光に対する反射率の５０％以下であってよい。これにより、光反射部以外での光の反射を抑制することができ、本発明の効果をより発揮することができる。

＜第２の態様＞
［受発光装置］
次に、第２の態様に係る受発光装置について説明する。
第２の態様に係る受発光装置の各構成部の説明及び好ましい形態は、上述の第１の態様や、後述の具体的な実施形態等にそれぞれ独立又は組み合わせて適用される。
第２の態様に係る受発光装置は、第１の態様で説明した受発光装置の構成に加えて、第一基板及び第二基板の少なくとも一方において、第一センサ部、第二センサ部に入射する光の入射角を制限する第一入射角制限部及び第二入射角制限部をさらに備える。第一入射角制限部、第二入射角制限部により、光反射部で反射し、第一光学フィルタ、第二光学フィルタを透過して、第一センサ部、第二センサ部へ届く光の入射角が制限される。

第一入射角制限部、第二入射角制限部は光吸収特性及び光透過特性を有し、光反射特性は持たない。そして、第一入射角制限部及び第二入射角制限部は、第一基板の第二主面を含む面、第二基板の第二主面を含む面それぞれの面上に、第一光学フィルタ、第二光学フィルタの外周を包囲するように壁状に設けられる。
そして、第一入射角制限部と第一光学フィルタとは、縦断面において、第一入射角制限部の内周面と第一光学フィルタの第一基板側の面との２つの交点のうち、一方の交点側において、第一入射角制限部の内周面と第一基板の第二主面を含む面とが接する位置と他方の交点とを結ぶ線分と、第一入射角制限部の内周面とがなす角度が０°以上７５°以下となる位置に配置される。

第２の態様に係る受発光装置において、上記のように第一入射角制限部を配置することで、第一光学フィルタに入射角が７５°より大きい光が入射され透過したとしても、第一光学フィルタを透過した光は第一入射角制限部によって第一センサ部に入射されることが抑制される。これにより所望の帯域以外の光が第一光学フィルタを通じて第一センサ部に入射されることが抑制され、受発光装置の感度を高めることが可能となる。
同様に、第二入射角制限部と第二光学フィルタとは、縦断面において、第二入射角制限部の内周面と第二光学フィルタの第二基板側の面との２つの交点のうち、一方の交点側において第二入射角制限部の内周面と第二基板の第二主面を含む面とが接する位置と他方の交点とを結ぶ線分と、第二入射角制限部の内周面とがなす角度が０°以上７５°以下となる位置に配置される。

第２の態様に係る受発光装置において、上記のように第二入射角制限部を配置することで、第二光学フィルタに入射角が７５°より大きい光が入射され透過したとしても、第二光学フィルタを透過した光は第一入射角制限部によって第二センサ部に入射されることが抑制される。これにより所望の帯域以外の光が第二光学フィルタを通じて第二センサ部に入射されることが抑制され、受発光装置の感度を高めることが可能となる。

＜第３の態様＞
［受発光装置］
次に、第３の態様に係る受発光装置について説明する。
第３の態様に係る受発光装置の各構成部の説明及び好ましい形態は、上述の第１の態様や、後述の具体的な実施形態等にそれぞれ独立又は組み合わせて適用される。
第３の態様に係る受発光装置は、第１の態様で説明した受発光装置の構成において、第一光学フィルタ及び第二光学フィルタの光反射部側の面に垂直な方向を第一軸とし、光反射部の凹曲面の縁部が、第一軸に沿って第一光学フィルタ及び第二光学フィルタから離れた位置に配置され、第一軸方向から見て、第一光学フィルタ及び第二光学フィルタのそれぞれの外周上の点から光反射部の凹曲面の縁部上の点まで引いた全ての線分のうち、最長となる線分の長さをＸとし、第一光学フィルタ及び第二光学フィルタそれぞれと光反射部の凹曲面の縁部との間の第一軸方向の距離が最小となる位置での距離をＹとし、光反射部は、距離Ｘ及び距離Ｙが、ｔａｎ（１５°）≦Ｙ／Ｘの関係を満足する位置に配置される。

ここで、Ｙ／Ｘの下限値であるｔａｎ（１５°）は、上述のように第一光学フィルタ及び第二光学フィルタへの入射角が７５°以下となることが好ましいことから導かれる値である。
第３の態様に係る受発光装置において、上記のように第1光学フィルタ、第二光学フィルタ及び反射部を配置することで、第一光学フィルタ及び第二光学フィルタに入射角が７５°より大きい光が入射されることが抑制される。これにより所望の帯域以外の光が第一光学フィルタ及び第二光学フィルタを通じて第一センサ部及び第二センサ部に入射されることが抑制され、受発光装置の感度を高めることが可能となる。

＜第４の態様＞
［濃度測定装置］
次に、本実施形態に係る濃度測定装置について説明する。
濃度測定装置は、第１、第２及び第３の態様に係る受発光装置と、受発光装置の第一センサ部及び第二センサ部の出力信号が入力され、受発光装置の第一発光部から第二センサ部までの光路及び第二発光部から第一センサ部までの光路のうちの少なくともいずれか一方の光路の周囲に存在する物質の濃度を演算する濃度演算部と、を備える。

＜実施形態＞
次に、図面を参照して本実施形態の具体例について説明する。
なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る受発光装置１０１の一例を示す構成図である。
図１に示すように、この受発光装置１０１は、第一発光部１１と第一センサ部２１とを第一主面１ａ上に有する第一基板１と、第二発光部１２と第二センサ部２２とを第一主面２ａ上に有する第二基板２とを備える。第一基板１と第二基板２とは互いに同一の構造を有する。

第一発光部１１から出力された光の一部は、第一基板１中の光路を経て第一基板１の第一主面１ａとは逆側の第二主面１ｂで反射されて、第一センサ部２１に入射される。また、第一発光部１１から出力された光の一部は、第一基板１の第二主面１ｂから出射されて反射鏡（光反射部）５０によって反射され、第二基板２の、第一主面２ａとは逆側の第二主面２ｂに入射され、第二基板２を通じて第二センサ部２２に入射される。
一方、第二発光部１２から出力された光の一部は、第二基板２中の光路を経て、第二基板２の第二主面２ｂで反射されて第二センサ部２２に入射される。また、第二発光部１２から出力された光の一部は、第二基板２の第二主面２ｂから出射されて反射鏡５０によって反射され、第一基板１の第二主面１ｂに入射され、第一基板１と通じて第一センサ部２１に入射される。

反射鏡５０は凹曲面形状の反射面を有し、反射鏡５０は支持部６０に固定される。
また、受発光装置１０１は第一基板１の第二主面１ｂ側の、第二主面１ｂから離れた位置に第一光学フィルタ３１を備える。第一光学フィルタ３１の外周には、第一センサ部２１に入射される光の入射角を制限する第一入射角制限部４１が設けられる。
第一入射角制限部４１は、第一基板１の第二主面１ｂを含む面上に、第一光学フィルタ３１の外周を包囲する壁状に配置され、第一入射角制限部４１の上端部と第一光学フィルタ３１の上面とが同一面に含まれるように配置されて、第一光学フィルタ３１を第二主面１ｂの上方に維持している。
また、受発光装置１０１は第二基板２の第二主面２ｂ側の、第二主面２ｂから離れた位置に第二光学フィルタ３２を備える。第二光学フィルタ３２の外周には、第二センサ部２２に入射される光の入射角を制限する第二入射角制限部４２が設けられる。

第二入射角制限部４２は、第二基板２の第二主面２ｂを含む面上に、第二光学フィルタ３２の外周を包囲する壁状に配置され、第二入射角制限部４２の上端部と第二光学フィルタ３２の上面とが同一面に含まれるように配置されて、第二光学フィルタ３２を第二主面２ｂの上方に維持している。
これら第一、第二入射角制限部４１、４２によって、反射鏡５０により反射された光の第一センサ部２１及び第二センサ部２２への入射角が制限される。
第一入射角制限部４１と第一光学フィルタ３１とは、図１の縦断面図に示すように、第一入射角制限部４１の内周と第一光学フィルタ３１の外周とが接する２点のうちの一方において第一光学フィルタ３１の第一基板１側の端部と第一入射角制限部４１とが接する位置と、他方の位置において第一入射角制限部４１と第一基板１の第二主面１ｂを含む面とが接する位置とを結ぶ線分と、第二主面１ｂとがなす角度θ１が０°以上７５°以下となる位置に配置される。

同様に、第二入射角制限部４２と第二光学フィルタ３２とは、第二光学フィルタ３２の重心を通る線分と第二光学フィルタ３２の外周とが交差する２点のうちの一方において第二光学フィルタ３２の第二基板２側の端部と第二入射角制限部４２とが接する位置と、他方の位置において第二入射角制限部４２と第二基板２の第二主面２ｂを含む面とが接する位置とを結ぶ線分と第二主面２ｂとがなす角度θ２が０°以上７５°以下となる位置に配置される。
ここで、反射鏡５０によって反射された光は、第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２に入射される際に屈折し、さらに第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２から第一基板１側、第二基板２側に出射される際に再度屈折する。そのため、第一発光部１１から出力された光のうち、第一基板１の第二主面１ｂから出射され、第一光学フィルタ３１を通じて反射鏡５０で反射され、第二光学フィルタ３２を通じて第二センサ部２２に入射される光の入射角と、第二発光部１２から出力された光のうち、第二基板２の第二主面２ｂから出射され第二光学フィルタ３２を通じて反射鏡５０で反射され、第一光学フィルタ３１を透過して第一センサ部２１に入射される光の入射角の少なくとも一方を、０°以上７５°以下にするには、第一入射角制限部４１及び第二入射角制限部４２を設けただけでは不十分である。

そのため、図１に示すように、角度θ１及び角度θ２を０°以上７５°以下に制限している。
このような構成とすることにより、第一入射角制限部４１、第二入射角制限部４２の側面に入射された光は、第一入射角制限部４１、第二入射角制限部４２によって吸収又は透過され、反射されない。
つまり、第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２に入射角が大きい光が入射され、第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２として所望の帯域以外の光がこれら第一、第二光学フィルタ３１、３２を透過したとしても、これら第一、第二光学フィルタ３１、３２を透過した光は第一入射角制限部４１、第二入射角制限部４２で反射されないため、所望の帯域以外の光が第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２を通じて第一センサ部２１、第二センサ部２２に入射されることが抑制される。

したがって、第一入射角制限部４１、第二入射角制限部４２によって、第一センサ部２１、第二センサ部２２への入射角を制限することによって、第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２への入射角を、第一センサ部２１、第二センサ部２２の検出信号に外乱として影響を及ぼすことのない入射角に制限した場合と同等の作用効果を得ることができ、第一センサ部２１、第二センサ部２２の出力信号に基づきガス分析等を行う際の感度の低下を抑制することができる。
このように、第１実施形態における受発光装置によれば、第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２のフィルタ特性に応じた所望の波長以外の光が第一センサ部２１、第二センサ部２２に届くことを防ぎ、従来と比べてより高感度な受発光装置の提供することが可能となる。

なお、第一基板１の第二主面１ｂ及び第二基板２の第二主面２ｂを含む面と、反射鏡５０の凹曲面の縁を含む面とが一致するように第一基板１及び第二基板２がモールド樹脂等の封止部６１により支持部６０に固定されると共に、上面視で第一基板１の第二主面１ｂに重なるように第二主面１ｂから離して配置された第一光学フィルタ３１及び第一入射角制限部４１と、同様に上面視で第二基板２の第二主面２ｂに重なるように第二主面２ｂから離して配置された第二光学フィルタ３２及び第二入射角制限部４２と、が反射鏡５０の凹部に収まるように第一、第二入射角制限部４１及び４２が封止部６１により固定される。

これによって、第一光学フィルタ３１及び第二光学フィルタ３２と、反射鏡５０との間に空間が形成され、この空間に、図示しない導入口から被検出ガスを導入することによって、被検出ガスの影響を受けた光が第一センサ部２１、第二センサ部２２に入射されることになる。そして、第一センサ部２１、第二センサ部２２の出力信号を例えば増幅器等を介して濃度演算部６５に入力し、濃度演算部６５において、第一センサ部２１、第二センサ部２２の出力信号に基づき、所定の演算を行うことにより、被検出ガスの濃度を測定することができる。
そして、前述のように、所望の波長以外の光が第一センサ部２１、第二センサ部２２に届くことを防止することができる、すなわち、外乱を抑制することができるため、受発光装置の感度低下を抑制することができ、高感度な受発光装置を提供することができる。

［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態に係る受発光装置１０２の一例を示す構成図である。
図２に示すように、受発光装置１０２は、第一主面１ａに第一発光部１１と第一センサ部２１とを有する第一基板１と、第一主面２ａに第二発光部１２と第二センサ部２２とを有する第二基板２と、第一基板１の、第一主面１ａとは逆側の第二主面１ｂを覆うように第二主面１ｂ上に設けられた第一光学フィルタ３１と、第二基板２の、第一主面２ａとは逆側の第二主面２ｂを覆うように第二主面２ｂ上に設けられた第二光学フィルタ３２とを備える。

また、凹曲面形状の反射面を有する反射鏡（光反射部）５０を備え、反射鏡５０は、支持部６０により指示される。また、第一基板１及び第一光学フィルタ３１と、第二基板２及び第二光学フィルタ３２は、モールド樹脂等の封止部６１により支持部６０に固定される。
このとき、図２に示すように、反射鏡５０の凹曲面の縁部５１と、第一光学フィルタ３１及び第二光学フィルタ３２とは垂直方向に間隔を空けて配置される。さらに、第一光学フィルタ３１及び第二光学フィルタ３２の、反射鏡５０側の面に垂直な方向を第一軸としたとき、第一軸方向からみて、第一光学フィルタ及び第二光学フィルタのそれぞれの外周上の点から反射鏡５０の凹曲面の縁部５１上の点まで引いた全ての線分のうち、最長となる線分の長さをＸとし、第一光学フィルタ３１及び第二光学フィルタ３２それぞれと反射鏡５０の凹曲面の縁部５１との間の第一軸方向の距離が最小となる位置での距離をＹとし、反射鏡５０は、距離Ｘ及び距離Ｙが、ｔａｎ（１５°）≦Ｙ／Ｘの関係を満足する位置に配置される。

この受発光装置１０２は、入射角制限部を設けず、関係式ｔａｎ（１５°）≦Ｙ／Ｘを満たすように配置された反射鏡５０、第一光学フィルタ３１及び第二光学フィルタ３２を用いる点で、第一実施形態における受発光装置１０２と異なる。それ以外の構成については、第１実施形態と同じである。
そして、第一光学フィルタ３１及び第二光学フィルタ３２と、反射鏡５０との間の空間に、図示しない導入口から被検出ガスを導入することによって、被検出ガスの影響を受けた光が第一センサ部２１、第二センサ部２２に入射されることになり、第一センサ部２１、第二センサ部２２の出力信号を濃度演算部６５に入力し所定の演算を行うことにより、被測定ガスの濃度を測定することができる。

ここで、反射鏡５０と第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２が、所定の関係式を満足するように配置される。
その結果、第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２に入射される光の入射角が０°以上７５°以下に制限され、すなわち、第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２に、所望の帯域以外の帯域の光を透過させるような入射角の大きい光が入射されることを抑制することができる。そのため、第一センサ部２１、第二センサ部２２に、所望の帯域以外の帯域の光が伝達されることを抑制することができ、外乱を抑制することができるため、受発光装置の感度低下を抑制することができ、高感度な受発光装置を提供することができる。

［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態に係る受発光装置１０３の一例を示す構成図である。
図３に示すように、受発光装置１０３は、第２実施形態に係る受発光装置１０２において、さらに光遮断部７０を設けたものである。なお、第２実施形態に係る受発光装置１０２と同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
光遮断部７０は、図３に示すように、第一基板１と第二基板２との間に設けられ、第一基板１、第二基板２、第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２と共に、モールド樹脂等の封止部６１により支持部６０に固定される。

第一発光部１１から出射された光が第一基板１を経てモールド樹脂などの封止部６１に伝達されたとしても、第一基板１と第二基板２との間に光遮断部７０が設けられているため、第一基板１と第二基板２との間での封止部６１を介しての光に伝達が阻止される。そのため、第一発光部１１、第一基板１、封止部６１、第二基板２、第二センサ部２２の経路で、第一発光部１１で出力された光が伝達されることが回避され、被検出ガスが導入された空間を通過しない光が、第一、第二センサ部２１、２２に伝達されることを防止することができる。したがって、被検出ガスが導入された空間を通過しない光が、第一、第二センサ部２１、２２に伝達されることにより生じる、感度の低下を防止することができる。
なお、第３実施形態では、第２実施形態に係る受発光装置１０２において、光遮断部７０を設けた場合について説明したが、第１実施形態に係る受発光装置１０１において、光遮断部７０を設けることも可能であって、この場合も、同等の作用効果を得ることができる。

＜実施例＞
本実施例では、第２実施形態において、Ｘ＝１０．７ｍｍ、Ｙ＝５．０ｍｍ（Ｙ／Ｘ＝ｔａｎ２５°）を満足する受発光装置を用いた。複数の二酸化炭素濃度環境下において、第一発光部１１を周波数２３０Ｈｚで発光させ、各センサ部の出力信号として、第一センサ部２１からＩｐS1、第二センサ部２２からＩｐS2を得た。その結果、ＩｐS2／ＩｐS1の二酸化濃度に対する変化率である感度は約２．１７％／１０００ｐｐｍであった。

＜比較例＞
本比較例では、第２実施形態において、Ｘ＝１１．８ｍｍ、Ｙ＝２．０ｍｍ（Ｙ／Ｘ＝ｔａｎ１０°）を満足する受発光装置を用いた。なお、Ｙ／Ｘ＝ｔａｎ１０°を満足すること以外は、実施例と同一条件とした。
複数の二酸化炭素濃度環境下において、第一発光部１１を周波数２３０Ｈｚで発光させ、第一センサ部２１からＩｐS1、第二センサ部２２からＩｐS2を得た。その結果、感度は約１．９３％／１０００ｐｐｍであり、実施例に比べ、約１１％感度が悪化することが確認された。

また、Ｙ／Ｘ＝ｔａｎ５°、Ｙ／Ｘ＝ｔａｎ１５°、Ｙ／Ｘ＝ｔａｎ２０°を満足する受発光装置についても、その他の条件は実施例と同一条件で、同様の手順で感度を測定した。その結果を、表１に示す。なお、表１中のαは、図２に示すように縦断面において、第二光学フィルタ３２と反射鏡５０の凹曲面の縁部との間の水平方向の距離が最大となる位置での、第二光学フィルタ３２の上端と反射鏡５０の凹曲面の縁部とを結ぶ線分と、第二光学フィルタ３２の上面とがなす角度を表す。

表１に示すように、角度αが２５°から減少するほど、感度が低下していることがわかる。
したがって、例えば、受発光装置の感度として、２．００％／１０００ｐｐｍ以上の感度が要求される場合には、角度αを１５°以上とし、Ｙ／Ｘ＝ｔａｎ１５°を満足するように、反射鏡５０及び第一光学フィルタ３１、第二光学フィルタ３２を配置すればよい。

なお、本発明は、以上に記載した実施形態に限定されるものではない。その技術適思想の範囲内において、当業者の知識に基づいて実施形態に設計の変更等を加えてもよく、そのような変更が加えられた態様も本発明の範囲に含まれる。
また、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

１ 第一基板
１ａ 第一主面
１ｂ 第二主面
２ 第二基板
２ａ 第一主面
２ｂ 第二主面
１１ 第一発光部
１２ 第二発光部
２１ 第一センサ部
２２ 第二センサ部
３１ 第一光学フィルタ
３２ 第二光学フィルタ
４１ 第一入射角制限部
４２ 第二入射角制限部
５０ 反射鏡
６０ 支持部
７０ 光遮断部
１０１、１０２、１０３ 受発光装置

Claims (8)

1. 第一主面に第一発光部と第一センサ部とを有し、前記第一発光部で発光された光の一部が前記第一主面とは逆側の第二主面から出射されると共に他の一部が前記第二主面で反射される第一基板と、
   第一主面に第二発光部と第二センサ部とを有し、前記第二発光部で発光された光の一部が前記第一主面とは逆側の第二主面から出射されると共に他の一部が前記第二主面で反射される第二基板と、
   前記第一基板の前記第二主面側に設けられ、前記第一センサ部の感度が最大となる波長を透過域に含む第一光学フィルタと、
   前記第二基板の前記第二主面側に設けられ、前記第二センサ部の感度が最大となる波長を透過域に含む第二光学フィルタと、
   前記第一基板及び前記第二基板それぞれの前記第二主面側の、当該第二主面それぞれから離して配置された凹曲面形状の反射面を有する光反射部と、を備え、
   前記第一発光部、前記第一センサ部、前記第二発光部、及び前記第二センサ部は、前記第一発光部で発光した光のうち、前記第一基板の前記第二主面で反射された光が前記第一センサ部に入射されると共に前記第一基板の前記第二主面から出射され前記光反射部で反射された光が前記第二光学フィルタを通じて前記第二センサ部に入射され、前記第二発光部で発光した光のうち、前記第二基板の前記第二主面で反射された光が前記第二センサ部に入射されると共に前記第二基板の前記第二主面から出射され前記光反射部で反射された光が前記第一光学フィルタを通じて前記第一センサ部に入射されるように配置され、
   前記第一発光部で発光され、前記第一基板を通じて出射されて前記光反射部で反射された光が前記第二光学フィルタ及び前記第二基板を通じて前記第二センサ部に入射される入射角と、
   前記第二発光部で発光され、前記第二基板を通じて出射されて前記光反射部で反射された光が前記第一光学フィルタ及び前記第一基板を通じて前記第一センサ部に入射される入射角とのうちの少なくともいずれか一方が、０°以上７５°以下となる受発光装置。
2. 前記第一基板の前記第二主面を含む面に設けられ前記第一光学フィルタの外周を包囲する壁状の第一入射角制限部と、
   前記第二基板の前記第二主面を含む面に設けられ前記第二光学フィルタの外周を包囲する壁状の第二入射角制限部と、を備え、
   縦断面において、
   前記第一入射角制限部と前記第一光学フィルタとは、
   前記第一入射角制限部の内周面と前記第一光学フィルタの前記第一基板側の面との２つの交点のうち、一方の交点側において前記第一入射角制限部の内周面と前記第一基板の前記第二主面を含む面とが接する位置と他方の交点とを結ぶ線分と、前記第一入射角制限部の内周面とがなす角度が０°以上７５°以下となる位置に配置され、
   前記第二入射角制限部と前記第二光学フィルタとは、
   前記第二入射角制限部の内周面と前記第二光学フィルタの前記第二基板側の面との２つの交点のうち、一方の交点側において前記第二入射角制限部の内周面と前記第二基板の前記第二主面を含む面とが接する位置と他方の交点とを結ぶ線分と、前記第二入射角制限部の内周面とがなす角度が０°以上７５°以下となる位置に配置される請求項１に記載の受発光装置。
3. 前記第一光学フィルタ及び前記第二光学フィルタの前記光反射部側の面に垂直な方向を第一軸とし、
   前記光反射部の凹曲面の縁部が、前記第一軸に沿って前記第一光学フィルタ及び前記第二光学フィルタから離れた位置に配置され、
   前記第一軸方向から見て、前記第一光学フィルタ及び第二光学フィルタのそれぞれの外周上の点から前記光反射部の凹曲面の縁部上の点まで引いた全ての線分のうち、最長となる線分の長さをＸとし、
   前記第一光学フィルタ及び前記第二光学フィルタそれぞれと前記光反射部の凹曲面の縁部との間の前記第一軸方向の距離が最小となる位置での距離をＹとし、
   前記光反射部は、前記距離Ｘ及び前記距離Ｙが、
   ｔａｎ（１５°）≦Ｙ／Ｘ
   の関係を満足する位置に配置される請求項１に記載の受発光装置。
4. 前記光反射部を支持する支持部をさらに備え、
   前記支持部は、前記第一光学フィルタ及び前記第二光学フィルタの透過域の波長帯の光に対する反射率が、前記光反射部の前記第一光学フィルタ及び前記第二光学フィルタの透過域の波長帯の光に対する反射率の５０％以下である請求項１から請求項３の何れか一項に記載の受発光装置。
5. 前記第一センサ部、前記第二センサ部、前記第一発光部及び前記第二発光部は、同一組成の化合物半導体積層部を有する請求項１から請求項４の何れか一項に記載の受発光装置。
6. 前記第一センサ部及び前記第二センサ部は同一構造を含む請求項１から請求項５の何れか一項に記載の受発光装置。
7. 前記第一発光部及び前記第二発光部は同一構造を含む請求項１から請求項６の何れか一項に記載の受発光装置。
8. 請求項１から請求項７の何れか一項に記載の受発光装置と、
   前記受発光装置の前記第一センサ部及び前記第二センサ部の出力信号が入力され、前記受発光装置の前記第一発光部から前記第二センサ部までの光路及び前記第二発光部から前記第一センサ部までの光路のうちの少なくともいずれか一方の光路の周囲に存在する物質の濃度を演算する濃度演算部と、を備える濃度測定装置。

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