JP2017162986A - 光検出装置および光検出システム - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、以下の項目に記載の光検出装置を含む。
第1受光素子および第2受光素子を有する光検出器と、
前記第1受光素子および前記第2受光素子の上に配置された透光性の第1層と、
前記光検出器と前記第1層との間において前記第1層に接し、前記第1層よりも低い屈折率を有する透光性の第2層と、
前記第1層において前記第1受光素子に対向する透光性の第1光結合素子と、
前記第1層において前記第2受光素子に対向する透光性の第2光結合素子と、
を備え、
前記第1光結合素子は、前記第1光結合素子に入射した光の一部を、前記第1層内において、前記第2光結合素子に向かう方向に伝搬させ、
前記第2光結合素子は、前記第1光結合素子に入射した光の一部を、前記第1層内において、前記第1光結合素子に向かう方向に伝搬させる、
光検出装置。
前記第1光結合素子に入射した光の一部は、前記第1層および前記第2層を透過して前記第1受光素子に入射し、
前記第2光結合素子に入射した光の一部は、前記第1層および前記第2層を透過して前記第2受光素子に入射する、
項目1に記載の光検出装置。
前記第1受光素子および前記第2受光素子は、第1の方向に並び、
前記第1光結合素子は、各々が前記第1の方向に垂直な第2の方向に溝を有し、前記第1の方向に配列された複数の透光性部材を有する第1グレーティングであり、
前記第2光結合素子は、各々が前記第1の方向に垂直な第2の方向に溝を有し、前記第1の方向に配列された複数の透光性部材を有する第2グレーティングである、
項目1または2に記載の光検出装置。
前記第1グレーティング、前記第2グレーティング、および前記第1層は、同一の材料で構成された単一構造体である、項目3に記載の光検出装置。
前記第1受光素子および前記第2受光素子は、空気中の波長がλの光を検出し、
前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの各々は、前記波長λよりも小さい周期Λを有する部分を含む、
項目3または4に記載の光検出装置。
前記第1層の屈折率をn1、前記第2層の屈折率をn2とすると、前記周期Λは、
λ/n1<Λ<λ/n2
を満たす、項目5に記載の光検出装置。
前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの各々は、互いに異なる周期を有する複数の部分を含む、項目5または6に記載の光検出装置。
前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの最も近接する2つの凸部の頂点間もしくは中心間の距離は、前記周期Λよりも大きい、項目5から7のいずれかに記載の光検出装置。
前記光検出器は、前記第1グレーティングと前記第2グレーティングとの間のスペース領域に対向する第3受光素子をさらに有する、項目8に記載の光検出装置。
前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの各々の、前記第2の方向に垂直な断面の形状は、三角形状、台形状、および正弦波形状のいずれかであり、
0以上の整数をiとして、
i+1.05≦d≦i+1.26、または
i+1.58≦d≦i+1.79
を満たすdに関して、
前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの最も近接する2つの凸部の頂点間もしくは中心間の距離はdΛである、
項目8または9に記載の光検出装置。
前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの各々の、前記第2の方向に垂直な断面の形状は、矩形状、角の丸い矩形状、および半円形状のいずれかであり、
0以上の整数をiとして、
1<d≦1.16、
i+1.47≦d≦i+1.77、または
i+1.92≦d≦i+2.16
のいずれかを満たすdに関して、
前記第1グレーティングおよび第2グレーティングの最も近接する2つの凸部の頂点間もしくは中心間の距離はdΛである、
項目8または9に記載の光検出装置。
対象物と、前記第1光結合素子および前記第2光結合素子との間に配置され、TE偏光成分よりもTM偏光成分を多く含む光を前記第1光結合素子および前記第2光結合素子に入射させる偏光素子をさらに備える、項目1から11のいずれかに記載の光検出装置。
2次元的に配列された複数の検出単位を有し、
前記複数の検出単位の各々は、前記第1層の一部、前記第2層の一部、前記第1光結合素子、前記第2光結合素子、前記第1受光素子、および前記第2受光素子を含む、
項目1から12のいずれかに記載の光検出装置。
前記第1層における前記複数の検出単位の間の領域に溝を有する、項目13に記載の光検出装置。
前記第1層における前記複数の検出単位の間の領域上に金属膜を有する、項目13に記載の光検出装置。
前記第1層における前記複数の検出単位の間の領域上に、金属膜で覆われた第3の光結合素子を有する、項目13に記載の光検出装置。
前記複数の検出単位は、前記第1受光素子および前記第2受光素子が並ぶ第1の方向および前記第1の方向に垂直な第2の方向の少なくとも一方の方向に配列されている、項目13から16のいずれかに記載の光検出装置。
前記複数の検出単位は、千鳥状に配置されている、項目13から17のいずれかに記載の光検出装置。
前記複数の検出単位は、
前記第1受光素子および前記第2受光素子が第1の方向に並ぶ少なくとも1つの第1検出単位と、
前記第1受光素子および前記第2受光素子が前記第1の方向に垂直な第2の方向に並ぶ少なくとも1つの第2検出単位と、
を含む、項目13から18のいずれかに記載の光検出装置。
項目1から19のいずれかに記載の光検出装置と、
前記第1受光素子から出力される第1電気信号、および前記第2受光素子から出力される第2電気信号に基づいて、対象物の構造に関する情報を生成して出力する演算回路と、
を備える光検出システム。
空気中での波長がλの光を出射する光源をさらに備え、
前記第1受光素子および前記第2受光素子は、前記光源から出射され、対象物から到達した前記波長λの光を検出する、
項目20に記載の光検出システム。
前記光源は、TE偏光成分よりもTM偏光成分を多く含む光を出射するように配置されている、項目21に記載の光検出システム。
[光検出装置]
まず、本開示の実施形態1の光検出装置を説明する。
sinθ=N−mλ/Λ (1)
Λ=λ/N (2)
n2<N<n1 (3)
mλ/(n1−sinθ)<Λ<mλ/(n2−sinθ) (4)
λ/n1<Λ<λ/n2 (5)
d=1.16+i (6)
または
d=1.68+i (7)
であることが分かった。例えば、i=10のときは、d=11.16またはd=11.68となる。このときの第1光結合素子1および第2光結合素子2の最も近接する頂点間の間隔は、dΛ=5.02μmまたはd=5.26μmとなる。
1.05+i≦d≦1.26+i (8)
または
1.58+i≦d≦1.79+i (9)
である。
1.12+i≦d≦1.20+i (10)
または
1.64+i≦d≦1.72+i (11)
である。
1.14+i≦d≦1.18+i (12)
または
1.66+i≦d≦1.70+i (13)
である。
本実施形態における光検出装置29は、光源および演算回路と組み合わせることによって対象物の構造(例えば表面構造または屈折率分布等)の情報を得ることができる。以下、そのような光検出システムの例を説明する。
φ=2π(no−1)S/λ (14)
すなわち、第2入射光9の位相は、第1入射光8の位相よりも、2π(no−1)S/λだけ遅れる。
図6は、本実施形態の変形例における光検出装置29aの構成を示す断面図である。この例では、第1光結合素子1””および第2光結合素子2””の各々は、XZ面に平行な断面の形状が台形状のグレーティングである。グレーティング1””、2””の形状は、三角柱状のグレーティング1、2の上部(角)が削られた形状である。各グレーティングの断面の形状は、例えば正弦波形状でもよい。角が尖っている必要はなく、角が丸い形状でも良い。XZ面に平行な断面の面積が底部から上部(先端部)に向かうに従って小さくなる形状(テーパー形状)のグレーティングであれば、三角柱状のグレーティングを用いた場合と同様の効果が得られる。すなわち、対象物からの透過光または反射光のコヒーレンスの度合いに基づいて対象物の情報を定量的に測定でき、構造が安定な小型かつ薄型の光検出装置を実現することができる。
次に、本開示の実施形態2の光検出装置を説明する。図8は、本開示の実施形態2における光検出装置29cの構成を模式的に示す断面図である。
次に、本開示の実施形態3における光検出装置を説明する。
d=1.03+i (15)
または
d=1.60+i (16)
であることが分かった。例えば、i=10のときは、d=11.03またはd=11.60となる。このときの第1光結合素子1”および第2光結合素子2"の最も近接する頂点(凸部の中央)間の間隔は、dΛ=4.96μmまたはd=5.22μmとなる。
1≦d≦1.16 (17)
または
1.47+i≦d≦1.77+i (18)
または
1.92+i≦d≦2.16+i (19)
である。
1≦d≦1.08 (20)
または
1.55+i≦d≦1.66+i (21)
または
2.02+i≦d≦2.16+i (22)
である。
1.01+i≦d≦1.06+i (23)
または
1.57+i≦d≦1.63+i (24)
である。
λ=1.6488Λ+0.11211 (25)
次に、本開示の実施形態4の光検出装置を説明する。
次に、本開示の実施形態5の光検出装置を説明する。
2 第2光結合素子
3 第1層
4 第2層
5 光検出器
6 第1受光素子
7 第2受光素子
8 第1入射光
9 第2入射光
10 第1導波光
11 第2導波光
12 第1透過光
13 第2透過光
14 検出単位
15 第1電気信号
16 第2電気信号
17 イメージセンサ
18 対象物に関する情報の電気信号
19 溝
20 演算回路
21 対象物
22 金属膜パターン
23 吸収膜
24 配線取り出し穴
25 光源
26 出射光
27 スペース領域
28 配線
29 光検出装置
30 偏光素子
Claims (22)
- 第1受光素子および第2受光素子を有する光検出器と、
前記第1受光素子および前記第2受光素子の上に配置された透光性の第1層と、
前記光検出器と前記第1層との間において前記第1層に接し、前記第1層よりも低い屈折率を有する透光性の第2層と、
前記第1層において前記第1受光素子に対向する透光性の第1光結合素子と、
前記第1層において前記第2受光素子に対向する透光性の第2光結合素子と、
を備え、
前記第1光結合素子は、前記第1光結合素子に入射した光の一部を、前記第1層内において、前記第2光結合素子に向かう方向に伝搬させ、
前記第2光結合素子は、前記第1光結合素子に入射した光の一部を、前記第1層内において、前記第1光結合素子に向かう方向に伝搬させる、
光検出装置。 - 前記第1光結合素子に入射した光の一部は、前記第1層および前記第2層を透過して前記第1受光素子に入射し、
前記第2光結合素子に入射した光の一部は、前記第1層および前記第2層を透過して前記第2受光素子に入射する、
請求項1に記載の光検出装置。 - 前記第1受光素子および前記第2受光素子は、第1の方向に並び、
前記第1光結合素子は、各々が前記第1の方向に垂直な第2の方向に溝を有し、前記第1の方向に配列された複数の透光性部材を有する第1グレーティングであり、
前記第2光結合素子は、各々が前記第1の方向に垂直な第2の方向に溝を有し、前記第1の方向に配列された複数の透光性部材を有する第2グレーティングである、
請求項1または2に記載の光検出装置。 - 前記第1グレーティング、前記第2グレーティング、および前記第1層は、同一の材料で構成された単一構造体である、請求項3に記載の光検出装置。
- 前記第1受光素子および前記第2受光素子は、空気中の波長がλの光を検出し、
前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの各々は、前記波長λよりも小さい周期Λを有する部分を含む、
請求項3または4に記載の光検出装置。 - 前記第1層の屈折率をn1、前記第2層の屈折率をn2とすると、前記周期Λは、
λ/n1<Λ<λ/n2
を満たす、請求項5に記載の光検出装置。 - 前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの各々は、互いに異なる周期を有する複数の部分を含む、請求項5または6に記載の光検出装置。
- 前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの最も近接する2つの凸部の頂点間もしくは中心間の距離は、前記周期Λよりも大きい、請求項5から7のいずれかに記載の光検出装置。
- 前記光検出器は、前記第1グレーティングと前記第2グレーティングとの間のスペース領域に対向する第3受光素子をさらに有する、請求項8に記載の光検出装置。
- 前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの各々の、前記第2の方向に垂直な断面の形状は、三角形状、台形状、および正弦波形状のいずれかであり、
0以上の整数をiとして、
i+1.05≦d≦i+1.26、または
i+1.58≦d≦i+1.79
を満たすdに関して、
前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの最も近接する2つの凸部の頂点間もしくは中心間の距離はdΛである、
請求項8または9に記載の光検出装置。 - 前記第1グレーティングおよび前記第2グレーティングの各々の、前記第2の方向に垂直な断面の形状は、矩形状、角の丸い矩形状、および半円形状のいずれかであり、
0以上の整数をiとして、
1<d≦1.16、
i+1.47≦d≦i+1.77、および
i+1.92≦d≦i+2.16
のいずれかを満たすdに関して、
前記第1グレーティングおよび第2グレーティングの最も近接する2つの凸部の頂点間もしくは中心間の距離はdΛである、
請求項8または9に記載の光検出装置。 - 対象物と、前記第1光結合素子および前記第2光結合素子との間に配置され、TE偏光成分よりもTM偏光成分を多く含む光を前記第1光結合素子および前記第2光結合素子に入射させる偏光素子をさらに備える、請求項1から11のいずれかに記載の光検出装置。
- 2次元的に配列された複数の検出単位を有し、
前記複数の検出単位の各々は、前記第1層の一部、前記第2層の一部、前記第1光結合素子、前記第2光結合素子、前記第1受光素子、および前記第2受光素子を含む、
請求項1から12のいずれかに記載の光検出装置。 - 前記第1層における前記複数の検出単位の間の領域に溝を有する、請求項13に記載の光検出装置。
- 前記第1層における前記複数の検出単位の間の領域上に金属膜を有する、請求項13に記載の光検出装置。
- 前記第1層における前記複数の検出単位の間の領域上に、金属膜で覆われた第3の光結合素子を有する、請求項13に記載の光検出装置。
- 前記複数の検出単位は、前記第1受光素子および前記第2受光素子が並ぶ第1の方向および前記第1の方向に垂直な第2の方向の少なくとも一方の方向に配列されている、請求項13から16のいずれかに記載の光検出装置。
- 前記複数の検出単位は、千鳥状に配置されている、請求項13から17のいずれかに記載の光検出装置。
- 前記複数の検出単位は、
前記第1受光素子および前記第2受光素子が第1の方向に並ぶ少なくとも1つの第1検出単位と、
前記第1受光素子および前記第2受光素子が前記第1の方向に垂直な第2の方向に並ぶ少なくとも1つの第2検出単位と、
を含む、請求項13から18のいずれかに記載の光検出装置。 - 請求項1から19のいずれかに記載の光検出装置と、
前記第1受光素子から出力される第1電気信号、および前記第2受光素子から出力される第2電気信号に基づいて、対象物の構造に関する情報を生成して出力する演算回路と、
を備える光検出システム。 - 空気中での波長がλの光を出射する光源をさらに備え、
前記第1受光素子および前記第2受光素子は、前記光源から出射され、対象物から到達した前記波長λの光を検出する、
請求項20に記載の光検出システム。 - 前記光源は、TE偏光成分よりもTM偏光成分を多く含む光を出射するように配置されている、請求項21に記載の光検出システム。
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