JP2023109050A - 光学式物理量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありながら高精度の光学式物理量測定装置が提供される。【解決手段】光学式物理量測定装置（１）は、発光素子（Ｌ）と、複数の受光素子（Ｓ）と、を備え、発光素子（Ｌ）が放射方向により異なる放射スペクトルを有し、発光素子からの異なる放射方向への光が異なる複数の位置に到達する光路（４）が形成されて、複数の位置ごとに複数の受光素子（Ｓ）が配置されている。光学式物理量測定装置（１）は、複数の受光素子（Ｓ）が、同一の基板の上に形成されてよい。【選択図】図１

Description

本開示は光学式物理量測定装置に関する。

光学式物理量測定装置として、例えば非分散赤外吸収式のガス濃度測定装置が知られている。非分散赤外吸収式のガス濃度測定装置は、気体分子が中赤外光に特有の吸収帯を有することを用いた、高精度のガスセンサとして知られており、以下のように動作する。まず赤外光源から、光路中の気体に対して、赤外光が照射される。気体を透過した赤外光は、光路により赤外線検出器に導かれ、到達光量が測定される。この時、赤外線検出器に入射する前に、光路中にバンドパスフィルタを設けることにより、気体分子に特有の吸収帯の赤外光のみを赤外線検出器に到達させることができる。ここで到達光量は、ランバート・ベールの法則に従い、光路中の気体濃度に応じて減衰する。到達光量を元に、ガス濃度を算出することが可能となる。従って、光源から照射される光強度の変動、光路の反射率の変動、赤外線検出器の特性変動などがある場合、ガス濃度に大きな誤差を発生し、正確なガス濃度の測定が困難であった。ここで変動の要因としては、例えば温度変化、湿度に伴う応力の影響、光路の汚れ、干渉ガスの影響などがある。

このような変動の影響を抑制する方法として、リファレンス信号を用いた方法が知られている。これは、光源から照射された、ガス濃度に感度を持つ吸収帯の光のみを検知して得られるメイン信号と、同じ光源から照射された、ガス濃度の変化に対して感度が小さい光を検知して得られるリファレンス信号を用いて、例えば、その比を取ることにより、光源等の強度変動の影響を抑制する技術である。ここでメイン信号は、検出対象のガスに特異的な波長を透過するバンドパスフィルタを透過した光を、赤外線検出器により検知することで得られる。一方でリファレンス信号を得る手法については、様々な手法が知られている。特許文献１は、光源と同じ基板上に形成された赤外線検出器により、光源の発するすべての波長の光を検知する手法を開示する。特許文献２は、検知対象のガスに感度を持たない波長を透過するメイン信号用とは異なるバンドパスフィルタを用い、赤外線検出器を用いて検知する手法を開示する。

国際公開第２０１５／０４５４１１号 特開平９－３１８５２８号公報

しかしながら、リファレンス信号として全波長を検出する方法、つまり発光スペクトルの積分強度をリファレンス信号とし、発光スペクトルの一部をメイン信号とする手法は、特性変動に伴うスペクトル形状の変化に対して、補正しきれないという問題がある。また、複数の波長に対応する複数の光学フィルタを用いる手法は、特性変動の抑制に優れるものの、装置のサイズが大きくなる問題がある。

かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、小型でありながら高精度の光学式物理量測定装置を提供することにある。

本開示の一実施形態に係る光学式物理量測定装置は、
発光素子と、複数の受光素子と、を備え、
前記発光素子が放射方向により異なる放射スペクトルを有し、
前記発光素子からの異なる前記放射方向への光が異なる複数の位置に到達する光路が形成されて、前記複数の位置ごとに前記複数の受光素子が配置されている。

本開示によれば、小型でありながら高精度の光学式物理量測定装置を提供することができる。

図１は、一実施形態に係る光学式物理量測定装置を説明するための構成図である。 図２は、一実施形態に係る光学式物理量測定装置を説明するための構成図である。 図３は、一実施形態に係る光学式物理量測定装置を説明するための構成図である。 図４は、一実施形態に係る光学式物理量測定装置を説明するための構成図である。 図５は、発光素子の構成を説明する構成図である。 図６は、一実施形態に係る光学式物理量測定装置の構成、動作原理を説明するための図である。 図７は、比較例の構成、動作原理を説明するための図である。 図８は、発光素子の発光スペクトルの温度依存性を示す図である。 図９は、受光素子の分光感度スペクトルの温度依存性を示す図である。 図１０は、実施例及び比較例における信号比の温度依存性を示す図である。 図１１は、発光素子の放射スペクトルの放射角度依存性の例を示す図である。

以下、図面を参照して本開示の一実施形態に係る光学式物理量測定装置が説明される。

＜光学式物理量測定装置＞
光学式物理量測定装置は、光が通る領域に存在する物質が、異なる波長の光に対して異なる吸収を示すことを利用し、複数の波長の光に対する透過光を検出することで、物質の濃度を検出する。光は、例えば装置内で区画された領域の内部空間を通り、内部空間に気体又は液体が導入されて、気体又は液体が被検出物質を含む場合に吸収される。ここで、物質がこのような内部空間に存在することを、以下「光路中に存在する」と表記することがある。また光学式物理量測定装置は、内部空間に固体が配置され、固体が被検出物質を含む場合にも適用される。

例えば気体分子である二酸化炭素（ＣＯ_２）は４．３μｍ、炭化水素は３．３μｍ付近に吸収帯を有する一方で、３．９μｍ付近では吸収が極めて小さい。つまり４．３μｍ、３．３μｍの光を検出する受光素子の信号は、それぞれ二酸化炭素濃度、炭化水素濃度の増加と共に減衰する。これに対し、３．９μｍ付近の光を検出する受光素子の信号は、それらのガス濃度に対して変化が極めて小さい。従って、４．３μｍと３．９μｍ又は３．３μｍと３．９μｍ付近の光の透過量（又は減衰量）を比較することによって、光路中に存在する二酸化炭素濃度又は炭化水素濃度を算出するガスセンサとして用いることができる。また光路中に存在する物質が液体である場合、液体中の不純物の検出に用いることができる。一例として、液体中の有機体炭素濃度の測定が挙げられる。

光学式物理量測定装置において、発光素子から放射された光は、その放射方向により異なる放射スペクトルを有する。発光素子からの異なる放射方向への光が異なる複数の位置に到達する光路が形成されて、複数の位置ごとに配置された複数の受光素子により検知される。これら複数の信号を比較することにより、温度、湿度などによる発光素子及び受光素子の変動を抑制した、高精度の物理量測定を行うことができる。このように、一つの光源から複数の放射スペクトルを抽出することができ、また、複数の光学フィルタを用いる必要はないなど、構成部品の点数を抑制することができるため、設計公差の確保に伴う測定精度の低下を抑制し、小型化することができる。

光学式物理量測定装置がガスセンサである場合、発光素子及び受光素子は、例えば１～１２μｍの波長帯の光を発し、受光する。すなわち、受発光波長が１～１２μｍである。さらなる小型化を可能にするため、発光素子、受光素子の組み合わせとしては、ＡｌＩｎＳｂ又はＩｎＡｓＳｂからなる発光ダイオード、フォトダイオードが用いられることが好ましい。ただし、以下に説明するように、発光素子、受光素子の組み合わせはこれらに限定されない。

＜発光素子＞
発光素子は、放射方向により異なる放射スペクトルを有する。発光素子としては、例えばランプ、発光ダイオード、ＭＥＭＳエミッターなどが用いられる。これらの光源は、後述の波長制限手段と組み合わせることにより、放射方向により異なる放射スペクトルを実現することもできる。発光素子は、半導体の発光再結合を利用した発光素子であってよい。また共振型発光ダイオード、垂直共振器型面発光レーザーは、内部に共振器を有し、放射方向により異なる放射スペクトルを有する発光をし得るため、発光素子として好ましい。また同様に、発光領域に微細構造を付加させた発光ダイオード、ＭＥＭＳエミッターなどは、発光面となす方向により、異なる放射スペクトルを有する発光をし得るため、好ましい。また発光素子は、その少なくとも一部をモールド樹脂に封止されていてよい。発光素子が「放射方向により異なる放射スペクトルを有する」とは、例えば発光素子の放射スペクトルが、放射面に垂直な方向に対して、ある中心波長の周辺で略ガウス分布を示す場合に、垂直方向から角度を大きくするにつれて、その中心波長が例えば短波長側にシフトしてゆく場合を含む。その時、ガウス分布の半値幅が広くなり又は強度が低下しても構わない。発光素子の放射方向に応じて、主要な波長成分が変わることで、それぞれの放射方向の光を受光する複数の受光素子に到達する光の主要な波長成分が変わる。これにより、例えば光路中に存在する気体分子による光吸収量を示す検出信号の減衰の程度は、複数の受光素子の間で異なる、つまり、気体濃度に対して感度の異なる信号を得ることができるため、これら複数の受光素子から得られる信号を比較することで、光路中の気体分子の濃度を算出することが可能となる。

発光素子は、複数設けられてよい。発光素子を複数備えることにより、単一の光源の場合に比して、より多くの波長に対して、信号を得ることができる。従って、デバイスの特性変動の影響、干渉ガスの影響をさらに抑制することができる。また、異なる種類のガス濃度を同時に測定することが可能となる。

＜受光素子＞
受光素子は、光路中の異なる位置に配置され、発光素子から放射された、異なる放射スペクトルを有する光を検知する。受光素子は複数設けられる。二酸化炭素又は炭化水素を検知するガスセンサの例においては、例えば２つの受光素子が用いられる。受光素子の数を増やすことで、デバイスの特性変動の影響、干渉ガスの影響をさらに抑制することができる。また、異なる種類のガス濃度を同時に測定することが可能となる。

受光素子としては、例えばフォトダイオード、フォトコンダクタ、サーモパイル、焦電センサなどを用いることができる。また受光素子は、上記のように発光素子が複数設けられる場合において、複数の発光素子から放射された、異なる放射スペクトルを有する光を検知してよい。複数の波長帯の光を検知し、比較することによって、デバイスの特性変動及び干渉ガスの影響を抑制すること又は異なる種類のガス濃度を同時に測定することが可能となる。

複数の受光素子は、同一の基板上に形成することができる。基板は、プリント基板であってよいし、セラミック基板であってよい。個別にパッケージされた受光素子が複数、基板上に実装されてよい。また、複数の受光素子チップが基板に実装されてパッケージ化された構造としてよい。

また複数の受光素子は、同一の半導体基板上に形成することができる。複数の受光素子が、半導体基板上に形成された半導体素子であってよい。半導体基板上に、同一のプロセスで受光素子を複数、作り込むことによって、特性のそろった受光素子が形成され、当該複数素子の信号を比較する際の変動要因、ずれの要因が少なくなるため、好ましい。検出する光は、受光素子に直接入射してよいし、半導体基板を透過して、受光素子に入射してよい。この場合、半導体基板は透過させる光に対して、透明な基板が好ましい。中赤外の光を透過する基板として、例えばＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ基板を用いることができる。複数の受光素子は、モールド樹脂部によって、少なくとも一部を封止されてよい。このとき、複数の受光素子は、平面視で見て、モールド樹脂部に対して対称に配置されていてよい。対称に配置されることで、複数の受光素子とモールド樹脂との物性の違いから生じる特性の変動に対し、複数の受光素子が同じようにふるまうため、特性変動の影響を補償することが容易となる。例えば、複数の受光素子のうち、検出対象が吸収する波長帯の光を検出した受光素子の出す信号をメイン信号、検出対象が吸収しない波長帯の光を検出した受光素子の出す信号をリファレンス信号とすることができる。メイン信号は、温度変化及び湿度変化に伴う信号強度の変化に加えて、検出対象による光量の減衰を受ける。これに対し、リファレンス信号は温度変化及び湿度変化に伴う信号強度の変化を受ける。従って、この２つの信号を比較することで、検出対象の濃度を正確に算出することができる。ここでメイン信号とリファレンス信号を得るための光の波長としては、検出対象による光吸収の程度が異なっていればよく、光吸収の程度の差が大きいほど、変動の抑制が容易となるのでより良い。また検出対象が複数ある場合に、複数の受光素子は、それぞれ異なる波長の光を検出することができる。複数の検出対象は、それぞれの波長により、異なる吸収を示すことから、これら複数の受光素子から得られる複数の信号を、多変量解析により分析することで、複数の検出対象の濃度を算出することができる。

＜光路＞
光路は、発光素子から放射された、異なる放射方向の光が、異なる複数の位置に到達して構成される。例えば、光路は、光学素子（導光部材）である反射ミラーを複数設け、異なる方向に放射された光を、異なる位置に反射させたものも含まれる。光学素子は、放物面、楕円面、平面形状などを組み合わせた反射ミラーを含むことが好ましい。ミラーに入射した光を集光させて受光素子に到達させることができるためである。光路の途中に、レンズ、回折格子などの他の光学素子が挿入されてよい。また反射ミラーなどを介在させず、発光素子からの放射方向の異なる光路が存在し、異なる光路上の位置に複数の受光素子を配置する場合も、本実施形態の光路に含まれる。つまり、光路は、光学素子を用いて構成されてよいし、光学素子を介在させずに構成されてよい。また光学式物理量測定装置を構成する筐体の一部に反射率の高いミラーが形成されてよい。また複数の受光素子に到達させたくない波長の光（不要な光）が、複数の受光素子に到達しないように、光路の一部に空隙が設けられる又は反射率の低い材料が形成される構成であってよい。

また、光路は、２つの発光素子の両方から放射された光を、同じ位置に到達させてよい２つの発光素子両方からの光を、同じ受光素子に受光させることで、受発光素子のペアの数を削減し、小型でありながら高精度の光学式物理量測定装置を提供することが可能となる。

＜波長制限手段＞
波長制限手段としては様々な方法を用いることができる。例えば、誘電体多層膜を用いた光干渉フィルタ、例えばバンドパスフィルタは、入射角度に対して、その透過スペクトルが変化する。一般に、垂直入射の場合に対し、斜め入射の光の透過波長帯は短波長側にシフトする。従って、放射方向に対するスペクトルの変化がない光源、例えば、通常のランプ光源又は発光ダイオード光源に対し、バンドパスフィルタを設け、当該バンドパスフィルタを透過した光を利用することで、異なる方向に放射された光に対し、異なる放射スペクトルを付与することができる。また、波長制限手段として、回折格子又は微細構造を用いたメタマテリアルを用いることができる。これらの波長制限手段を用いることにより、１つの光源から、放射方向により、放射スペクトルの異なる複数の光を取り出すことが可能となる。

発光素子が波長制限手段を備える場合に、光学式物理量測定装置は、発光素子から放射された光のうち、波長制限手段を透過した光を利用する。発光素子の発する光は、発光点から放射状に発散するため、波長制限手段を発光素子に近接して設けることで、波長制限手段をより小さくできるため好ましい。ここで、近接して、とは、発光素子と波長制限手段が接続部を介して接続されており、発光素子として一体的に機能することを意味する。具体的には、例えば缶パッケージ又はセラミックパッケージに収められた発光素子において、出射の窓材として、バンドパスフィルタを用いる場合が該当する。また、モールド樹脂に封止された発光素子において、バンドパスフィルタを収めた構造体が接着される場合が含まれる。

また、波長制限手段を発光素子に物理的に接触させることで、より小型化又は低コスト化を図ることができるため、好ましい。一例として、発光素子が発光ダイオードである場合において、その発光面に対し、スパッタ法又は蒸着法による誘電体多層膜の成膜又は微細加工を施すことにより、波長制限手段を直接形成することにより実現される。半導体基板上に半導体薄膜からなる発光ダイオードが形成される発光素子においては、デバイス面側から光を取り出す場合には、デバイス面側に直接、波長制限手段が形成され、基板側から光を取り出す場合には、基板上に直接、波長制限手段を形成することができる。

また、波長制限手段として、誘電体多層膜からなる光干渉フィルタを用いる場合、誘電体材料により、その透過波長の入射角依存性を制御することができる。本開示の目的からは、角度依存性が大きくなる材料が望ましく、したがって屈折率の低い材料を用いることが好まれる。例えばＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３のような酸化物材料及びＳｉＮなどの窒化物材料は、赤外波長域において屈折率が２．５未満である。そのため、一般に広く用いられるＧｅ（屈折率は４．０）に対し、入射角度依存性を大きくすることができる。ここで屈折率は、使用する光の波長域における屈折率をいう。

＜モールド樹脂部＞
モールド樹脂部は、複数の受光素子の少なくとも一部を封止する。モールド樹脂による封止技術は、小型で、低コストの電子部品、光学部品を製造する技術として用いられる。受光素子は、モールド樹脂部により封止されることで、受光素子とモールド樹脂部との線膨張率、吸湿率などの違いから、熱応力、吸湿応力の影響を受ける。しかしながら、複数の受光素子から得られる複数の信号を比較することにより、変動の影響を補償することができる。

複数の受光素子は、１つのモールド樹脂部によって封止されてよい。また同一の半導体基板上に形成された複数の受光素子が、１つのモールド樹脂部によって封止されてよい。更にモールド樹脂部の中に配置する、複数の受光素子の位置を、平面視で対称な配置とすることが好ましい。複数の受光素子の受けるモールド樹脂部からの影響を等しくでき、受光素子の特性変動の影響を容易に補償することが可能になるためである。

モールド樹脂部の材料としては、例えばエポキシ樹脂又はフェノール樹脂などが用いられてよい。また、モールド樹脂部は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などのフィラー材料を含んでよい。更にモールド樹脂部と複数の受光素子の間に、ポリイミド、シリコーン樹脂などの応力緩和層が含まれてよい。

＜第二の波長制限手段＞
受光素子は第二の波長制限手段を備えてよい。第二の波長制限手段は、発光素子が備える波長制限手段（第一の波長制限手段）と同じでよいし、異なってよい。複数の受光素子の持つ波長制限手段は、受光素子毎に同じでよいし、異なってよい。受光素子は、発光素子の放射方向に応じた、異なる放射スペクトルの光を受光するが、第二の波長制限手段を更に備えることで、より波長選択性が高まり、光学式物理量測定装置としての性能が向上する。このとき、受光素子に到達する光は、発光素子が備える波長制限手段により、既に波長選択されている。そのため、第二の波長制限手段に対する仕様は緩和することができる。例えば第二の波長制限手段としては、阻止帯域の設計を省略し、透過帯域のみを設計したバンドパスフィルタを用いることができる。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態が説明される。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。各図において、説明の便宜上、各構成の縦横の比率を実際の比率から誇張して示すことがある。

［第１実施形態］
図１は、本開示の第１実施形態に係る光学式物理量測定装置１を説明するための構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る光学式物理量測定装置１は、発光素子Ｌと、２つの受光素子Ｓと、光路４を備えている。ここで、図１以降の図面を参照した説明において、２つの受光素子Ｓを区別する場合に、それぞれを受光素子Ｓｍ、受光素子Ｓｒと説明することがある。また、複数の光路４を区別する場合に、それぞれを光路４Ａ、光路４Ｂなどと説明することがある。また、発光素子Ｌを、後述する別の発光素子Ｌ２と区別する場合に、発光素子Ｌ１と説明することがある。図中の上方に描かれた曲線は、異なる放射方向の光を異なる位置に到達させる光学素子である、反射ミラーの例を示す。図中の実線、破線と異なる方向に放射された光で、２つの受光素子に到達させたくない光については、例えば反射ミラーに部分的に空隙を設ける、反射率を下げる又は２つの受光素子と異なる位置に到達させるように、光路を設計することが好ましい。

発光素子Ｌからある方向に放射された光は、光路４Ａにより、１つの受光素子Ｓｍに導かれる。発光素子Ｌから別の方向に放射された光は、光路４Ｂにより、別の受光素子Ｓｒに導かれる。受光素子Ｓｍの検出する信号を「メイン信号（Ｓｍ）」、受光素子Ｓｒの検出する信号を「リファレンス信号（Ｓｒ）」とすることができる。

［第２実施形態］
図２は、本開示の第２実施形態に係る光学式物理量測定装置１を説明するための構成図である。図２に示すように、本実施形態に係る光学式物理量測定装置１は、発光素子Ｌと、２つの受光素子Ｓと、光路４を備えている。発光素子Ｌからある方向に放射された光は、光路４Ａにより、１つの受光素子Ｓｍに導かれる。発光素子Ｌから別の方向に放射された光は、光路４Ｂにより、別の受光素子Ｓｒに導かれる。また２つの受光素子Ｓは、同一の基板５の上に形成されている。

［第３実施形態］
図３は、本開示の第３実施形態に係る光学式物理量測定装置１を説明するための構成図である。図３に示すように、本実施形態に係る光学式物理量測定装置１は、発光素子Ｌと、２つの受光素子Ｓと、光路４を備えている。発光素子Ｌからある方向に放射された光は、光路４Ａにより、１つの受光素子Ｓｍに導かれる。発光素子Ｌから別の方向に放射された光は、光路４Ｂにより、別の受光素子Ｓｒに導かれる。また２つの受光素子Ｓは、半導体基板である基板５の上に形成され、モールド樹脂部６により、一部が封止されている。基板５が光路４により導かれた光に対し透明であるため、受光素子Ｓは基板５を透過した光を受光する。

［第４実施形態］
図４は、本開示の第４実施形態に係る光学式物理量測定装置１を説明するための構成図である。図４に示すように、本実施形態に係る光学式物理量測定装置１は、２つの発光素子Ｌと、２つの受光素子Ｓと、光路４を備えている。１つ目の発光素子Ｌ１からある方向に放射された光は、光路４Ａにより、１つの受光素子Ｓｍに導かれる。１つ目の発光素子Ｌ１から別の方向に放射された光は、光路４Ｂにより、別の受光素子Ｓｒに導かれる。２つ目の発光素子Ｌ２からある方向に放射された光は、光路４Ｃにより、受光素子Ｓｍに導かれる。２つ目の発光素子Ｌ２から別の方向に放射された光は、光路４Ｄにより、受光素子Ｓｒに導かれる。つまり、２つ目の発光素子Ｌ２からの光は、その放射方向に応じて、それぞれ２つの受光素子Ｓに導かれる。したがって、複数の受光素子Ｓは、２つの発光素子Ｌの両方から放射された光が到達する位置に配置されている。２つの受光素子Ｓは、半導体基板である基板５の上に形成され、モールド樹脂部６により、一部が封止されている。基板５が光路により導かれた光に対し透明であるため、受光素子Ｓは基板５を透過した光を受光する。例えば、１つ目の発光素子Ｌ１からは、光路４Ａ及び４Ｂを介して２つの受光素子Ｓに波長が４．３μｍ及び４．０μｍの光を到達させ、２つ目の発光素子Ｌ２からは、光路４Ｃ及び４Ｄを介して２つの受光素子Ｓに波長が３．３μｍ及び３．８μｍの光を到達させることができる。ここで、４．０μｍの光及び３．８μｍの光は、二酸化炭素及び炭化水素の吸収が極めて小さい３．９μｍ付近の光に対応する。１つ目の発光素子Ｌ１と２つ目の発光素子Ｌ２を交互に駆動させ、２つの受光素子Ｓから信号を取り出し、比較することで、４．３μｍの光に吸収を示す二酸化炭素と、３．３μｍの光に吸収を示す炭化水素の濃度を算出することができる。

［第５実施形態］
図５は、本開示の第５実施形態に係る光学式物理量測定装置１において、発光素子Ｌの構成を説明する構成図である。図５に示すように、発光素子Ｌは波長制限手段Ｆを備えている。波長制限手段Ｆは、入射角度により、異なる透過スペクトルを有する。放射方向によって放射スペクトルが変わらない、ランプ光源、発光ダイオード光源などの光源に対し、その上部に波長制限手段Ｆを設けることにより、放射方向により異なる放射スペクトルを付与することができる。つまり、波長制限手段Ｆを付加することによって、全体として、放射方向により異なる放射スペクトルを有する発光素子Ｌを実現することができる。

［第６実施形態］
図６は、本開示の第６実施形態に係る光学式物理量測定装置１の構成、動作原理を示す。図６の左図は、第６実施形態に係る光学式物理量測定装置１を説明するための構成図である。また図６の右図は、受光素子Ｓｍ及びＳｒの分光感度の模式図を示す。第６実施形態に係る光学式物理量測定装置１においては、発光素子Ｌ、２つの受光素子Ｓｍ及びＳｒ並びに光路４Ａ及び４Ｂを備える。２つの受光素子Ｓｍ及びＳｒは、同じ半導体基板上に形成されており、同一の材料及びプロセスにより作製されている。発光素子Ｌは波長制限手段Ｆを備え、放射方向により異なる波長の光を放射する。図６の例では４．３μｍと４．０μｍの光である。光路４Ａは、波長が４．３μｍの光を受光素子Ｓｍに到達させる。光路４Ｂは、波長が４．０μｍの光を受光素子Ｓｒに到達させる。図６の右図に示すように、受光素子Ｓｍは波長が４．３μｍの光を検出し、メイン信号（Ｓｍ）を得る。受光素子Ｓｒは波長が４．０μｍの光を検出し、リファレンス信号（Ｓｒ）を得る。

（実施例１）
実施例１は、第６実施形態において、発光素子Ｌ、２つの受光素子Ｓｍ及びＳｒとしてＧａＡｓ基板上に形成されたＡｌＩｎＳｂからなる発光ダイオード及びフォトダイオードを用いた。図７は、比較例の構成図及び動作原理を示す。図７の左図は、比較例における光学式物理量測定装置１を説明するための構成図である。また図７の右図は、比較例における、受光素子Ｓｍ及びＳｒの分光感度の模式図を示す。比較例に係る光学式物理量測定装置１においては、発光素子Ｌ、２つの受光素子Ｓｍ及びＳｒ及び光路４を備える。受光素子Ｓｍは波長制限手段Ｆを備え、特定の波長の光のみを透過する。図７の例では、波長４．３μｍの光のみが透過する。図７の右図に示すように、受光素子Ｓｍは４．３μｍの光を検出し、メイン信号（Ｓｍ）を得る。また発光素子Ｌと同一の半導体基板上に形成された、受光素子Ｓｒは、発光素子Ｌと受光素子Ｓｒのスペクトルで決まる、すべての波長の光を検出し、リファレンス信号（Ｓｒ）を得る。比較例における発光素子Ｌ、２つの受光素子Ｓｍ及びＳｒは、ＧａＡｓ基板上に形成されたＡｌＩｎＳｂからなる発光ダイオード及びフォトダイオードが用いられた。

図８は、ＡｌＩｎＳｂの発光ダイオードからなる発光素子Ｌの発光スペクトルの温度依存性を示す。温度を上昇させると、発光強度が低下すると共に、発光の長波長側の端部が更に長波長側にシフトし、発光スペクトルの形状が変化する。図９は、ＡｌＩｎＳｂのフォトダイオードからなる受光素子Ｓの分光感度スペクトルの温度依存性を示す。温度を上昇させると、分光感度が低下すると共に、分光感度の長波長側の端部が更に長波長側にシフトし、分光感度スペクトルの形状が変化する。

図１０は、実施例及び比較例における、信号比つまりメイン信号（Ｓｍ）／リファレンス信号（Ｓｒ）の温度依存性を示す。実施例１において、メイン信号（Ｓｍ）は、波長４．３μｍの光における発光素子Ｌの発光強度と、受光素子Ｓｍの受光感度の積に依存して決まる値となる。またリファレンス信号（Ｓｒ）は、波長４．０μｍの光における発光素子Ｌの発光強度と、受光素子Ｓｒの受光感度の積に依存して決まる値となる。

比較例において、メイン信号（Ｓｍ）は、実施例と同様に、波長４．３μｍにおける発光素子Ｌの発光強度と、受光素子Ｓｍの受光感度の積に依存して決まる値となる。一方でリファレンス信号（Ｓｒ）は、各波長における発光素子Ｌの発光強度と、受光素子Ｓｒの受光感度の積を、全波長で積分することで得られる。比較例においては、温度を１０℃から５０℃に上げることで、＋１０％から－７０％近い信号比の変動が見られた。一方で、実施例１においては、同じ温度範囲において、±５％以下の変動に抑制されていることがわかる。温度依存性による変動が抑制されたことで、信号の温度依存性の補償が容易となり、例えばガスセンサにおいて、高精度のガス濃度の検出が可能となる。

また、例えば光路の汚れ、異物などによって、光路における光の減衰が存在する場合に、比較例では、メイン信号（Ｓｍ）を生成する光のみが光路４を透過する。そのため、信号比が変動し、物理量算出における誤差要因となる。一方で、実施例１は、メイン信号（Ｓｍ）及びリファレンス信号（Ｓｒ）を生成する光の双方が光路４を透過するため、ほぼ同じように光が減衰する。そのため、信号比は、変動が抑制されて、物理量算出時の誤差が小さくなる。

（実施例２）
図１１は、第５実施形態における、発光素子Ｌの放射スペクトルの放射角度依存性の例を示す。第５実施形態において、発光素子ＬとしてＡｌＩｎＳｂからなる発光ダイオード、波長制限手段Ｆとして３．３μｍ帯の光を透過させるバンドパスフィルタが用いられた。発光ダイオードは０．７ｍｍ角の放射面を有する。バンドパスフィルタは１．１ｍｍ角の入射面及び透過面を有する。バンドパスフィルタは、発光素子Ｌから０．５ｍｍ離れた位置に、近接して配置された。これにより放射方向により異なる放射スペクトルを付与することができる。発光面に対して垂直に放射された光は概ね３．３μｍ付近を中心波長とする放射スペクトルを有し、例えばメタンをはじめとする炭化水素ガスの吸収波長帯との重なりが大きい。これに対し、垂直方向から４０度傾いた方向に放射される光は、３．１５μｍ付近に中心波長を有することから、炭化水素ガスの吸収波長帯との重なりが小さくなる。従って、０度付近と４０度付近の光を、２つの受光素子Ｓに到達させることで、炭化水素ガス濃度に対する感度の異なる２つの信号を得ることができる。

以上のように、上記の実施形態に係る光学式物理量測定装置１は、小型でありながら高精度に物理量を測定できる。

本開示の実施形態及び実施例について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

上記の信号比の算出を含むガス濃度測定に関する演算は、例えば演算部で実行される。光学式物理量測定装置１は、演算部を含む構成であってよいし、演算部を含まない構成であってよい。演算部はプロセッサを備えるＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などで構成されてよいし、コンピュータなどで構成されてよい。演算部は受光素子Ｓから信号を取得する。また、演算部はさらに制御機能を有し、例えば発光素子Ｌの発光を制御してよい。演算部がＩＣである場合に、基板５に実装されてよい。

１ 光学式物理量測定装置
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ 光路
５ 基板
６ モールド樹脂部
Ｆ 波長制限手段
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２ 発光素子
Ｓ、Ｓｍ、Ｓｒ 受光素子

Claims (18)

1. 発光素子と、複数の受光素子と、を備え、
   前記発光素子が放射方向により異なる放射スペクトルを有し、
   前記発光素子からの異なる前記放射方向への光が異なる複数の位置に到達する光路が形成されて、前記複数の位置ごとに前記複数の受光素子が配置されている、光学式物理量測定装置。
2. 前記複数の受光素子が、同一の基板の上に形成される、請求項１に記載の光学式物理量測定装置。
3. 前記基板が半導体基板であり、前記複数の受光素子が、前記半導体基板上に形成された半導体素子である、請求項２に記載の光学式物理量測定装置。
4. 前記複数の受光素子の少なくとも一部を封止するモールド樹脂部を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学式物理量測定装置。
5. 前記複数の受光素子が、平面視で見て、前記モールド樹脂部に対し、対称に配置されている、請求項４に記載の光学式物理量測定装置。
6. 前記発光素子が、波長制限手段を備え、前記波長制限手段の透過波長の入射角度依存性により、前記発光素子は前記放射方向により前記異なる放射スペクトルを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学式物理量測定装置。
7. 前記波長制限手段が誘電体多層膜を用いた光干渉フィルタである、請求項６に記載の光学式物理量測定装置。
8. 前記誘電体多層膜が、屈折率２．５未満の材料から構成される、請求項７に記載の光学式物理量測定装置。
9. 前記波長制限手段が回折格子である、請求項６に記載の光学式物理量測定装置。
10. 前記波長制限手段がメタマテリアルである、請求項６に記載の光学式物理量測定装置。
11. 前記波長制限手段が、前記発光素子に近接して設けられている、請求項６から１０のいずれか一項に記載の光学式物理量測定装置。
12. 前記波長制限手段が、前記発光素子と物理的に接触している、請求項６から１１のいずれか一項に記載の光学式物理量測定装置。
13. 前記発光素子の発光領域が微細構造を備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学式物理量測定装置。
14. 前記発光素子が、半導体の発光再結合を利用した発光素子である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光学式物理量測定装置。
15. 前記発光素子が、共振型発光ダイオード又は垂直共振器型面発光レーザーである、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光学式物理量測定装置。
16. 前記発光素子及び前記複数の受光素子の受発光波長が１～１２μｍであり、前記光路中に存在する気体分子による光吸収量に基づいて気体濃度を算出する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の光学式物理量測定装置。
17. 発光素子を複数備え、前記複数の受光素子の少なくとも１つは、２つの前記発光素子の両方から放射された光が到達する位置に配置される、請求項１から１６のいずれか一項に記載の光学式物理量測定装置。
18. 前記複数の受光素子の少なくとも１つが、第二の波長制限手段を備える、請求項１から１７のいずれか一項に記載の光学式物理量測定装置。

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