JP3233336B2 - エシェルスペクトロメータ用光学検出器 - Google Patents

エシェルスペクトロメータ用光学検出器

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JP3233336B2 JP15923896A JP15923896A JP3233336B2 JP 3233336 B2 JP3233336 B2 JP 3233336B2 JP 15923896 A JP15923896 A JP 15923896A JP 15923896 A JP15923896 A JP 15923896A JP 3233336 B2 JP3233336 B2 JP 3233336B2
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spectrometer
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echelle
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector

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  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明はエシェルスペクト
ロメータ内で使用される検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】原子分光学は，原子放出，原子吸収及び
原子蛍光などの広範囲にわたって応用されている。特
に，エシェル格子が所望の放射線を分散させるのに使用
されるところのエシェル多様体のスペクトロメータは，
従来の高罫線密度の回折格子を使用するスペクトロメー
タと比べ，解像度及び設計に関し優れた特徴を有するこ
とが証明された。エシェルスペクトロメータにおいて，
スペクトル線のより良い解像度は，回折オーダーが増加
すると解像度も増加するという事実から導かれる。例え
ば，20〜90のオーダーを使用すると，1〜3のオーダーを
使用する時より優れた解像度がもたらされる。また，ス
ペクトロメータの物理的サイズもエシェル回折格子を使
用することで縮小できる。
【０００３】エシェル格子を使用する際，さまざまな回
折オーダーは通常お互いの上に横たわる。通常，格子に
よる回折後にオーダーを分離するためにプリズムが使用
され，２次元パターンがスペクトロメータの焦点面に形
成される。その時，検出器はスペクトル線を検出するた
めの感応部品を有する２次元面から成る。
【０００４】さまざまなタイプの光学的半導体デバイス
が，分析スペクトロメータのさまざまな形状の焦点面上
に存在する光子信号を集めかつ検出するのに使用されて
きた。線形及び領域アレイの発光ダイオード，電荷結合
デバイス，電荷放出デバイス，及びプラズマ結合デバイ
スなどが，エシェル格子スペクトロメータと同様に従来
の回折格子スペクトロメータからの光学信号を検索する
ために使用されてきた。
【０００５】エシェルスペクトロメータ内の２次元回折
パターンを検出するのに採用された電荷結合デバイスの
一例として，1000行×1000列の画素すなわち全部で1,00
0,000画素のX-Yグリッド検出器が，スペクトル線を検出
するべく焦点面に設置される。この配置の利点は，背景
ノイズを含むスペクトロメータのほぼ全信号が検出可能
であることである。この種の検出器の欠点は，検出情報
と検出器アレイとの間の不一致，一部のスペクトルの損
失，及び不必要に長い読取り時間などである。与えられ
た回折角で連続的な波長カバレッジのための２次元回折
パターンは，矩形よりもくさび石パターンにより形成さ
れる。ひとつまたはそれ以上のX-Yグリッド検出器の使
用により，検出器と回折パターンとの間の形状の不一致
が生じる。検出器のアンダーフィリング／オーバーフィ
リングと一部の回折スペクトルの損失とは，トレードオ
フの関係にある。さらに，すべての画素がX-Yグリッド
内で読まれるため，ほとんどの画素が有用な情報を有し
ないときでも，読取り時間は長い。
【０００６】固体検出器の他のタイプがバーナードによ
り米国特許第4,820,048号で説明されている。実際バー
ナードは，選択スペクトル線のみを受信するために，小
さな線形CCDアレイのセットを背景放射付近に設置し，X
-Yグリッド内のほとんどの画素を除去する。この画素数
の激減により検出のための読取り時間は短縮されるが，
選択ライン位置に放射線が降りてこないと全く検出する
ことができず，X-Yグリッドに比べこの検出器の柔軟性
は低い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって，本発明の
目的は，半導体固体光学デバイスを分析スペクトロメー
タの焦点面内の分析スペクトル信号に一致させるための
より効果的かつ効率的な手段を与えることである。
【０００８】本発明の他の目的は，読取り時間を増加さ
せることなく重ならないスペクトル範囲にわたって，そ
の回折角度で各エシェル回折オーダーの完全な画素カバ
レッジを与えることである。
【０００９】本願発明の他の目的は，エシェル回折スペ
クトロメータの焦点面上でスペクトル信号の方向に正確
にそって配置された感応部品のアレイを有する検出器を
与えることである。
【００１０】本願発明の他の目的は。画素と回折オーダ
ーとの間に正確な追随が存在し，その結果特別に設計さ
れたエシェル格子スペクトロメータにより生成された全
エシェル格子焦点面の連続的なスペクトルカバレッジが
存在するように，画素の湾曲線を有する固体検出器を与
えることである。
【００１１】本願発明の他の目的は，湾曲線の画素を有
する検出器であって，各湾曲線が特定の回折をカバー
し，重ならないスペクトル範囲にわたってそのオーダー
で使用可能な解像エレメントの数に一致するよう選択さ
れた数の画素を有するところの湾曲線の画素を有する検
出器を与えることである。
【００１２】本願発明の他の目的は，湾曲線の画素を有
する検出器であって，各湾曲線が特定の回折オーダーを
カバーし，重ならないスペクトル範囲のそのオーダーの
長さに一致するよう選択された長さを有するところの湾
曲線の画素を有する検出器を与えることである。
【００１３】本願発明の他の目的は，湾曲線の画素を有
する検出器であって，各湾曲線が特定の回折オーダーを
カバーし，そのオーダーで使用可能な解像エレメントの
サイズに一致するよう選択されたサイズの画素を有する
ところの湾曲線の画素を有する検出器を与えることであ
る。
【００１４】本願発明の他の目的は，回折オーダーの方
向に沿った画素のアレイを有する検出器であって，その
線が回折オーダーの角度及び曲率をそのまま追随するよ
うな検出器を与えることである。
【００１５】本願発明の他の目的は，オーダーを横切っ
て連続的にスペクトル情報を受信できるように，回折オ
ーダーの方向に沿って配置された画素を有する検出器を
与えることである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明に係る検出器は，
エシェルスペクトロメータ内で使用するための固体デバ
イスから成る。デバイスは，感応部品が配置されるとこ
ろの面を有する。該感応部品または画素はそれぞれが複
数の画素を有する湾曲線を形成するように配置される。
各湾曲線は，重ならないスペクトル範囲にわたってその
回折角度でスペクトロメータ内のひとつのエシェル回折
オーダーの完全なスペクトルカバレッジを与えるため
に，検出器に設置されている。各湾曲線は，それぞれの
回折オーダーの角度及び曲率をそのオーダーが長さ方向
に沿って変化する際の角度及び曲率に追随させる。この
配置により，与えられた回折オーダーに沿ったすべての
スペクトル情報が受信できるようになる。
【００１７】好適実施例において，検出器は固体デバイ
ス内に形成された読み取り回路を有する。該読み取り回
路は，それぞれが画素の湾曲線の一部に結合した複数の
リード回路と，それぞれが複数の該リード回路に結合し
ている複数の読み取りアンプを含む。
【００１８】本発明に係る検出器は，エシェル回折格子
を有するエシェルスペクトロメータにおいて光学部品と
ともに使用される。エシェル格子及び光学部品は，検出
器が配置されるところの焦点面内に２次元回折パターン
を形成するべく共働する。検出器の画素の湾曲線は，焦
点面内の回折オーダーと一致するように配置される。そ
のように画素線と回折オーダーが一致することにより，
読み取り時間を不当に増大させることなく，各回折オー
ダーに沿ってすべてのスペクトル情報が検出できるよう
になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１は，本発明に係る検出器が使
用されるところのエシェルスペクトロメータの主なコン
ポーネントを示したものである。概して，スペクトロメ
ータ10は，エシェル格子12，プリズムのような横分散エ
レメント14，及び検出器16を含む。反射鏡18及び32のよ
うな付加的な光学エレメントもまた，入射放射線，回折
放射線及び分散放射線を反射しかつ集束させるために含
まれている。同様に，検出器への不所望の放射を遮蔽す
るために，マスク20が分散エレメント14及び検出器16と
の間に使用されている。マスク20の形状はスペクトロメ
ータの焦点面で作成された２次元回折パターンの形状に
対応する。このパターン形状は，以下に詳細に説明され
る。
【００２０】スリット26によりソース22から放射された
電磁場の放射24は，まず反射鏡18で反射されたのち，エ
シェル格子12への入射波となる。回折ビーム28は比較的
高いオーダーを有するが，入射ビーム30と回折ビーム28
との間の角度が従来の格子スペクトロメータにおける同
様の角度に比べ小さいために，回折ビーム内のより高い
オーダーが上にくる。プリズム14はさまざまなオーダー
を分散させるべく使用され，２次元回折パターンが作成
される。反射鏡32はスペクトロメータの所定の焦点面内
で多数のスペクトル線を集束させるのに使用される。本
発明に従う検出器16が焦点面においてスペクトルを遮る
ように配置される。検出器16で検出された信号は以下に
詳細に説明される読み取り装置17において処理される。
【００２１】図２を参照すると，光検出器のアレイ51a,
51b,...51nであって，それぞれが電荷を対応するレジス
タ52a,52b,...52nに転送し，その後対応するリードライ
ン53a,53b,...53nに転送するところのCCDアレイ50が表
されている。リードライン上を伝搬するデータは，対応
するアンプ及びマルチプレクサを通じて，アレイ制御ボ
ード55に向けられる。アレイ制御ボード55は，特にパワ
ー及び制御信号56などのCCDアレイの制御及び動作に必
要な通常の機能を与える。多数のリードライン53a,53
b,...53nが信号を送るような方法及びシーケンスを方向
付けるこれらの制御の性質及び機能は，通常の従来技術
と類似である。その後，データは編成され，データバス
57a，インターフェイスボード59b，及びデータバス57b
を通じて一般的なデジタルプロセッサ60へ接続される。
デジタルプロセッサ60は，アレイ制御ボード55で実行さ
れた操作を送信するためのインターフェイスボード59で
調整された制御信号61を改良する。プロセッサ60はまた
データを表示しかつ所望のデータとして処理するための
表示機能を有する。
【００２２】本発明の検出器を使用する際に有用なエシ
ェル格子は周知の製造技術による石英ガラスから成る。
格子はほぼ45°のブレーズ角でカットされた1mmあたり
約95個の溝を有する。この特定のスペクトロメータにお
いて，所望の波長カバレッジは約165nm〜800nmであり，
回折オーダーは19〜88が利用される。
【００２３】図３は，エシェルスペクトロメータの焦点
面内で作成された２次元回折パターンを示したものであ
る。特定のスペクトロメータによっては，パターン内の
それぞれのオーダーはさまざまなサイズの複数の解像エ
レメントを含む。解像エレメントのサイズはエシェルス
ペクトルを横切る回折オーダーにより変化する。したが
って，パターンの一端付近のオーダーの解像エレメント
のサイズは，パターンの他端付近の回折オーダー内の解
像エレメントより大きい。
【００２４】図３に示されるように，エシェルスペクト
ル内の回折オーダーライン48は歪められている。ライン
48は直線ではなく，お互いに厳密に平行ではない。また
同じ長さの異なるオーダーに対する波長領域も存在しな
い。しかし，周知のように，エシェルスペクトロメータ
の特定のパラメータセットに対し，ラインの位置，サイ
ズ，間隔，及び方向は予測可能である。
【００２５】図４は，本発明の検出器の実施例における
画素52の幾何形状を示したものである。検出器50は，概
して正方形または矩形のシリコン半導体チップ54から成
る。複数の感応部品または画素52は，周知の半導体製造
技術を使ってシリコンチップ内に形成される。感応部品
は，それぞれが検出器上で湾曲線を描くような複数の線
形アレイ56を形成するよう配置される。図３及び４はと
もに，画素アレイ56により検出器上に形成された湾曲線
は，スペクトロメータの焦点面内のエシェル回折オーダ
ー48の射影に一致するように配置されることを示してい
る。画素の各湾曲線は，焦点面内の特定のエシェル回折
オーダー射影に一致する。
【００２６】アレイ56の各湾曲線の角度は，そのアレイ
により検出されるべき特定の回折オーダー48の角度及び
曲率に追随するように方向付けられている。回折オーダ
ー48の角度が長さ方向に沿って変化すると，対応する画
素アレイ56の角度も変化し，それによって回折オーダー
の連続的追随が維持される。検出器上での画素アレイの
この配置により，所望の全長に沿って連続的に回折オー
ダーに追随することが可能となる。すなわち，各画素ア
レイ56が焦点面内の回折オーダー射影48に沿って連続的
に配置されるため，各画素アレイはひとつの重ならない
スペクトル範囲にわたってオーダーを横切るスペクトル
情報を連続して受信できる。
【００２７】図４は画素アレイ56は長さが異なることを
示す。各アレイは，特定のアレイ56に追随される回折オ
ーダー48の長さと一致するかほぼ等しい長さを有するよ
うに設計される。各重ならないスペクトル範囲のオーダ
ーの長さは変化するため，同様に画素アレイの長さも変
化する。また，回折オーダーの長さが増加するに従っ
て，オーダー内の解像エレメントの数も増加する。本発
明の好適実施例において，各画素アレイ56内の画素52の
数は，特定のアレイが追随される回折オーダー内の解像
エレメントの数と対応している。さらに，解像エレメン
トのサイズがオーダーからオーダーへまたはあるオーダ
ーに沿って変化するに従い，各画素のサイズも変化す
る。すなわち，好適実施例において，各画素のサイズは
特定の画素が検出されるべき解像エレメントのサイズに
従って決められる。アレイ内の画素数がそのアレイによ
り検出されるべき特定の回折オーダー内の解像エレメン
トの数と等しくないような実施例においてさえ，画素の
サイズは回折オーダー内の解像エレメントのサイズの変
化に従ってアレイ内で変化され得る。言い換えれば，ア
レイ内の画素数をオーダー内の解像エレメント数に一致
させることにより実現される利点と関わりなく，各アレ
イ内の画素サイズの変化によりある利点が実現される。
例えば，それらのいくつかの利点は，完全なカバレッジ
を維持した状態でコストを削減するべく光感応検出器全
体を小さくするために画素の高さをイメージの高さに一
致させることを含む。また，画素の幅も所望の解像度で
の効果的読み取りを達成するべく最適化される。
【００２８】上記したように，エシェルスペクトロメー
タの設計パラメータのセットに対し，焦点面内の回折オ
ーダー射影の位置，サイズ，間隔及び方向は予測可能で
ある。本願発明の検出器の好適実施例は，エシェルスペ
クトロメータ内に，回折オーダー19〜88に追随するべく
70個のアレイの中にほぼ80,000画素を有する。該アレイ
は以下のように編成されている。
【００２９】
【表１】本願発明の検出器を作成し使用するために必要
ではないが，読み取り回路が検出器チップの一部として
従来技術を使用して作成され得る。読み取り回路の特定
の形状または配置は要求されないが，図５に示されるよ
うな好適実施例において，検出器は同一の半導体チップ
の一部として組み込まれた読み取り回路を有する。70個
のそれぞれの画素アレイは，左側サブアレイ38及び右側
サブアレイ40の２つの部分に分割される。140個のそれ
ぞれのサブアレイはサブアレイ画素を読み取るための回
路42を配置する。読み取り回路は，スペクトル情報が存
在せず画素が配置されないところの画素のアレイ間に配
置される。増幅回路44は各サブアレイの端に配置され，
複数の読み取り回路と接続されている。この配置によ
り，統合時間の変化が許容され，その結果多くの時間が
必要な場合に有用であり，不必要な付加的時間もとらな
い。結果として，信号対ノイズ比が改善されかつ読み取
り時間が減少する。読み取り機構の他の説明は，図２を
参照して前述した。
【００３０】上記した実施例は検出器及び付加回路の作
成のためにシリコン基板の使用を意図しているが，他の
実施例においては異なる半導体材料が使用され得る。本
発明の検出器は，ひとつまたはそれ以上の異なる半導体
材料から成るモノリシック基板において実現可能であ
る。例えば，検出器はシリコンベースの領域とガリウム
-ヒ素ベースの領域を含むことができる。例えば，その
ような検出器は可視部及び赤外線領域の両方が所望の場
合に有効である。可視スペクトルを検知するための検出
器の部分はシリコンから成り，赤外線領域を検知するた
めの検出器の部分はガリウム-ヒ素である。さらに，検
出器は３つまたはそれ以上の材料を含んで形成されるこ
とも可能である。例えば，ガリウム-ヒ素領域は赤外線
スペクトルを検知し，シリコン領域は可視領域を検知
し，白金シリサイド領域は紫外線領域を検知する。これ
らの各実施例は当業者にとって周知の応用である。以上
すべての実施例は本発明を利用して上記すべての利点を
実現することができる。
【００３１】発明は特定の実施例について説明されてき
たが，特許請求の範囲に記載された発明の思想及び態様
から離れることなく，さまざまな変更及び修正が可能で
あることは当業者の知るところである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は，本発明に係る検出器が利用されるエシ
ェルスペクトロメータの主なコンポーネントを図示した
ものである。
【図２】図２は，読み取りデバイスのブロック図であ
る。
【図３】図３は，エシェルスペクトロメータ内で作成さ
れた２次元回折パターンを図示したものである。
【図４】図４は，本発明の検出器の実施例であり，回折
パターンに沿って配置された画素アレイを図示したもの
である。
【図５】図５は，図４の部分拡大図であり，読み取り回
路が画素アレイと接続されるようすを示したものであ
る。
【符号の説明】
12 エシェル格子 14 横分散エレメント 16 検出器 18 反射鏡 20 マスク 22 ソース 24 電磁放射 26 スリット 28 回折ビーム 30 入射ビーム 32 反射鏡
【表１】
【表１】
【表１】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 599065901 3120 Ｈａｎｓｅｎ Ｗａｙ， Ｐａｌ ｏ Ａｌｔｏ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉ ａ， Ｕ． Ｓ． Ａ. (72)発明者 リン・リン・チェン アメリカ合衆国カリフォルニア州サンヨ ゼ、エッジムーア・ウエイ6428 (56)参考文献 特開 昭61−56921（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−42341（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−332835（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−2906（ＪＰ，Ａ) 米国特許4205229（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01J 3/00 - 3/52 G01N 21/00 - 21/61 G02B 6/00 - 6/34 G02B 5/18 ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ) 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】エシェルスペクトロメータ用の固体検出器
    であって、 複数の感応エレメントアレイを形成するよう前記検出器
    の表面上に配置された複数の感応エレメントから成り、 前記複数の感応エレメントアレイは対応する複数の湾曲
    線を前記検出器の表面上に形成し、各前記湾曲線は重な
    らないスペクトル範囲にわたってエシェル回折オーダー
    に連続的に追随するよう該エシェル回折オーダーの射影
    に沿って配置される、ところの検出器。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の検出器であって，前記各
    湾曲線は，当該湾曲線に対応する回折オーダーの表面の
    射影と一致する角度で方向付けされている，ところの検
    出器。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の検出器であって，前記各
    感応エレメントアレイは，重ならないスペクトル範囲に
    わたって当該感応エレメントアレイが追随すべき回折オ
    ーダーの所定の波長範囲とほぼ等しい長さを有する， ところの検出器。
  4. 【請求項４】請求項３に記載の検出器であって，各感応
    エレメントアレイは，当該感応エレメントアレイが追随
    すべき回折オーダー内で有効な解像エレメントの数と同
    数の感応エレメントを有する， ところの検出器。
  5. 【請求項５】請求項４に記載の検出器であって，各感応
    エレメントのサイズは，当該感応エレメントにより検出
    されるべき解像エレメントのサイズに対応している， ところの検出器。
  6. 【請求項６】請求項３に記載の検出器であって，感応エ
    レメントアレイ内に含まれる感応エレメントのサイズは
    感応エレメントアレイが追随する回折オーダー内で有効
    な解像エレメントのサイズに対応している， ところの検出器。
  7. 【請求項７】エシェルスペクトロメータ内で使用するた
    めの固体検出器であって， 複数の画素アレイを表面に配置した半導体チップであっ
    て，該画素アレイはスペクトロメータ内の焦点面におい
    て回折オーダーの射影に沿って連続的に設置され，回折
    オーダーを横切ってスペクトル情報の連続的受信をもた
    らすところの半導体チップと， から成る検出器。
  8. 【請求項８】スペクトロメータであって， 分析すべき電磁放射を受信するためのエシェル格子と， エシェル格子から回折された回折オーダーを分散させる
    ための横分散エレメントであって，エシェル格子及び当
    該横分散エレメントがスペクトロメータの焦点面におい
    て２次元回折パターンを形成するよう共働するところの
    横分散エレメントと， 検出器表面に複数の湾曲線を形成するよう配置された複
    数の画素を含む，焦点面に配置された検出器であって，
    各湾曲線は焦点面で回折オーダーと一致するように配置
    されるところの検出器と， 画素により受信されたスペクトル情報の信号を生成する
    べく複数の画素に接続された回路と， から成るスペクトロメータ。
  9. 【請求項９】請求項８に記載のスペクトロメータであっ
    て，各湾曲線は，当該湾曲線が一致すべき回折オーダー
    の前記表面への射影と一致する角度で方向付けされてい
    る， ところのスペクトロメータ。
  10. 【請求項１０】請求項９に記載のスペクトロメータであ
    って，画素の各アレイは，重ならないスペクトル範囲に
    わたって当該画素アレイが一致すべき回折オーダーの焦
    点面での所定の波長範囲とほぼ等しい長さを有する， ところのスペクトロメータ。
  11. 【請求項１１】請求項１０に記載のスペクトロメータで
    あって，各画素アレイは，当該画素アレイが一致すべき
    回折オーダー内で有効な解像エレメントの数と同数の画
    素数を有する， ところの検出器。
  12. 【請求項１２】請求項１１に記載のスペクトロメータで
    あって，各画素のサイズは，当該画素により検出される
    べき解像エレメントのサイズに対応している， ところのスペクトロメータ。
  13. 【請求項１３】請求項８に記載のスペクトロメータであ
    って，さらに前記横分散エレメントと検出器との間に配
    置され，２次元回折パターン形状に対応する形状を有す
    るところのマスクと， から成るスペクトロメータ。
  14. 【請求項１４】エシェルスペクトロメータ用の固体検出
    器であって， 第１の材料から成り，対応する第１の複数の湾曲線を検
    出器表面に形成する第１の複数の感応エレメントアレイ
    を有する第１領域であって，該湾曲線は重ならないスペ
    クトル範囲の第１部分にわたって連続的にエシェル回折
    オーダーに追随するように重ならないスペクトル範囲の
    第１部分のエシェル回折オーダーの射影に沿って配置さ
    れるところの第１領域と， 第２の材料から成り，検出器表面に第２の複数の湾曲線
    を有する第２領域であって，該第２の複数の湾曲線は重
    ならないスペクトル範囲の第２部分にわたって連続的に
    エシャル回折オーダーに追随するようエシェル回折オー
    ダーの射影に沿って配置されるところの第２領域と， から成り， 前記第１及び第２材料は波長の検出を最適化するべく選
    択され，その結果それぞれスペクトルの第１及び第２の
    部分内で検出される， ところの検出器。
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