JP4358403B2

JP4358403B2 - 光検出装置

Info

Publication number: JP4358403B2
Application number: JP2000088130A
Authority: JP
Inventors: 真工藤; 二三男成沢; 知行丸山
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2020-03-28
Also published as: JP2001272269A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホトダイオードを用いて微弱な光を検出する光検出装置に関し、詳しくは、大気中の水滴や塵の測定などの環境測定、各種工業分野におけるガスや微量物質の分析、および医療診断などに応用可能な光検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の光検出装置として、出願人は、図２に示す光検出装置４１を既に開発している。この光検出装置４１は、アバランシェホトダイオード４を光検出素子として用いて微弱な近赤外域光を検出可能に構成されている。具体的には、光検出装置４１は、断熱壁で囲われた断熱室２を備えている。また、断熱室２内には台座３が配設され、その台座３には、入射光を検出するアバランシェホトダイオード４と、台座３の温度を検出する温度センサ５とが取り付けられている。また、光検出装置４１は、台座３を冷却する冷却機１１と、冷却機１１用の駆動電源を生成する駆動電源１２と、温度センサ５のセンサ信号に基づいてアバランシェホトダイオード４の冷却温度を近似的に検出して駆動電源１２の出力電力を調整する温度調節器１３と、断熱室２内の内気を排出して真空に維持する排気装置１４と、アバランシェホトダイオード４のバイアス電圧を生成する直流電圧源１５と、アバランシェホトダイオード４の検出信号に基づいてアバランシェホトダイオード４に入射される信号光の入射量を検出する検出部４２とを備えている。
【０００３】
また、断熱室２には、ケーブル導入用の導入用端子１８，１８・・および挿通孔１９が設けられており、アバランシェホトダイオード４に信号光を入射する光ファイバーケーブル３１が挿通孔１９を挿通させられた状態で、一端部および他端部が外部の集光光学系およびアバランシェホトダイオード４にそれぞれ接続されている。また、アバランシェホトダイオード４にバイアス電圧を供給するバイアス電圧供給用のケーブル３２、アバランシェホトダイオード４の検出信号を検出部４２に出力する信号出力用のケーブル３３、および温度センサ５のセンサ信号を温度調節器１３に出力するセンサ信号出力用のケーブル３４の各々の一端部および他端部は、導入用端子１８，１８・・を介して各部間にそれぞれ接続されている。
【０００４】
この光検出装置４１では、冷却機１１が台座３を設定温度（例えば−１５０℃）に冷却してアバランシェホトダイオード４をその設定温度に冷却すると共に直流電圧源１５がアバランシェホトダイオード４のバイアス電圧を所定電圧に維持する。また、温度調節器１３が、温度センサ５のセンサ信号に基づいて、台座３の冷却温度が設定温度となるように駆動電源１２を制御して冷却機１１を駆動する。この状態において、アバランシェホトダイオード４に信号光を入射することにより、検出部４２が、アバランシェホトダイオード４の検出信号に基づいて信号光の入射量を検出する。
【０００５】
この場合、アバランシェホトダイオード４は、温度変化に非常に敏感な特性を有している。一方、アバランシェホトダイオード４の冷却温度と断熱室２の外気温度との間には、百数十℃の温度差が生じる。したがって、ケーブル３１〜３４を介して、断熱室２の外部から台座３に熱が流入し、その熱流入に起因して、アバランシェホトダイオード４の内部温度が変動するおそれがある。このため、この光検出装置４１では、いわゆる熱アンカー方式が採用されている。つまり、各ケーブル３１〜３４の中間部を接着剤などで台座３に接着させて熱的に接触させることによって設定温度に維持している。この結果、冷却機１１によって台座３を設定温度に冷却することにより、ケーブル３１〜３４を介してアバランシェホトダイオード４に流入する熱量が最小かつほぼ一定となるため、アバランシェホトダイオード４の冷却温度を一定に維持することが可能となっている。
【０００６】
また、この光検出装置４１では、断熱室２の外部から台座３に流入する熱量を低減するために、以下の方式が採用されている。まず、接続ケーブル３１〜３４として、径が極力細い導体を必要最小限の本数だけ用いることにより、熱が流入する導体の断面積を最小化し、かつ、その長さをある程度長くする。さらに、接続ケーブル３２〜３４として、その全部または中間の一部に例えばステンレスなどの低熱伝導率の素材を用いる。これにより、接続ケーブル３１〜３４の熱抵抗が増大する結果、アバランシェホトダイオード４の温度変化が最小となるように工夫されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この光検出装置４１には、以下の改善すべき点がある。すなわち、アバランシェホトダイオード４は、冷却温度の１／１００℃単位での変化に対して、その検出特性が非常に敏感に変化する。このため、たとえ、熱アンカー方式などを採用したとしても、断熱室２の外気温度が変動する場合には、接続ケーブル３１〜３４を介して台座３に流入する熱量も変動する。したがって、台座３を冷却機１１で一定温度に冷却しようとしても、冷却機１１が台座３への熱流入量の変動に迅速に追従して冷却するのが困難のため、台座３の冷却温度は、熱流入量の変動に起因して微妙に変動する。このため、台座３の冷却温度の変動に起因して、アバランシェホトダイオード４の検出特性が変化する結果、光検出装置４１には、光検出精度が低下するおそれがあり、この点を改善すべきとの要請がある。
【０００８】
一方、高い冷却能力を有する冷却機で断熱室２全体を一定温度に冷却することにより、アバランシェホトダイオード４の冷却温度を一定温度に維持するのは可能である。しかし、かかる場合には、冷却機自体のコストが大幅に上昇し、かつ大型化する結果、それに応じて、光検出装置が、高価になると共に小型化の要請に反して大型化するという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、かかる改善すべき点に鑑みてなされたものであり、装置の大幅なコストアップを招くことなく、熱流入に起因して生じる光検出精度の低下を防止可能な光検出装置を提供することを主目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１記載の光検出装置は、断熱室内に設置され冷却機によって所定温度に冷却される台座と、台座に載置されて入射光を検出するホトダイオードと、一端部が外部装置に接続されると共に他端部がホトダイオードに接続され、かつ一端部および他端部の間の中間部位が台座に接触させられる接続用導体とを備え、恒温手段は、一面が断熱室内に位置する電子冷却素子と、断熱室の外部に配設されると共に電子冷却素子の他面に熱伝導可能に連結された放熱器と、電子冷却素子の一面の表面温度を検出する温度センサと、温度センサの検出温度に応じて電子冷却素子を駆動することにより一面を所定の一定温度に恒温化制御する制御部とを備えて構成されていることを特徴とする。なお、ホトダイオードには、アバランシェホトダイオードやＰＩＮホトダイオードなどの光検出用ダイオードが含まれる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る光検出装置の好適な実施の形態について説明する。なお、出願人が既に開発している光検出装置４１と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１３】
光検出装置１は、波長０．９μｍ〜１．５５μｍの近赤外域光を光パワー０．０００１ｐＷ〜１０ｐＷの範囲で高検出効率で検出可能に構成されている。具体的には、光検出装置１は、図１に示すように、台座３が内部に配設されて真空状態に維持される断熱室２、本発明におけるホトダイオードに相当するアバランシェホトダイオード４、温度センサ５、冷却機１１、駆動電源１２、温度調節器１３、排気装置１４および直流電圧源１５を備えると共に、アバランシェホトダイオード４を流れる電流信号を増幅してパルス電圧に変換する増幅器１６と、ＣＰＵまたはＤＳＰで構成され、増幅器１６から出力されるパルス電圧を内蔵のカウンタによってカウントして光子数を計測する計測部１７とを備えている。この場合、アバランシェホトダイオード４は、雪崩増幅作用を生じ易い動作領域で作動するように直流電圧源１５によってバイアス電圧が設定されており、微弱な信号光が入射した際には雪崩増幅作用によって入射光を光電変換し、検出信号としての電流信号を増幅器１６に出力する。また、冷却機１１は、例えばスターリングクーラー、電子冷却素子、または液体窒素を利用した冷却装置などで構成され、温度調節器１３によって設定された温度に台座３を冷却する。
【００１４】
一方、光ファイバーケーブル３１は、挿通孔１９を挿通させられた状態で、その一端部が断熱室２の外部に配置された集光光学系に接続されている。また、各ケーブル３２〜３４の各々の一端部が、ケーブル導入用の導入用端子１８，１８・・に接続され、各導入用端子１８，１８・・は、直流電圧源１５、増幅器１６および温度調節器１３にそれぞれ接続されている。さらに、各ケーブル３１〜３３（本発明における接続用導体に相当する）の他端部は、アバランシェホトダイオード４に接続されると共に、その中間部は、台座３に接触させられて所定温度に冷却されている。また、ケーブル３４の他端部は、温度センサ５に接続され、その中間部が、台座３に接触させられて所定温度に冷却されている。
【００１５】
さらに、光検出装置１は、本発明における恒温手段として、電子冷却素子であるペルチェモジュール２１、放熱器２２、温度センサ２３、ペルチェモジュール２１を駆動するための駆動電源２４、および本発明における制御部に相当し、導入用端子１８を介してセンサ信号出力用のケーブル３５で温度センサ２３に接続された温度調節器２５とを備えている。この場合、ペルチェモジュール２１は、その一面が断熱室２内に位置するように断熱壁に取り付けられおり、温度調節器２５の制御に従って駆動電源２４から供給される電流の向きに応じて放熱器２２を加熱または冷却する。つまり、ペルチェモジュール２１は、電流が一方の向きに流れるときには、その一面から放熱器２２に熱を移動することにより、その一面を冷却する。逆に、電流が他方の向きに流れるときには、ペルチェモジュール２１は、放熱器２２側の他面から一面に熱を移動することにより、その一面を加熱する。一方、放熱器２２は、外気によって冷却されたり、外気から熱を奪ったりすることにより、外気温度に近い温度に維持される。この結果、ペルチェモジュール２１の一面は、温度調節器２５の制御下で、設定温度に冷却または加熱されると共に、その設定温度を維持するよう制御される。
【００１６】
また、放熱器２２は、フィンが外部に突出するように断熱室２に取り付けられて、例えば接着剤によってその基部面にペルチェモジュール２１の他面が接着されることにより、その基部面がペルチェモジュール２１の他面に熱伝導可能に連結されている。温度センサ２３は、サーミスタ、白金抵抗体または温度検出用集積回路などで構成され、ペルチェモジュール２１の一面に取り付けられると共に、その一面の表面温度に応じたセンサ信号を温度調節器２５に出力する。駆動電源２４は、温度調節器２５の制御に従い、ペルチェモジュール２１に供給する電流の向きを可変する。温度調節器２５は、温度設定が可能に構成され、温度センサ２３によって検出されたペルチェモジュール２１の一面の温度が設定温度と等しくなるように、駆動電源２４から出力される電流の向きを制御する。
【００１７】
次に、光検出装置１の全体的な動作について説明する。
【００１８】
最初に、台座３の冷却温度（例えば−１５０℃）を温度調節器１３に設定する。これにより、温度調節器１３が、駆動電源１２を制御して冷却機１１に駆動用電源を供給させ、温度センサ５のセンサ信号に基づいてフィードバック制御することにより台座３の冷却温度を設定温度に維持する。この結果、アバランシェホトダイオード４がその設定温度に冷却される。
【００１９】
また、ペルチェモジュール２１の一面側の温度（例えば１０℃）を温度調節器２５に設定する。これにより、温度調節器２５は、温度センサ２３のセンサ信号に基づいて駆動電源２４の出力電流の向きを制御する。これにより、ペルチェモジュール２１は、放熱器２２に熱を放出し、その一面を設定温度まで冷却する。この際に、放熱器２２は、外気によって冷却されることにより外気温度に近い温度に維持される。この後、温度調節器２５は、ペルチェモジュール２１の一面側の表面温度が設定温度と等しくなるように、駆動電源２４に対して、出力電流をペルチェモジュール２１に供給させ続ける。一方、例えば、ペルチェモジュール２１の表面温度が設定温度よりも低下した場合、温度調節器２５は、温度センサ２３のセンサ信号に基づいて駆動電源２４の出力電流の向きを逆向きに制御する。これにより、ペルチェモジュール２１の一面側の表面温度が、上昇して設定温度に維持される。
【００２０】
この結果、ペルチェモジュール２１の一面側の表面温度が能動的に設定温度に保たれる。したがって、たとえ外気温度が変動したとしても、各ケーブル３１〜３４におけるペルチェモジュール２１への接触部位（本発明における所定部位に相当する）が強制的にペルチェモジュール２１の表面温度に維持されるため、各ケーブル３１〜３４を介して台座３に流入する熱量が一定となる。このため、台座３は、外部からの熱流入に影響されることなく、冷却機１１によって一定温度に冷却される。同時に、アバランシェホトダイオード４は、台座３によって安定的に一定温度に冷却されるため、その検出精度が極めて向上する。この場合、ペルチェモジュール２１を用いた温度制御は、液体窒素やガスなどの冷媒を用いる方式と比較して、設定温度への追従性が速く、かつ温度安定性が非常に優れ、しかも、小型化できると共にそのコストを安くすることができる。したがって、光検出装置１全体としても、それ程のコストアップを招くことなく、小型化することができる。また、ペルチェモジュール２１の表面温度を極めて安定な一定温度に維持できるため、各ケーブル３１〜３４の良否を判別することもできる。つまり、冷却機１１に供給される駆動電源１２の供給電力を監視し、基準となる供給電力と大きく異なるときには、各ケーブル３１〜３４に異常が生じていることを判別できる。また、駆動電源１２の供給電力を監視することで、各ケーブル３１〜３４におけるペルチェモジュール２１との接触部位から台座３に流入する熱量を最小化するための改善評価作業を行うことができる。
【００２１】
入射光の検出時には、図外の集光光学系における絞りを閉じることによって、アバランシェホトダイオード４に対する信号光の入射を遮断する。続いて、この状態において、増幅器１６が、アバランシェホトダイオード４を流れる暗電流に応じた検出信号をパルス信号に変換し、計測部１７が、所定のしきい値を超えるパルス信号の数をカウントする。次いで、集光光学系における絞りを開くことによって信号光をアバランシェホトダイオード４に入射させる。この状態において、計測部１７が、所定のしきい値を超えるパルス信号の数をカウントし、信号光が入射状態のときのカウント値から、信号光が遮断されている状態のときのカウント値を減算することによって、信号光のみに対応するカウント値を算出する。この場合、信号光の入射が遮断状態のときの雑音量に相当するカウント値が正確に相殺されるため、信号光の入射量を高精度で検出することができる。
【００２２】
このように、この光検出装置１によれば、各ケーブル３１〜３４における導入用端子１８側の所定部位をペルチェモジュール２１で恒温化することにより、台座３の冷却温度を極めて安定的に一定温度に維持することができ、これにより、アバランシェホトダイオード４の検出精度を向上させることができる。また、ペルチェモジュール２１を用いることにより、恒温化用の空気、水および油などの熱媒体を用いないため、熱媒体を循環させるためのパイプやポンプなどを不要にすることができる。このため、光検出装置１の小型化、軽量化、低消費電力化および低価格化を図ることができる。さらに、電気的に恒温化するため、熱時定数が大きい熱媒体を加熱・冷却する場合と比較して、極めて短時間で各ケーブル３１〜３４を設定温度に維持することができると共に、設定温度に達した後には、各ケーブル３１〜３４の表面温度のオーバーシュートを回避でき、しかも、外気温度の変動に対して応答性よく各ケーブル３１〜３４の表面温度を設定温度に維持することができる。
【００２３】
なお、本発明は、上記した発明の実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明における電子冷却素子については、ペルチェ素子を用いたペルチェモジュール２１に限らず、電子的に熱を移動させる各種素子を用いることが可能である。また、恒温手段によって維持される温度は、本発明の実施の形態に示した温度に限定されず、外気温度と無関係の任意の温度に規定することができる。
【００２４】
さらに、ケーブル３２〜３４を導入用端子１８に接続することなく、その一端部を外部装置に直接的に接続する構成を採用できるのは勿論である。また、計測部１７による光検出方式も本発明の実施の形態に示した方式に限らず、例えば、計測部１７がアバランシェホトダイオード４を流れる電流値を検出することによって入射光量を検出してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の光検出装置によれば、恒温手段が接続用導体の所定部位を所定の一定温度に維持することにより、台座の冷却温度を極めて安定的に一定温度に維持することができ、これにより、ホトダイオードの動作条件を高精度で一定条件に維持することができる結果、微弱な入射光を高精度で検出することができる。
【００２６】
また、この光検出装置によれば、電子冷却素子、放熱器、温度センサおよび制御部によって恒温手段を構成したことにより、簡易に構成できると共に、恒温化用の熱媒体を用いないため、パイプやポンプなどを不要にすることができる。これにより、光検出装置の小型化、軽量化、低消費電力化および低価格化を図ることができる。さらに、電気的に恒温化するため、熱時定数が大きい熱媒体を加熱・冷却する場合と比較して、極めて短時間で各接続用導体を一定温度に維持することができると共に、その温度に達した後には、各接続用導体の表面温度のオーバーシュートを回避でき、しかも、外気温度の変動に対して応答性よく、その表面温度を一定温度に維持することができる。加えて、保守が不要で取り扱い易く、さらに、無振動・無騒音化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光検出装置１の構成を示す透視図である。
【図２】出願人が既に開発している光検出装置４１の構成を示す透視図である。
【符号の説明】
１光検出装置
２断熱室
３台座
４アバランシェホトダイオード
１１冷却機
１７計測部
２１ペルチェモジュール
２２放熱器
２３温度センサ
２４駆動電源
２５温度調節器
３１光ファイバーケーブル
３２〜３５ケーブル

Claims

断熱室内に設置され冷却機によって所定温度に冷却される台座と、当該台座に載置されて入射光を検出するホトダイオードと、一端部が外部装置に接続されると共に他端部が前記ホトダイオードに接続され、かつ一端部および他端部の間の中間部位が前記台座に接触させられる接続用導体とを備え、前記ホトダイオードの検出信号に基づいて前記入射光の入射量を検出する光検出装置において、
前記接続用導体における前記中間部位よりも前記一端部側の所定部位を前記断熱室内において所定の一定温度に維持する恒温手段を備え、
前記恒温手段は、一面が前記断熱室内に位置する電子冷却素子と、前記断熱室の外部に配設されると共に前記電子冷却素子の他面に熱伝導可能に連結された放熱器と、前記電子冷却素子の前記一面の表面温度を検出する温度センサと、当該温度センサの検出温度に応じて前記電子冷却素子を駆動することにより前記一面を前記所定の一定温度に恒温化制御する制御部とを備えて構成されていることを特徴とする光検出装置。