JP5669206B2 - Wavelength spectrum detection method - Google Patents
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Description
この発明は、波長スペクトルを検出する方法に関し、より詳細には、フォトダイオード（以下、単にPDと称する場合がある）の出力である光電流値の時間的な変化の仕方に基づいて波長スペクトルを検出するフォトダイオードを用いた波長スペクトル検出方法に関する The present invention relates to a method for detecting a wavelength spectrum, and more specifically, based on how the photocurrent value, which is the output of a photodiode (hereinafter sometimes simply referred to as PD), changes over time. Wavelength spectrum detection method using photodiode for detection
通常、波長スペクトラム測定をするために光スペクトラムアナライザが用いられている（たとえば、特許文献１参照）。この光スペクトラムアナライザは、モータ等によって角度を変えることができるように支持された回折格子に測定対象光を入射し、その回折光からスリットによって選択した光のレベルを受光器によって検出する光学部を有しており、回折格子の角度を連続的に変えることによりスリットを通過する光の波長を掃引して、入力光の波長毎のスペクトラムを求め、これを表示器の画面に波長軸とともに表示している。表示されるスペクトラムの波長情報は、光学部の機械的な情報、即ち、回折格子の角度情報に基づいて生成されている。 Usually, an optical spectrum analyzer is used to measure a wavelength spectrum (see, for example, Patent Document 1). This optical spectrum analyzer has an optical unit that makes light to be measured enter a diffraction grating supported so that the angle can be changed by a motor or the like, and detects the level of light selected by the slit from the diffracted light by a light receiver. The wavelength of the light passing through the slit is swept by continuously changing the angle of the diffraction grating to obtain the spectrum for each wavelength of the input light, and this is displayed on the display screen along with the wavelength axis. ing. The wavelength information of the displayed spectrum is generated based on the mechanical information of the optical unit, that is, the angle information of the diffraction grating.
しかし、上記した光スペクトルアナライザは大きな構造をとるため、持ち運びや設置に問題があった。 However, since the above optical spectrum analyzer has a large structure, there are problems in carrying and installation.
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、小型で持ち運びやすく、設置場所に制限されない装置が実現可能となる、PDを用いた波長スペクトル検出方法を提案することにある。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to propose a wavelength spectrum detection method using a PD that can realize a device that is small and easy to carry and is not limited to an installation location. is there.
本発明にかかる光電変換素子を用いた波長スペクトル検出方法は、任意の光の波長スペクトルを検出する方法であって、光電変換素子の出力である光電流値の時間的な変化を記録（出力）できる出力回路を用いて、光電変換素子に、任意の光を入射させたときの光電流値の時間的な変化を検出・記録し、後述する数式に基づいて、前記任意の波長スペクトルを検出することを特徴とする。 A wavelength spectrum detection method using a photoelectric conversion element according to the present invention is a method for detecting a wavelength spectrum of arbitrary light, and records (outputs) a temporal change in a photocurrent value that is an output of the photoelectric conversion element. The output circuit is used to detect and record a temporal change in the photocurrent value when arbitrary light is incident on the photoelectric conversion element, and detect the arbitrary wavelength spectrum based on a mathematical formula described later. It is characterized by that.
本発明の波長スペクトル検出方法の具体的な構成は、任意の単一波長の光の波長スペクトルを検出する方法であって、光電変換素子の光電変換領域に前記任意の単一波長の光を入射可能に構成するとともに前記任意の単一波長の光の入射方向に電界を印加して光電流を生じさせるように構成し、前記任意の光の入射後若しくは遮断後における光電流の過渡応答Ｉ（ｔ）を測定し、前記過渡応答Ｉ（ｔ）の２つの時刻ｔ １ 及びｔ ２ における光電流値Ｉ（ｔ １ ），Ｉ（ｔ ２ ）に基づいて、或いは、或る時刻ｔにおける光電流値Ｉ（ｔ）とその微分値ｄＩ（ｔ）／ｄｔに基づいて、単一の波長λの光を入射したときに生ずる光電流Ｉ（ｔ）を示す以下の数式１により前記光電変換領域の光吸収係数α（λ）若しくはこれに対応する単一波長としての上記波長λと、当該波長λの光の波長強度φ（λ）との少なくとも一方を求めることを特徴とする。 Specific configuration of the wavelength spectrum detection method of the present invention is a method of detecting a wavelength spectrum of an arbitrary single wavelength light, the incident light of the arbitrary single wavelength in the photoelectric conversion region of the photoelectric conversion element And configured to generate an electric current by applying an electric field in the incident direction of the light having the arbitrary single wavelength, and a transient response I ( t), and based on the photocurrent values I (t 1 ) and I (t 2 ) at two times t 1 and t 2 of the transient response I (t) , or at a certain time t Based on the value I (t) and its differential value dI (t) / dt , the following equation 1 showing the photocurrent I (t) generated when light of a single wavelength λ is incident , Light absorption coefficient α (λ) or a single wavelength corresponding to this And the wavelength lambda, and obtains at least one of the wavelength intensity of light of the wavelength λ φ (λ).
ここで、ｔは入射時若しくは遮断時からの経過時間、Ａｂ（λ）は波長λの光に対する前記光電変換領域の光電変換効率、Ｂは前記光電変換領域内のキャリア速度、α（λ）は波長λの光に対する前記光電変換領域の光吸収係数。 Here, t is the elapsed time from the time of incidence or blocking, Ab (λ) is the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion region for light of wavelength λ, B is the carrier velocity in the photoelectric conversion region, and α (λ) is Light absorption coefficient of the photoelectric conversion region with respect to light of wavelength λ.
本発明の任意の光の波長スペクトルを検出する第1の方法としては、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の波長からなる任意の光の波長スペクトルを検出する方法であって、光電変換素子の光電変換領域に前記任意の光を入射可能に構成するとともに前記任意の光の入射方向に電界を印加して光電流を生じさせるように構成し、前記任意の光の入射後若しくは遮断後における光電流の過渡応答Ｉ（ｔ）を測定し、前記過渡応答Ｉ（ｔ）に基づいて、前記波長スペクトルを求める方法であり、前記過渡応答Ｉ（ｔ）の測定時刻ｔｉ（ｉは１〜２ｎの整数）における光電流値Ｉ（ｔｉ）に基づいて、前記ｎ個の波長それぞれの光に対する前記光電変換領域の光吸収係数α ｊ 若しくはこれらにそれぞれ対応する前記ｎ個の波長λｊ（ｊは１〜ｎまでの整数）と、これらの各波長λ ｊ にそれぞれ対応するｎ個の光の波長強度φｊ（ｊは１〜ｎまでの整数）との少なくとも一方を以下のｉ＝１〜２ｎの２ｎ個の数式２から計算することにより求めることが好ましい。 A first method for detecting a wavelength spectrum of arbitrary light according to the present invention is a method for detecting a wavelength spectrum of arbitrary light composed of n (n is a natural number of 2 or more) wavelengths, and a photoelectric conversion element The arbitrary light can be incident on the photoelectric conversion region of the optical element, and an electric field can be applied in the incident direction of the arbitrary light to generate a photocurrent, and after the incident or blocking of the arbitrary light. This is a method of measuring a transient response I (t) of a photocurrent and obtaining the wavelength spectrum based on the transient response I (t), and measuring time t i (i is 1 to 1) of the transient response I (t). based on the photocurrent value I (t i) in 2n integers), said n optical absorption coefficient of the photoelectric conversion region to the wavelengths of light alpha j or the n wavelengths lambda j respectively corresponding to these (J is an integer from 1 to n A few), 2n pieces of formula following i = 1 to 2n at least one of the wavelength intensity of the n light respectively corresponding to each of these wavelengths λ j φ j (j is an integer of up to 1 to n) It is preferable to obtain by calculating from 2.
ここで、Ａｂｊ＝Ａｂ（λｊ）、αｊ＝α（λｊ）。 Here, Ab j = Ab (λ j ), α j = α (λ j ).
本発明の任意の光の波長スペクトルを検出する第２の方法としては、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の波長からなる任意の光の波長スペクトルを検出する方法であって、光電変換素子の光電変換領域に前記任意の光を入射可能に構成するとともに前記任意の光の入射方向に電界を印加して光電流を生じさせるように構成し、前記任意の光の入射後若しくは遮断後における光電流の過渡応答Ｉ（ｔ）を測定し、以下の数式４によりｋ＝１（ｋは１〜ｎの整数）としてＩ（ｔ１）＝Ｉ１（ｔ１）が成立する測定時刻ｔ１を選定し、当該測定時刻ｔ １ における光電流測定値Ｉ（ｔ １ ）及びその微分値ｄＩ（ｔ １ ）／ｄｔを用いて、波長λ１ に対する前記光電変換領域の光吸収係数α １ 、或いは、前記測定時刻ｔ１に対応するｋ＝１とした以下の数式３から波長λ１の光の波長強度φ１＝Ｉ（ｔ１）／{Ａｂ１・ｅｘｐ[Ｂ・α１・ｔ１]}を計算し、その後、ｋ＝２とした以下の数式４のＩ（ｔ２）＝Ｉ１（ｔ２）＋Ｉ２（ｔ２）が成立する測定時刻ｔ２を選定し、当該測定時刻ｔ ２ における光電流測定値Ｉ（ｔ ２ ）及びその微分値ｄＩ（ｔ ２ ）／ｄｔと、ｍ＝１とした以下の数式５から得たＩ１（ｔ２）＝Ａｂ１・φ１・ｅｘｐ［Ｂ・α１・ｔ２］及びその微分値ｄＩ １ （ｔ ２ ）／ｄｔの値を用いて、波長λ２ に対する前記光電変換領域の光吸収係数α ２ 、或いは、前記測定時刻ｔ２に対応するｋ＝２とした以下の数式３から波長λ２の光の波長強度φ２＝{Ｉ（ｔ２）−Ｉ１（ｔ２）}／{Ａｂ２・ｅｘｐ［Ｂ・α２・ｔ２］}を計算するというように、以下の数式４が成立する測定時刻ｔｋを選定するとともに前記測定時刻ｔｋにおける光電流測定値Ｉ（ｔｋ）及びその微分値ｄＩ（ｔ ｋ ）／ｄｔ ｋ と数式５から得たｍ＝１〜ｋ−１までのＩｍ（ｔ ｋ ）及びそれらの微分値ｄＩ ｍ （ｔ ｋ ）／ｄｔの値を用いて、前記任意の光の波長λ ｋ に対する前記光電変換領域の光吸収係数α ｋ 、或いは、前記測定時刻ｔ ｋ に対応する数式３から波長λ ｋ の光の波長強度φ ｋ を計算するという手順を、ｋが１からｎとなるまで順次に繰り返すことにより、ｎ個の波長λ ｋ のそれぞれの光に対する前記光電変換領域の前記光吸収係数α ｋ 若しくはこれらに対応するｎ個の波長λｋ と、これらの各波長λ ｋ にそれぞれ対応するｎ個の光の波長強度φｋ との少なくとも一方を求めることが好ましい。 A second method for detecting a wavelength spectrum of arbitrary light according to the present invention is a method for detecting a wavelength spectrum of arbitrary light having n (n is a natural number of 2 or more) wavelengths, and a photoelectric conversion element The arbitrary light can be incident on the photoelectric conversion region of the optical element, and an electric field can be applied in the incident direction of the arbitrary light to generate a photocurrent, and after the incident or blocking of the arbitrary light. the transient response I (t) of the photocurrent was measured, k = 1 by equation 4 below (k is an integer of 1~n) I (t 1) as a = I 1 (t 1) is established measurement time t 1 selects the optical current measurements I in the measurement time t 1 (t 1) and with a differential value dI (t 1) / dt, the light absorption coefficient alpha 1 of the photoelectric conversion region to the wavelength lambda 1, Alternatively, and as k = 1 corresponding to the measurement time t 1 Calculates the wavelength intensity of the wavelength lambda 1 of the light φ 1 = I (t 1) / {Ab 1 · exp [B · α 1 · t 1]} from the formula 3 below, then following that with k = 2 equation 4 I (t 2) = I 1 (t 2) + I 2 (t 2) is selected measurement time t 2 which satisfies, the measurement time photocurrent measurements I in t 2 (t 2) and its differential The value dI (t 2 ) / dt and I 1 (t 2 ) = Ab 1 · φ 1 · exp [B · α 1 · t 2 ] obtained from the following Equation 5 with m = 1, and its differential value dI 1 (t 2) / dt using the value of the light absorption coefficient alpha 2 of the photoelectric conversion region to the wavelength lambda 2, or the wavelength lambda from k = 2 and the following equation 3 corresponding to the measurement time t 2 The wavelength intensity φ 2 of light 2 = {I (t 2 ) −I 1 (t 2 )} / {Ab 2 · exp [B · α 2 · t 2 ]} is calculated. The following equation 4 is obtained from the measured time t photocurrent measurements I in k (t k) and its differential value dI (t k) / dt k and Equation 5 with selecting the measurement time t k which satisfies m = using the value of. 1 to k-1 to the Im (t k) and their differential value dI m (t k) / dt , the optical absorption coefficient of the photoelectric conversion region to the wavelength lambda k of the arbitrary optical α k or by repeating the procedure of calculating the wavelength intensity φ k of the light of the wavelength λ k from Equation 3 corresponding to the measurement time t k sequentially until k becomes 1 to n , so that n wavelengths lambda n number of wavelength lambda k corresponding to the light absorption coefficient alpha k or those of the photoelectric conversion region for each of the light k, wavelength intensity phi k of the n light respectively corresponding to each of these wavelengths lambda k It is preferable to obtain at least one of the following.
ここで、ｍは自然数、Ａｂｋ＝Ａｂ（λｋ）、αｋ＝α（λｋ）、Ａｂ ｍ ＝Ａｂ（λ ｍ ）、α ｍ ＝α（λ ｍ ）。
Here, m is a natural number, Ab k = Ab (λ k ), α k = α (λ k ) , Ab m = Ab (λ m ), α m = α (λ m ) .
本発明にかかる光電変換素子を用いた波長スペクトル検出方法によれば、小型で持ち運びやすく設置場所に制限されない装置が実現可能となる。 According to the wavelength spectrum detection method using the photoelectric conversion element according to the present invention, it is possible to realize a small-sized device that is easy to carry and is not limited to the installation location.
本発明の光電変換素子としては、光を吸収してキャリアを生ずる種々の素子を用いることができるが、本発明を実施するための最良の形態としては、ｐｉｎ型ＰＤ（フォトダイオード、以下同様。）を考えている。理由は、光の波長スペクトルを求める数式を立てやすいからである。ただし、その他のＰＤにおいても、その数式を導く考え方は同じである。 As the photoelectric conversion element of the present invention, various elements that absorb light and generate carriers can be used. The best mode for carrying out the present invention is a pin-type PD (photodiode, the same applies hereinafter). ) The reason is that it is easy to formulate a formula for calculating the wavelength spectrum of light. However, the concept for deriving the formula is the same for other PDs.
本実施形態において光電流の検出に用いる装置・素子の概略条件を以下に示す。
１．光電変換素子を用いる。
（高速応答できる素子が望ましい。）
２．電流値を記録できる装置を用いる。
（高速で記録できる装置が望ましい。）
３．光を遮光・入光操作できる装置
（高速で遮光・入光操作できる装置が望ましい）
The general conditions of the device / element used for photocurrent detection in this embodiment are shown below.
1. A photoelectric conversion element is used.
(An element capable of high-speed response is desirable.)
2. A device capable of recording the current value is used.
(A device capable of recording at high speed is desirable.)
3. A device that can block and enter light (preferably a device that can block and enter light at high speed)
具体例：上記の１〜３で示した装置・素子の具体例を以下に示す。
１．ｐｉｎ型フォトダイオード（ｐｉｎ型ＰＤ）を利用。
２．電流計を利用。
３．シャッターを利用。
Specific examples: Specific examples of the devices and elements shown in the above 1 to 3 are shown below.
1. Uses a pin type photodiode (pin type PD).
2. Use an ammeter.
3. Use the shutter.
具体例の構成を図１に示す。まず、図１を利用して「光が吸収される場所と電流検出の関係」を考える。図１では、シャッターが閉まっており、光が入射されていない。 A configuration of a specific example is shown in FIG. First, the relationship between the location where light is absorbed and current detection is considered using FIG. In FIG. 1, the shutter is closed and no light is incident.
図２にシャッターが開いた状態を示す。シャッターから入射された光はｐｉｎ型ＰＤに吸収され、代わりにキャリヤが発生する。キャリヤは電界の力により、移動し電流計で検出される（キャリヤとしては電子だけ表示している）。また白丸印は光子を示しており、黒丸印はキャリヤ（電子）を示している。このとき、光の入射方向は電界の印加方向とほぼ同じ方向とされる。 FIG. 2 shows a state where the shutter is opened. Light incident from the shutter is absorbed by the pin-type PD, and a carrier is generated instead. The carrier is moved by the force of the electric field and detected by an ammeter (only electrons are shown as the carrier). White circles indicate photons, and black circles indicate carriers (electrons). At this time, the incident direction of light is substantially the same as the application direction of the electric field.
図２の下部には距離軸が設けられている。光がｐｉｎ型ＰＤの光吸収層(ｉ層)の左端（ｐ層とｉ層の界面）をｘ＝０とし、光がキャリヤに変換された場所をｘ＝ｘ１とする。また光吸収層の右端（ｉ層とｎ層の界面）をｘ＝ｗとする。ここで、ｘ方向は光の入射方向であり電界の印加方向でもある。 A distance axis is provided at the bottom of FIG. The left end (interface between the p layer and the i layer) of the light absorption layer (i layer) of the pin type PD is x = 0, and the place where the light is converted into the carrier is x = x1. The right end of the light absorbing layer (interface between the i layer and the n layer) is x = w. Here, the x direction is a light incident direction and an electric field application direction.
この時、光吸収層だけでの信号の伝達を考えるとｘ＝０では光であった信号は、０＜ｘ＜ｗの間でキャリヤに変換され、そのキャリヤがｘ＝ｗから出ていく。 At this time, considering transmission of a signal only in the light absorption layer, a signal that was light when x = 0 is converted into a carrier when 0 <x <w, and the carrier leaves x = w.
そのため、信号は０＜ｘ＜ｗの間で「光での移動」と「キャリヤでの移動」の２つの移動方法をとる。具体的に図２の場合で考えると、ｘ＝０からｘ＝ｘ１までの間は「光での移動」となり、ｘ＝ｘ１からｘ＝ｗまでの間は「キャリヤでの移動」となる。 For this reason, the signal takes two movement methods of “movement by light” and “movement by carrier” while 0 <x <w. Specifically, in the case of FIG. 2, “movement by light” is from x = 0 to x = x1, and “movement by carrier” is from x = x1 to x = w.
ここで、ｘ＝０からｘ＝ｗまで信号が移動する速度を考える。ｘ＝０からｘ＝ｘ１までは、光であるのでｖｃ＝２．９９９７９×１０８［ｍ／ｓ］で移動する。それに対してｘ＝ｘ１からｘ＝ｗまでは、電界によるドリフトによりキャリヤが移動するのでｖＳｉ＝μｎ×Ｅで表わされる。ここでμｎはキャリヤ（電子）の移動度［ｍ２／Ｖ・ｓ］を表わし値は約０．１５である（Ｔ＝３００Ｋで１０６Ｖ／ｍ以下の電界の場合）。Ｅは電界［Ｖ／ｍ］を表わす。ここでは、ｐｉｎ−ＰＤの構造をしているため、ｉ層の場所で電界（Ｅ）の大きさが代わる事が無い。そのため、ｖＳｉ値は一定となる。また、ｐｉｎ−ＰＤの構造をしていない場合は、ｖＳｉの値は一定にならないが、ＰＤ中のＥの変化を考慮した数式により表現する事ができる。 Here, consider the speed at which the signal moves from x = 0 to x = w. From x = 0 to x = x1 moves at v c = 2.99979 × 10 8 [ m / s] since it is light. On the other hand, from x = x1 to x = w, the carrier moves due to drift due to the electric field, and therefore is represented by v Si = μ n × E. Here, μ n represents the mobility (m 2 / V · s) of carriers (electrons), and the value is about 0.15 (in the case of an electric field of 10 6 V / m or less at T = 300K). E represents the electric field [V / m]. Here, since it has a pin-PD structure, the magnitude of the electric field (E) does not change at the location of the i layer. Therefore, the v Si value is constant. If the pin-PD structure is not used, the value of v Si is not constant, but can be expressed by a mathematical expression that takes into account the change in E in the PD.
次にｘ＝０からｘ＝ｗまで信号が移動する時間を考える。光がキャリヤに代わる場所をｘ１とすると合計時間ｔ（ｘ１）は以下の数式６に示すようになる。 Next, consider the time for the signal to move from x = 0 to x = w. Assuming that the place where the light substitutes for the carrier is x1, the total time t (x1) is as shown in the following Expression 6.
ここで、ｘ１／ｖｃの項は（ｗ−ｘ１）／ｖＳｉの項と比べてとても小さくなるので、無視すると以下の数式７となる。 Since the section x1 / v c is very small compared to the section (w-x1) / v Si , a neglected and Equation 7 below.
このように光吸収層での信号の伝達には吸収される場所ｘ１が重要となる。吸収される場所が変化するとｔ（ｘ１）も変化する。例えば図３、図４のように、吸収される場所ｘ２、ｘ３のように吸収される場所がｘ＝ｗに近づくほどｔ（ｘ２）、ｔ（ｘ３）は小さくなる。 As described above, the place x1 to be absorbed is important for signal transmission in the light absorption layer. If the place where it is absorbed changes, t (x1) also changes. For example, as shown in FIGS. 3 and 4, t (x2) and t (x3) become smaller as the absorbed locations such as the absorbed locations x2 and x3 approach x = w.
次に「"光がキャリヤに代わる場所"と"波長"の関係」を示す。フォトダイオードへ入射される光は、波長によってＰＤに吸収される場所が異なる。それはフォトダイオード中での光の減衰特性で表わされる。光はデバイスの中に入ると、デバイスに吸収されながら、自身の強度を弱めていく。この強度を弱めていく過程が光の減衰特性となる。この減衰特性は、入射光の波長ごとに決まっている。 Next, “relationship between“ place where light replaces carrier ”and“ wavelength ”is shown. The light incident on the photodiode differs in the place where it is absorbed by the PD depending on the wavelength. It is expressed by the attenuation characteristic of light in the photodiode. As light enters the device, it absorbs the light and weakens itself. The process of weakening this intensity is the light attenuation characteristic. This attenuation characteristic is determined for each wavelength of incident light.
この減衰特性は吸収係数αの関数として以下の数式８で表わされる。ここで、数式８はｘにおける光強度ｆ（ｘ）を示す。 This attenuation characteristic is expressed by the following Equation 8 as a function of the absorption coefficient α. Here, Formula 8 shows the light intensity f (x) at x.
ここで、吸収係数α、光強度φ（ｘ＝０での光強度）である。 Here, the absorption coefficient α and the light intensity φ (light intensity at x = 0).
ここで、キャリヤの生成を考える。キャリヤの数（単位膜厚での値）ｆａ（ｘ）は光強度に比例するので各場所（ｘ）で以下の数式９のように表わされる。 Here, the generation of carriers is considered. Since the number of carriers (value in unit film thickness) fa (x) is proportional to the light intensity, it is expressed by the following Equation 9 at each location (x).
ここでＡは単位膜厚での光電変換効率である。吸収係数αは波長とともに変化する。吸収係数αと波長の関係を図５に示す。波長とともに吸収係数αは固有の値をとっている。このように、「"光がキャリヤに代わる場所"と"波長"の関係」は数式９で表わされる。 Here, A is the photoelectric conversion efficiency per unit film thickness. The absorption coefficient α varies with wavelength. The relationship between the absorption coefficient α and the wavelength is shown in FIG. The absorption coefficient α takes a unique value along with the wavelength. Thus, “the relationship between“ the place where light substitutes for the carrier ”and“ wavelength ”” is expressed by Equation 9.
そして、最後に「光の波長と電流検出の時間の関係」を示す。光がキャリヤに代わる場所ｆａ（ｘ）が数式９で表わされ、ｘで発生したキャリヤがｘ＝ｗまで移動するのに必要となる時間ｔ（ｘ）は数式７で表わされる。（数式７ではｘ＝ｘ１としている。） Finally, “the relationship between the wavelength of light and the time of current detection” is shown. The place fa (x) where the light substitutes for the carrier is expressed by Equation 9, and the time t (x) required for the carrier generated at x to move to x = w is expressed by Equation 7. (In Equation 7, x = x1)
数式７を変形すると、ｘとｔの関係は数式１０のようになる。
これを数式９に代入すると以下の数式１１のようになり、これを整理すると以下の数式１２のようになる。 Substituting this into Equation 9, the following Equation 11 is obtained, and when this is arranged, the following Equation 12 is obtained.
ここで、以下の数式１３及び１４とする。 Here, the following Expressions 13 and 14 are used.
このようにすると、以下の数式１５が得られる。 In this way, the following formula 15 is obtained.
電流Ｉ（ｔ）を考える場合、数式１５にキャリヤの電荷量ｑ、キャリヤの移動速度ｖＳｉを乗算する必要があるので、以下の数式１６が成立する。 When considering the current I a (t), it is necessary to multiply the charge amount q of the carrier in equation 15, the moving velocity v Si carrier, the following equation 16 is established.
ここで、以下の数式１７とする。 Here, the following Expression 17 is used.
すると、以下の数式１８が成立する。 Then, the following mathematical formula 18 is established.
したがって、電流Ｉ（ｔ）は吸収係数αの関数として表わされるのがわかる。吸収係数αは波長により一意に決まる値であるので、「光の波長と電流検出の時間の関係」が数式１８で表わされる。ここで「Ａｂ」は光電変換効率となる。 Thus, it can be seen that the current I (t) is expressed as a function of the absorption coefficient α. Since the absorption coefficient α is a value uniquely determined by the wavelength, “Relationship between the wavelength of light and the time of current detection” is expressed by Equation 18. Here, “Ab” is the photoelectric conversion efficiency.
ここで、一度発生したキャリヤの密度を変化させないために、光を入射しない状態を作る必要がある。具体的には、一瞬だけ光を入射させ、その後、一定期間は光を入射させないようにしなければならない。 Here, in order not to change the density of the carrier once generated, it is necessary to create a state in which light is not incident. Specifically, it is necessary to make light incident for a moment, and then prevent light from entering for a certain period.
このように、光電流を測定することで、波長を導くことが可能となる。この考え方は、入射する波長数が増加した場合でも成り立つ。ここまでは、本願発明に相当する実施形態に係るものであり、上記の第１の方法と第２の方法で共通の内容となる。 Thus, the wavelength can be derived by measuring the photocurrent. This idea holds even when the number of incident wavelengths increases. Up to this point, the present invention relates to an embodiment corresponding to the present invention, and the contents are common to the first method and the second method.
次に、第１の方法の内容に相当する実施例を説明する。ここで、「１つの波長の光が入ってきた場合」を考える。数式１８では未知の値は「φ」と「α」である。電流値Ｉ（ｔ）を時間を変えて２回（ｔ１，ｔ２）測定したときの電流値をＩ（ｔ１），Ｉ（ｔ２）とすると、数式１８で未知の値である「φ」「α」を求める事が出来る。以下に解を示す。 Next, an embodiment corresponding to the contents of the first method will be described. Here, a case where “one wavelength of light enters” is considered. In Equation 18, the unknown values are “φ” and “α”. Assuming that the current value I (t) is measured twice (t1, t2) at different times as I (t1) and I (t2), “φ” “α” Can be requested. The solution is shown below.
Ｉ（ｔ１），Ｉ（ｔ２）の値は以下の数１９及び２０のようになる。 The values of I (t1) and I (t2) are as shown in the following equations 19 and 20.
数式１９より、以下の数式２１が得られる。 From Expression 19, the following Expression 21 is obtained.
これを数式２０へ代入すると、以下の数式２２が得られる。 Substituting this into Equation 20, the following Equation 22 is obtained.
これを変形すると以下の数式２３乃至２５が得られる。 When this is modified, the following formulas 23 to 25 are obtained.
数式２５を数式２１に代入すると、以下の数式２７が得られる。このように「α」「φ」は数式１９と数式２０を解くと数式２６及び２７で表される。これが、入射光の波長が「１つの場合」の式となる。 Substituting Equation 25 into Equation 21 yields Equation 27 below. Thus, “α” and “φ” are expressed by Equations 26 and 27 when Equations 19 and 20 are solved. This is the equation where the wavelength of incident light is “one”.
このように、光電流を測定することで、波長を導くことが可能となる。この考え方は、入射する波長数が増加した場合でも成り立つ。 Thus, the wavelength can be derived by measuring the photocurrent. This idea holds even when the number of incident wavelengths increases.
次に、「入射する波長数が２つの場合」を考える。以下に数式２８〜３１を示す。ここでｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４は電流測定を行う時間である。 Next, consider the case where “the number of incident wavelengths is two”. Equations 28 to 31 are shown below. Here, t1, t2, t3, and t4 are times for performing current measurement.
数値を置き換えて整理すると、Ｃ１＝Ｉ（ｔ１）、Ｃ２＝Ｉ（ｔ２）、Ｃ３＝Ｉ（ｔ３）、Ｃ４＝Ｉ（ｔ４）、Ｄ１＝Ｂｔ１，Ｄ２＝Ｂｔ２，Ｄ３＝Ｂｔ３，Ｄ４＝Ｂｔ４，ｘ１＝Ａｂ１φ１，ｘ２＝Ａｂ２φ２，ｙ１＝α１，ｙ２＝α２として、以下の数式３２乃至３５が成立する。 When the numerical values are replaced and arranged, C1 = I (t1), C2 = I (t2), C3 = I (t3), C4 = I (t4), D1 = Bt1, D2 = Bt2, D3 = Bt3, D4 = Bt4 , X1 = Ab1φ1, x2 = Ab2φ2, y1 = α1, y2 = α2, and the following equations 32 to 35 are established.
このように数式３２乃至３５として、４つの未知数「ｘ１，ｘ２，ｙ１，ｙ２」があり、その方程式が４つある式を導く事ができるため、それぞれの未知数を明らかにすることが可能となる。 In this way, there are four unknowns “x1, x2, y1, y2” as Equations 32 to 35, and an equation having four equations can be derived, so that each unknown can be clarified. .
次に「ｎ個の波長をもつ光が入射された場合」を考える。このとき、数式１８は数式３６のようになる。 Next, consider “when light having n wavelengths is incident”. At this time, Expression 18 becomes Expression 36.
この場合は、未知数の数が「Ａｂ１×φ１からＡｂｎ×φｎ」のｎ個と「α１からαｎ」のｎ個となり、２ｎ個の未知数がある。これらの２ｎの未知数の解は、電流値Ｉ（ｔ）を時間を変えて２ｎ回（ｔ１，ｔ２、・・・ｔ２ｎ−１，ｔ２ｎ）測定し、上記と同様に２ｎ個の連立方程式を立てる事で、導く事ができる。 In this case, the number of unknowns is n from “Ab1 × φ1 to Abn × φn” and n from “α1 to αn”, and there are 2n unknowns. These 2n unknowns are obtained by measuring the current value I (t) 2n times (t1, t2,... T2n−1, t2n) at different times and establishing 2n simultaneous equations in the same manner as described above. By that, you can lead.
数値を置き換えて整理すると、Ｃ１＝Ｉ（ｔ１）、Ｃ２＝Ｉ（ｔ２）、Ｃ３＝Ｉ（ｔ３）、Ｃ４＝Ｉ（ｔ４），・・・，Ｃｎ＝Ｉ（ｔｎ），・・・，Ｃ２ｎ＝Ｉ（ｔ２ｎ）、Ｄ１＝Ｂｔ１，Ｄ２＝Ｂｔ２，Ｄ３＝Ｂｔ３，Ｄ４＝Ｂｔ４，・・・，Ｄｎ＝Ｂｔｎ，・・・，Ｄ２ｎ＝Ｉ（ｔ２ｎ）、ｘ１＝Ａｂ１φ１，ｘ２＝Ａｂ２φ２，・・・，ｘｎ＝Ａｂｎφｎ、ｙ１＝α１，ｙ２＝α２，・・・，ｙｎ＝αｎとして、最初の４つの式は以下の数式３７乃至４０のようになり、数式４１を含み、数式４２までの全体として２ｎ個の式が得られる。 When the numerical values are replaced and arranged, C1 = I (t1), C2 = I (t2), C3 = I (t3), C4 = I (t4),..., Cn = I (tn),. C2n = I (t2n), D1 = Bt1, D2 = Bt2, D3 = Bt3, D4 = Bt4,..., Dn = Btn,. .., Xn = Abnφn, y1 = α1, y2 = α2,..., Yn = αn, the first four formulas are expressed by the following formulas 37 to 40, including formula 41, and formula 42 As a whole, 2n equations are obtained.
以上が第１の方法の内容に対応する実施例である。ここで、これまでの記述は、上記シャッターが「閉じた状態」から「開いた状態」に変化した場合を想定している。しかし、上記シャッターが「開いた状態」から「閉じた状態」に変化した場合でも同様の原理が利用できる。また、それ以外にも、光に対する応答の過渡応答が得られる環境であれば、同様の原理が利用できる。この点は以下の第２の方法についても同様であり、本願発明の全ての実施形態において共通である。 The above is an embodiment corresponding to the contents of the first method. Here, the description so far assumes a case where the shutter changes from the “closed state” to the “open state”. However, the same principle can be used even when the shutter is changed from the “open state” to the “closed state”. In addition, the same principle can be used in an environment where a transient response to light can be obtained. This also applies to the second method described below, and is common to all embodiments of the present invention.
次に、以下に第２の方法の内容に相当する実施例を説明する。 Next, an embodiment corresponding to the content of the second method will be described below.
この実施例では上記第１の方法で示した内容に相当する実施例と異なる方法で、「入射光の波長」「光量」を求める。以下に、図６を用いて吸収係数αおよび光強度φを電流値Ｉ（ｔ）から求める方法を説明する。まず図６（ａ）から図６（ｄ）の説明を行う。 In this embodiment, “wavelength of incident light” and “light quantity” are obtained by a method different from the embodiment corresponding to the contents shown in the first method. Hereinafter, a method of obtaining the absorption coefficient α and the light intensity φ from the current value I (t) will be described with reference to FIG. First, FIG. 6A to FIG. 6D will be described.
図６（ａ）は、ｐｉｎ型ＰＤに電圧Ｖ（逆バイアス）を印加した状態で、１波長の光（photon）が入射（一瞬だけ）した時の、電流I（ｔ）を測定しているイメージである。図６（ｂ）は、光の強度がｐ層とｉ層の界面の場所でφの値を取る時の、ｘに対する光強度の減衰（光の吸収）の仕方を表したイメージである。この光強度の減衰の仕方は吸収係数αにより表す事ができる。ここで、ｘは距離を示しており、ｐ層とｉ層の界面をｘ＝０としｎ層に向かってｘは増加し、そしてｉ層とｎ層の界面をｘ＝Ｗとする値である。この減衰を表す関数ｆ（ｘ）はφｅｘｐ（−αｘ）で表わされる。 FIG. 6A measures the current I (t) when light of one wavelength (photon) is incident (only momentarily) in a state where the voltage V (reverse bias) is applied to the pin type PD. It is an image. FIG. 6B is an image showing how the light intensity is attenuated (absorption of light) with respect to x when the light intensity takes a value of φ at the interface between the p layer and the i layer. This attenuation of light intensity can be expressed by an absorption coefficient α. Here, x represents a distance, and is a value where x = 0 at the interface between the p layer and the i layer, x increases toward the n layer, and x = W at the interface between the i layer and the n layer. . A function f (x) representing this attenuation is represented by φexp (−αx).
図６（ｃ）は、図６（ａ）に示す電流計で図６（ｂ）のような光の吸収を行った場合の、光電流値（Ｉ（ｔ））の変化（光入射直後の過渡特性）を示した図である。またｔに対する値はφｅｘｐ（Ｂαｔ）となる。図６（ｄ）は、図６（ｃ）で示した光電流値を微分するイメージである。微小電流変化ｄＩ（ｔ）を微小時間ｄｔで割る事で微分を行う。 FIG. 6C shows a change in the photocurrent value (I (t)) immediately after light incidence when the ammeter shown in FIG. 6A absorbs light as shown in FIG. 6B. It is the figure which showed the transient characteristic. The value for t is φexp (Bαt). FIG. 6D is an image for differentiating the photocurrent value shown in FIG. Differentiation is performed by dividing the minute current change dI (t) by the minute time dt.
数式１８に示した光電流Ｉ（ｔ）の式はαを含む関数である。このαの値は図５に示したように入射光波長毎に固有の値を持つ。そのためαの値を求める事で入射光波長を求める事が出来る。 The expression of the photocurrent I (t) shown in Expression 18 is a function including α. The value of α has a unique value for each wavelength of incident light as shown in FIG. Therefore, the incident light wavelength can be obtained by obtaining the value of α.
「入射光が１波長の場合」を考える。このときの吸収係数α、光強度φの求め方を次に示す。図６（ｂ）に入射光のＰＤ中での強度の変化ｆ（ｘ）を示している。数式で表すと数式８のようになる。また図６（ｃ）は、その際に流れる過渡状態での電流Ｉ（ｔ）を示している。数式で表すと数式１８のようになる。吸収係数αを数式１８より求める。そのために数式１８を微分すると数式４３の様になる。数式４３に対して数式１８にＢを掛けた値で割り算すると数式４４のようになる。この数式４４にあるように、電流値「Ｉ（ｔ）」と、その電流値の微分値「ｄＩ（ｔ）／ｄｔ」を測定する事で、吸収係数「α」を求める事ができる。ここでＢ＝ｖｓｉ（数式１４）である。 Consider “when incident light has one wavelength”. The method for obtaining the absorption coefficient α and the light intensity φ at this time will be described below. FIG. 6B shows a change in intensity f (x) of incident light in the PD. When expressed by a mathematical formula, the mathematical formula 8 is obtained. FIG. 6C shows a current I (t) in a transient state flowing at that time. When expressed by an equation, the equation 18 is obtained. The absorption coefficient α is obtained from Equation 18. For this purpose, Expression 18 is differentiated as shown in Expression 43. When dividing Formula 43 by Formula 18 multiplied by B, Formula 44 is obtained. As shown in Equation 44, the absorption coefficient “α” can be obtained by measuring the current value “I (t)” and the differential value “dI (t) / dt” of the current value. Here, B = v si (Formula 14).
またｖＳｉは上で述べたようにμｎとＥを乗じた値であるため、デバイスに印加する電圧Ｖと、デバイスの空乏層幅（ｉ層の膜厚）、そしてデバイス材料が決まれば求められる。また、数式１８の値（Ｉ（ｔ））は図６（ａ）の測定系により求める事が可能である。 Is also v Si for is a value obtained by multiplying the μn and E as mentioned above, determined with the voltage V applied to the device, the depletion layer width of the device (the thickness of the i layer), and if Kimare device material . Further, the value (I (t)) of Expression 18 can be obtained by the measurement system of FIG.
次に、「φ」をもとめるために数式４３をＡｂ×ｅｘｐ（Ｂαｔ）で割る。また「α」の値は数式４４より求められている。「φ」を求める数式は数式４５の様になる。ここでＡｂの値は数式１７より求められる。このＡｂの値は「α」の値を用いる必要があるが、数式４４で求めた値を用いる。 Next, to obtain “φ”, the equation 43 is divided by Ab × exp (Bαt). Further, the value of “α” is obtained from Equation 44. An equation for obtaining “φ” is as shown in Equation 45. Here, the value of Ab is obtained from Equation 17. Although the value of “α” needs to be used as the value of Ab, the value obtained by Expression 44 is used.
このように１波長の光の場合、「α」、「φ」（φ：光強度）は数式４４及び４５により求める事が出来る。これにより「λ：αに対応した波長」と「Φ：その波長での光強度」が導き出される。 In this way, in the case of light of one wavelength, “α” and “φ” (φ: light intensity) can be obtained by Equations 44 and 45. As a result, “λ: wavelength corresponding to α” and “Φ: light intensity at the wavelength” are derived.
次に、「２波長の光が入射した場合」を考える。図７（ａ）は、ｐｉｎ型ＰＤに電圧Ｖ（逆バイアス）を印加した状態で、２波長の光（photon）が入射した時の、電流Ｉ（ｔ）を測定しているイメージである。図７（ｂ）は、光の強度がｐ層とｉ層の界面の場所（ｘ＝０）でφ1、φ２の値を取る時の、ｘに対する光強度の減衰（光の吸収）の仕方を表したイメージである。ここで、φ１に対応する光波長の方がφ２に対応する光波長より短いとする。この光強度の減衰の仕方は吸収係数α１、α２により表す事ができる。ここで、ｘは距離を示しており、ｐ層とｉ層の界面をｘ＝０としｎ層に向かって増加しｉ層とｎ層の界面をｘ＝Ｗとする値である。この減衰を表す関数ｆ１（ｘ）は数式８と同様に数式４６に示される。 Next, a case where “two-wavelength light is incident” is considered. FIG. 7A is an image of measuring the current I (t) when light of two wavelengths (photon) is incident with the voltage V (reverse bias) applied to the pin type PD. FIG. 7B shows how the light intensity is attenuated (absorption of light) with respect to x when the light intensity takes the values of φ1 and φ2 at the interface between the p layer and i layer (x = 0). It is an image that represents. Here, it is assumed that the light wavelength corresponding to φ1 is shorter than the light wavelength corresponding to φ2. This way of attenuation of light intensity can be expressed by absorption coefficients α1 and α2. Here, x represents a distance, and is a value in which the interface between the p layer and the i layer is x = 0, increases toward the n layer, and the interface between the i layer and the n layer is x = W. A function f1 (x) representing this attenuation is expressed by Equation 46 as in Equation 8.
また、この減衰を表す関数ｆ２（ｘ）も同様に数式４７に示される。 Similarly, the function f2 (x) representing this attenuation is also expressed by Equation 47.
図７（ｃ）は、図７（ａ）に示す電流計で図７（ｂ）のような光の吸収を行った場合の、光電流値（Ｉ（ｔ））の変化（光入射直後の微小時間）を示した図である。Ｉ（ｔ）の値はＩ１（ｔ）とＩ２（ｔ）の合計である。Ｉ１（ｔ）の値は数式１８と同様に数式４８に示される。 FIG. 7C shows a change in the photocurrent value (I (t)) immediately after light incidence when the ammeter shown in FIG. 7A absorbs light as shown in FIG. 7B. It is the figure which showed micro time. The value of I (t) is the sum of I1 (t) and I2 (t). The value of I1 (t) is shown in Equation 48 as in Equation 18.
Ｉ２（ｔ）の値も同様に数式４９に示される。 The value of I2 (t) is also shown in Formula 49.
ここで、Ｂの値は波長が変わっても同じ値をとる。また、Ａｂの値は波長が変わるとαが変化するためＡｂ１とＡｂ２のように違う値をとる。数式１８と同様に光電流Ｉ１（ｔ）はα１を含む関数となる。また、光電流Ｉ２（ｔ）はα２を含む関数となる。このα１、α２の値は図５に示したように入射光波長毎に固有の値を持つ。そのためαの値を求める事で入射光波長を求める事が出来る。 Here, the value of B takes the same value even if the wavelength changes. Moreover, since the value of Ab changes as the wavelength changes, it takes different values such as Ab1 and Ab2. Similar to Equation 18, the photocurrent I1 (t) is a function including α1. The photocurrent I2 (t) is a function including α2. The values of α1 and α2 have unique values for each incident light wavelength as shown in FIG. Therefore, the incident light wavelength can be obtained by obtaining the value of α.
図７（ｄ）は、図７（ｃ）で示した光電流値を微分するイメージである。微分を行う時間（ｔ１の時間）には、条件がある。１つ目の微分ｄ（Ｉ（ｔ１））/ｄｔ１を行う時間ｔ１では、図７（ｃ）のＩ２（ｔ１）が十分小さい必要がある。入射光が２波長の場合の吸収係数α１、α２、光強度φ１、φ２の求め方を次に示す。 FIG. 7D is an image for differentiating the photocurrent value shown in FIG. There is a condition in the time for differentiation (time t1). At time t1 when the first differentiation d (I (t1)) / dt1 is performed, I2 (t1) in FIG. 7C needs to be sufficiently small. A method for obtaining the absorption coefficients α1 and α2 and the light intensities φ1 and φ2 when the incident light has two wavelengths will be described below.
図７（ｂ）に入射光のPD中での強度の変化ｆ１（ｘ）、ｆ２（ｘ）を示している。また図７（ｃ）は、その際に流れる過渡状態での電流Ｉ（ｔ）を示している。数式で表すと数式５０のようになる。 FIG. 7B shows intensity changes f1 (x) and f2 (x) of incident light in the PD. FIG. 7C shows a current I (t) in a transient state flowing at that time. When expressed by a mathematical formula, a mathematical formula 50 is obtained.
ここで、上で示した条件を考える。時間ｔ１ではＩ２（ｔ１）の影響を受けない時間に設定される。例えば、α１＜α２やφ１＞φ２であることなどによりＩ１（ｔ１）＞＞Ｉ２（ｔ１）である時間ｔ１を選定する。そのためＩ（ｔ１）を考えたときＩ２（ｔ１）は十分小さい。このとき、Ｉ（ｔ１）は数式５１で表わされる。 Now consider the conditions shown above. At time t1, it is set to a time that is not affected by I2 (t1). For example, the time t1 that satisfies I1 (t1) >> I2 (t1) is selected because α1 <α2 and φ1> φ2. Therefore, when I (t1) is considered, I2 (t1) is sufficiently small. At this time, I (t1) is expressed by Equation 51.
数式５１に数式４８を代入すると次の数式５２が得られる。 Substituting equation 48 into equation 51 yields the following equation 52:
また、Ｉ（ｔ２）は数式５３で表わされる。 Further, I (t2) is expressed by Equation 53.
ここから、２つの吸収係数（α１とα２）を求める方法を説明する。まず、吸収係数α１を数式５２より求める。そのために数式５２を微分すると数式５４の様になる。 From here, a method for obtaining two absorption coefficients (α1 and α2) will be described. First, the absorption coefficient α1 is obtained from Equation 52. For this purpose, when the formula 52 is differentiated, the formula 54 is obtained.
数式５４に対して数式５２にＢを掛けた値で割り算すると数式５５のようになり、吸収係数α１を求める事ができる。 When the formula 54 is divided by the value obtained by multiplying the formula 52 by B, the formula 55 is obtained, and the absorption coefficient α1 can be obtained.
ここで数式５２の値は図７（ａ）の測定系により求める事が可能である。また、φ１をもとめるために数式５２をＡｂ１・ｅｘｐ（Ｂα１ｔ１）で割る。またα１の値は数式５５より求められている。φ１を求める式は数式５６の様になる。 Here, the value of Formula 52 can be obtained by the measurement system of FIG. In addition, in order to obtain φ1, Formula 52 is divided by Ab1 · exp (Bα1t1). Also, the value of α1 is obtained from Equation 55. The equation for obtaining φ1 is as shown in Equation 56.
次に吸収係数α２を数式４９より求める。さて、数式４９に数式５２を応用すると、数式５７のようになる。 Next, the absorption coefficient α2 is obtained from Equation 49. Now, when Formula 52 is applied to Formula 49, Formula 57 is obtained.
また、数式５７を時間ｔ２で微分すると数式５８の様になる。 Further, when the formula 57 is differentiated at the time t2, the formula 58 is obtained.
数式５８に数式５２を応用すると数式５９の様になる。 When Formula 52 is applied to Formula 58, Formula 59 is obtained.
ここで数式５７と数式５８、また数式５２と数式５４、Ｂの値を用いることで、数式６０のようにα２を求めることができる。 Here, by using the values of Equations 57 and 58, Equations 52 and 54, and B, α2 can be obtained as Equation 60.
ここで、数式５２と数式５４に対応する値は、数式５５で求めたα１を用いる事で、計算により導かれる。そのため、数式５７と数式５８に対応するＩ（ｔ２）とｄＩ（ｔ２）/ｄｔを測定することにより、α２が求められる。また、φ２を求めるために、数式５７と数式５２、Ｂ、α２、Ａｂ２を用いることで、数式６１のようにφ２を求めることができる。 Here, the values corresponding to Formula 52 and Formula 54 are derived by calculation using α1 obtained by Formula 55. Therefore, α2 is obtained by measuring I (t2) and dI (t2) / dt corresponding to Equations 57 and 58. Moreover, in order to obtain | require (phi) 2, (phi) 2 can be calculated | required like Numerical formula 61 by using Numerical formula 57, Numerical formula 52, B, (alpha) 2, Ab2.
ここで、α２の値は数式６０で求められた値を用いる。また、数式５７に対応するＩ（ｔ２）は測定により求められ、数式５２に対する値は、数式５５で求めたα１及び数式５６で求めたφ１を用いる事で計算により求められる。このように２波長の光の場合、α１、φ1（φ1：光強度）は数式５５、数式５６より求める事が出来る。またα２、φ２（φ２：光強度）は数式６０、数式６１により求める事が出来る。これにより２つの波長に対応した「λ：αに対応した波長」と「φ：その波長での光強度」が導き出される。 Here, the value obtained by Expression 60 is used as the value of α2. Further, I (t2) corresponding to Equation 57 is obtained by measurement, and the value for Equation 52 is obtained by calculation using α1 obtained by Equation 55 and φ1 obtained by Equation 56. As described above, in the case of light of two wavelengths, α1, φ1 (φ1: light intensity) can be obtained from Equations 55 and 56. Further, α2 and φ2 (φ2: light intensity) can be obtained by Expression 60 and Expression 61. As a result, “λ: wavelength corresponding to α” and “φ: light intensity at the wavelength” corresponding to the two wavelengths are derived.
次に、「ｎ波長の光が入射した場合」を考える。ｎ波長の光の場合に関係するαｎ、φｎを導く式を以下に導出する。ｎ波長の光の場合も２波長の場合と同様の手順を用いる。測定値Ｉ（ｔ１）とその微分ｄＩ（ｔ１）/ｄｔからα１、φ１を求める。この結果（α１、φ１）と測定値Ｉ（ｔ２）とその微分ｄＩ（ｔ２）/ｄｔの値からα２、φ２を求める。最終的にαｎ、φｎの値は、α１、α２・・・αｎ−１の値と、φ１、φ２、・・・φｎ−１の値と測定値Ｉ（ｔｎ）とその微分ｄＩ（ｔｎ）/ｄｔの値から求められる。ここで、Ａｂｎ、Ｂも同様である。数式Ｉ（ｔｎ）の値は、数式６２のように表される。 Next, “when n-wavelength light is incident” will be considered. Equations for deriving αn and φn related to the case of n-wavelength light are derived below. In the case of n-wavelength light, the same procedure is used as in the case of two-wavelength light. Α1 and φ1 are obtained from the measured value I (t1) and its differential dI (t1) / dt. Α2 and φ2 are obtained from the result (α1, φ1), the measured value I (t2) and the value of the differential dI (t2) / dt. Finally, the values of αn and φn are the values of α1, α2... Αn−1, the values of φ1, φ2,... Φn−1, the measured value I (tn), and the differential dI (tn) / It is obtained from the value of dt. Here, Abn and B are the same. The value of Expression I (tn) is expressed as Expression 62.
またＩｘ（ｔｎ）の値は、数式６３のようにαｘ、φｘの値より求められる。 Further, the value of Ix (tn) is obtained from the values of αx and φx as shown in Equation 63.
ここでｘは０＜ｘ＜ｎの整数である。また、φｘに対応する光波長はφｘ＋１に対応する光波長より短いとする。また、時間ｔｘの設定には条件があるため注意しなければならない。時間ｔｘはＩｘ＋１（ｔ）の影響を受けない時間に設定する必要がある。ここで、Ｉ１（ｔｎ）は光強度φ１、吸収係数α１をもつ光に対応する時間ｔｎにおける光電流となる。またＩ２（ｔｎ）は光強度φ２、吸収係数α２をもつ光に対応する時間ｔｎにおける光電流となる。またＩｎ（ｔｎ）は光強度Φｎ、吸収係数αｎをもつ光に対応する時間ｔｎにおける光電流となる。数式６４よりαｎを求める事ができる。 Here, x is an integer of 0 <x <n. Further, it is assumed that the optical wavelength corresponding to φx is shorter than the optical wavelength corresponding to φx + 1. Also, care must be taken because there are conditions in setting the time tx. The time tx needs to be set to a time that is not affected by Ix + 1 (t). Here, I 1 (tn) is a photocurrent at time tn corresponding to light having optical intensity φ1 and absorption coefficient α1. I 2 (tn) is a photocurrent at time tn corresponding to light having light intensity φ2 and absorption coefficient α2. In (tn) is a photocurrent at time tn corresponding to light having optical intensity Φn and absorption coefficient αn. Αn can be obtained from Equation 64.
また、数式６５よりφｎを求める事ができる。 Further, φn can be obtained from Expression 65.
これらよりｎ個の波長に対応した「λ：αに対応した波長」と「φ：その波長での光強度」が導き出される。以上が第２の方法の内容に相当する実施例である。 From these, “λ: wavelength corresponding to α” and “φ: light intensity at the wavelength” corresponding to n wavelengths are derived. The above is an embodiment corresponding to the contents of the second method.
（応用例）
発明は、ＰＤ及びその電流を検知できる回路であれば用いることができる。応用例の一つとして、図８にイメージセンサに応用した場合の例を示す。図８はイメージセンサの１ピクセルの出力部に微分回路を付け加えた例である。１ピクセルの構造にはＡＰＳ（active pixell sensor）構造を用いている。ＡＰＳ構造はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６，７，８の素子およびＰＤ（フォトダイオード）１３から出来上がる。また、微分回路にはコンデンサ１２，抵抗１１の素子および増幅器１４から出来上がる。また、ＡＰＳ構造からの出力と微分回路からの出力を分けて取得するために、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ９，１０の素子を用いて選択できるような構造としてある。イメージセンサの出力は、信号を蓄積して読みだす方法をとる。このような場合でもイメージセンサにはＰＤ１３が備わっているため、応用することが可能である。また、この例では微分回路を用いているが、光信号の値を検知することができれば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等で微分等の演算をすることができるため、微分回路がなくても利用できる。
(Application examples)
The invention can be used as long as the circuit can detect the PD and its current. As an application example, FIG. 8 shows an example of application to an image sensor. FIG. 8 shows an example in which a differentiation circuit is added to the output portion of one pixel of the image sensor. An APS (active pixel sensor) structure is used for the structure of one pixel. The APS structure is made up of elements of N-channel MOSFETs 6, 7 and 8 and a PD (photodiode) 13. The differentiation circuit is made up of a capacitor 12, an element of a resistor 11, and an amplifier 14. Further, in order to separately obtain the output from the APS structure and the output from the differentiating circuit, the structure can be selected using elements of the N-channel MOSFETs 9 and 10. The output of the image sensor is a method of accumulating and reading out signals. Even in such a case, the image sensor is equipped with the PD 13 and can be applied. In this example, a differentiating circuit is used. However, if the value of the optical signal can be detected, an operation such as differentiation can be performed by a PC (personal computer) or the like. .
以上本発明につき、好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。例えば、上述の実施例では、光電流の過渡応答Ｉ（ｔ）から吸収係数α（λ）及び波長スペクトルφ（λ）を共に求めているが、吸収係数α（λ）を予め測定するなどの方法により予め既知の値として利用することで、波長スペクトルφ（λ）を求めるようにしてもよい。 Although the present invention has been described in various manners with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and it goes without saying that many modifications can be made without departing from the spirit of the invention. is there. For example, in the above-described embodiment, both the absorption coefficient α (λ) and the wavelength spectrum φ (λ) are obtained from the transient response I (t) of the photocurrent, but the absorption coefficient α (λ) is measured in advance. The wavelength spectrum φ (λ) may be obtained by using it as a known value in advance by a method.
１．入射光
２．シャッター
３．ＰＤへの印加電圧
４．ｐｉｎ−ＰＤ
５．電流計
６，７、８、９、１０ ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ
１１．抵抗
１２．コンデンサ
１３．ＰＤ
１４．増幅器
1. Incident light Shutter 3. 3. Applied voltage to PD pin-PD
5. Ammeter 6, 7, 8, 9, 10 N-channel MOSFET
11. Resistance 12. Capacitor 13. PD
14 amplifier
Claims (3)
光電変換素子の光電変換領域に前記任意の単一波長の光を入射可能に構成するとともに前記任意の単一波長の光の入射方向に電界を印加して光電流を生じさせるように構成し、前記任意の光の入射後若しくは遮断後における光電流の過渡応答Ｉ（ｔ）を測定し、前記過渡応答Ｉ（ｔ）の２つの時刻ｔ １ 及びｔ ２ における光電流値Ｉ（ｔ １ ），Ｉ（ｔ ２ ）に基づいて、或いは、或る時刻ｔにおける光電流値Ｉ（ｔ）とその微分値ｄＩ（ｔ）／ｄｔに基づいて、単一の波長λの光を入射したときに生ずる光電流Ｉ（ｔ）を示す以下の数式１により前記光電変換領域の光吸収係数α（λ）若しくはこれに対応する単一波長としての上記波長λと、当該波長λの光の波長強度φ（λ）との少なくとも一方を求めることを特徴とする波長スペクトル検出方法。
It is configured to allow the light of any single wavelength to be incident on the photoelectric conversion region of the photoelectric conversion element and to generate a photocurrent by applying an electric field in the incident direction of the light of any single wavelength , The transient response I (t) of the photocurrent after the incidence or interruption of the arbitrary light is measured, and the photocurrent values I (t 1 ) at two times t 1 and t 2 of the transient response I (t ), This occurs when light of a single wavelength λ is incident based on I (t 2 ) or based on the photocurrent value I (t) and its differential value dI (t) / dt at a certain time t. and the wavelength lambda of a single wavelength corresponding to the light absorption coefficient alpha (lambda) or of the photoelectric conversion region according to equation 1 below indicating the photocurrent I (t), the wavelength the intensity of light of the wavelength lambda phi ( wavelength spectrum detection and obtaining at least one of the lambda) Law.
光電変換素子の光電変換領域に前記任意の光を入射可能に構成するとともに前記任意の光の入射方向に電界を印加して光電流を生じさせるように構成し、前記任意の光の入射後若しくは遮断後における光電流の過渡応答Ｉ（ｔ）を測定し、前記過渡応答Ｉ（ｔ）に基づいて、前記波長スペクトルを求める方法であり、
前記過渡応答Ｉ（ｔ）の測定時刻ｔｉ（ｉは１〜２ｎの整数）における光電流値Ｉ（ｔｉ）に基づいて、前記ｎ個の波長それぞれの光に対する前記光電変換領域の光吸収係数α ｊ 若しくはこれらにそれぞれ対応する前記ｎ個の波長λｊ（ｊは１〜ｎまでの整数）と、これらの各波長λ ｊ にそれぞれ対応するｎ個の光の波長強度φｊ（ｊは１〜ｎまでの整数）との少なくとも一方を以下のｉ＝１〜２ｎの２ｎ個の数式２から計算することにより求めることを特徴とする波長スペクトル検出方法。
The arbitrary light is configured to be incident on the photoelectric conversion region of the photoelectric conversion element, and is configured to generate an electric current by applying an electric field in the incident direction of the arbitrary light. It is a method of measuring a transient response I (t) of a photocurrent after being cut off and obtaining the wavelength spectrum based on the transient response I (t).
The measurement time t i transient response I (t) (i is integer of 1 to 2n) on the basis of the photocurrent I (t i) in the light of the photoelectric conversion region with respect to the n-number of wavelengths of light the absorption coefficient alpha j or each of these corresponding n number of wavelength lambda j (j is an integer of up to 1 to n) and a wavelength intensity of the n light respectively corresponding to each of these wavelengths λ j φ j (j wavelength spectrum detecting how to and finding by calculating from the 2n equation 2 below for i = 1 to 2n at least one of an integer) to 1~n is.
光電変換素子の光電変換領域に前記任意の光を入射可能に構成するとともに前記任意の光の入射方向に電界を印加して光電流を生じさせるように構成し、前記任意の光の入射後若しくは遮断後における光電流の過渡応答Ｉ（ｔ）を測定し、
以下の数式４によりｋ＝１（ｋは１〜ｎの整数）としてＩ（ｔ１）＝Ｉ１（ｔ１）が成立する測定時刻ｔ１を選定し、当該測定時刻ｔ １ における光電流測定値Ｉ（ｔ １ ）及びその微分値ｄＩ（ｔ １ ）／ｄｔを用いて、波長λ１ に対する前記光電変換領域の光吸収係数α １ 、或いは、前記測定時刻ｔ１に対応するｋ＝１とした以下の数式３から波長λ１の光の波長強度φ１＝Ｉ（ｔ１）／{Ａｂ１・ｅｘｐ[Ｂ・α１・ｔ１]}を計算し、
その後、ｋ＝２とした以下の数式４のＩ（ｔ２）＝Ｉ１（ｔ２）＋Ｉ２（ｔ２）が成立する測定時刻ｔ２を選定し、当該測定時刻ｔ ２ における光電流測定値Ｉ（ｔ ２ ）及びその微分値ｄＩ（ｔ ２ ）／ｄｔと、ｍ＝１とした以下の数式５から得たＩ１（ｔ２）＝Ａｂ１・φ１・ｅｘｐ［Ｂ・α１・ｔ２］及びその微分値ｄＩ １ （ｔ ２ ）／ｄｔの値を用いて、波長λ２ に対する前記光電変換領域の光吸収係数α ２ 、或いは、前記測定時刻ｔ２に対応するｋ＝２とした以下の数式３から波長λ２の光の波長強度φ２＝{Ｉ（ｔ２）−Ｉ１（ｔ２）}／{Ａｂ２・ｅｘｐ［Ｂ・α２・ｔ２］}を計算するというように、
以下の数式４が成立する測定時刻ｔｋを選定するとともに前記測定時刻ｔｋにおける光電流測定値Ｉ（ｔｋ）及びその微分値ｄＩ（ｔ ｋ ）／ｄｔ ｋ と数式５から得たｍ＝１〜ｋ−１までのＩｍ（ｔ ｋ ）及びそれらの微分値ｄＩ ｍ （ｔ ｋ ）／ｄｔの値を用いて、前記任意の光の波長λ ｋ に対する前記光電変換領域の光吸収係数α ｋ 、或いは、前記測定時刻ｔ ｋ に対応する数式３から波長λ ｋ の光の波長強度φ ｋ を計算するという手順を、ｋが１からｎとなるまで順次に繰り返すことにより、ｎ個の波長λ ｋ のそれぞれの光に対する前記光電変換領域の前記光吸収係数α ｋ 若しくはこれらに対応するｎ個の波長λｋ と、これらの各波長λ ｋ にそれぞれ対応するｎ個の光の波長強度φｋ との少なくとも一方を求めることを特徴とする波長スペクトル検出方法。
The arbitrary light is configured to be incident on the photoelectric conversion region of the photoelectric conversion element, and is configured to generate an electric current by applying an electric field in the incident direction of the arbitrary light. Measure the transient response I (t) of the photocurrent after blocking,
K using Equation 4 the following = 1 (k is an integer of 1 to n) I (t 1) as a = I 1 (t 1) is selected measurement time t 1 which satisfies the photocurrent at the measurement time t 1 using measurements I (t 1) and its differential value dI (t 1) / dt, the light absorption coefficient alpha 1 of the photoelectric conversion region to the wavelength lambda 1, or, k = 1 corresponding to the measurement time t 1 calculates the wavelength intensity from the following equation 3 with the wavelength lambda 1 of the light φ 1 = I (t 1) / {Ab 1 · exp [B · α 1 · t 1]},
Then, I (t 2) of k = 2 and the following equation 4 = I 1 (t 2) + I 2 (t 2) is selected measurement time t 2 which holds the photocurrent measurement at the measurement time t 2 The value I (t 2 ) and its differential value dI (t 2 ) / dt and I 1 (t 2 ) = Ab 1 · φ 1 · exp [B · α 1 obtained from the following equation 5 where m = 1 · t 2] and by using the value of the differential value dI 1 (t 2) / dt , the light absorption coefficient alpha 2 of the photoelectric conversion region to the wavelength lambda 2, or, k = 2 which corresponds to the measurement time t 2 The wavelength intensity φ 2 = {I (t 2 ) −I 1 (t 2 )} / {Ab 2 · exp [B · α 2 · t 2 ]} of the light of wavelength λ 2 is calculated from Like
The measurement time t k at which the following Equation 4 is satisfied is selected, and the photocurrent measurement value I (t k ) and the differential value dI (t k ) / dt k at the measurement time t k and m 5 obtained from Equation 5 = The light absorption coefficient α k of the photoelectric conversion region with respect to the wavelength λ k of the arbitrary light, using Im (t k ) from 1 to k−1 and the value of the differential value dI m (t k ) / dt thereof. Alternatively, by repeating the procedure of calculating the wavelength intensity φ k of the light of wavelength λ k from Equation 3 corresponding to the measurement time t k until k becomes 1 to n , n wavelengths λ the wavelength lambda k the light absorption coefficient alpha k or of n corresponding to these of the photoelectric conversion region for each of the light k, and wavelength intensity phi k of the respective wavelengths lambda k of the corresponding n optical wave you and obtains at least one of Spectrum detection method.
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