JPH0814509B2 - 分光測定センサ - Google Patents
分光測定センサInfo
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- JPH0814509B2 JPH0814509B2 JP61111497A JP11149786A JPH0814509B2 JP H0814509 B2 JPH0814509 B2 JP H0814509B2 JP 61111497 A JP61111497 A JP 61111497A JP 11149786 A JP11149786 A JP 11149786A JP H0814509 B2 JPH0814509 B2 JP H0814509B2
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- G—PHYSICS
- 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
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
-
- G—PHYSICS
- 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
-
- G—PHYSICS
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/201—Filters in the form of arrays
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、入射光を電気信号に変換する受光素子を複
数列設した受光素子アレイと、入射光を複数の異なる波
長成分に分光し、前記複数の受光素子のそれぞれに各波
長成分の光が入射するよう、前記受光素子アレイに対向
または接触して配置された分光フィルタとからなる分光
測定センサに関する。
数列設した受光素子アレイと、入射光を複数の異なる波
長成分に分光し、前記複数の受光素子のそれぞれに各波
長成分の光が入射するよう、前記受光素子アレイに対向
または接触して配置された分光フィルタとからなる分光
測定センサに関する。
従来の技術 従来のこの種の分光測定センサとして、特開昭59-208
04号公報に開示されたものを第４図に示し、以下これを
説明する。
04号公報に開示されたものを第４図に示し、以下これを
説明する。
第４図において、11はシリコンフォトダイオード（SP
D）11aを列設したシリコンフォトダイオードアレイ（SP
Dアレイ）である。
D）11aを列設したシリコンフォトダイオードアレイ（SP
Dアレイ）である。
13は干渉フィルタであり、表面が階段状に、裏面が平
坦に形成された二酸化シリコン（SiO2）層13a、二酸化
シリコン層13aの表裏両面に蒸着された銀（Ag）層13b,1
3cおよび銀層13bの表面，銀層13cの裏面に蒸着された二
酸化シリコン（SiO2）の保護膜13d,13eからなる。
坦に形成された二酸化シリコン（SiO2）層13a、二酸化
シリコン層13aの表裏両面に蒸着された銀（Ag）層13b,1
3cおよび銀層13bの表面，銀層13cの裏面に蒸着された二
酸化シリコン（SiO2）の保護膜13d,13eからなる。
中間の二酸化シリコン層13aの表面の段階形状は、測
定すべき波長の数と同数のステップをもち、各ステップ
で構成される個々のフィルタF1〜Fnの面積は、各SPD11a
と同一面積に構成されている。この干渉フィルタ13は、
厚みが大きい領域ほど透過する波長が長くなる。
定すべき波長の数と同数のステップをもち、各ステップ
で構成される個々のフィルタF1〜Fnの面積は、各SPD11a
と同一面積に構成されている。この干渉フィルタ13は、
厚みが大きい領域ほど透過する波長が長くなる。
SPDアレイ11と干渉フィルタ13の保護膜13eとは、小間
隔をおいて対向される場合もあるし、密接された状態に
一体接合される場合もある。破線は、そのことを表して
いる。なお、干渉フィルタ13は、SPDアレイ11に比べ極
端に拡大して図示してある。
隔をおいて対向される場合もあるし、密接された状態に
一体接合される場合もある。破線は、そのことを表して
いる。なお、干渉フィルタ13は、SPDアレイ11に比べ極
端に拡大して図示してある。
別の従来例として、特開昭59-43321号公報に開示され
たものを第８図に示し、以下これを説明する。
たものを第８図に示し、以下これを説明する。
第８図において、21は白色光の光源、22は試料、23は
単色光に分散するプリズム、24はSPDアレイ、25は信号
処理部である。SPDアレイ24は、等間隔に列設された多
数のSPD24aを有している。
単色光に分散するプリズム、24はSPDアレイ、25は信号
処理部である。SPDアレイ24は、等間隔に列設された多
数のSPD24aを有している。
分散された各波長の単色光が入射するSPD24aの個数は
波長によって異なる。即ち、短波長側ほどプリズム23に
よって大きく屈折され、拡がりが大きいため、長波長側
よりも多くのSPD24aに入射する。
波長によって異なる。即ち、短波長側ほどプリズム23に
よって大きく屈折され、拡がりが大きいため、長波長側
よりも多くのSPD24aに入射する。
そこで、同一波長域の単色光を受光する複数のSPD24a
を互いに接続して１つの信号として取り出すように構成
している。その結果、SPDアレイ24として、多数のSPD24
aが等間隔で列設された通常のSPDアレイをそのまま利用
することができる。
を互いに接続して１つの信号として取り出すように構成
している。その結果、SPDアレイ24として、多数のSPD24
aが等間隔で列設された通常のSPDアレイをそのまま利用
することができる。
発明が解決しようとする問題点 しかしながら、第４図に示した従来例には、次のよう
な問題点がある。
な問題点がある。
SPD11aの光電変換率は短波長側ほど低く、その波長‐
出力特性は第５図のようになる。また、干渉フィルタ13
は、その構造上、長波長側ほど二酸化シリコン層13aの
厚みが大きく、その波長‐透過率特性は第６図のように
なる。
出力特性は第５図のようになる。また、干渉フィルタ13
は、その構造上、長波長側ほど二酸化シリコン層13aの
厚みが大きく、その波長‐透過率特性は第６図のように
なる。
このように、各SPD11aの出力は、干渉フィルタ13の透
過率とSPD11aの光電変化率とによって決まる。
過率とSPD11aの光電変化率とによって決まる。
第４図の従来例の場合、干渉フィルタ13の各ステップ
に対応した各波長ごとのフィルタF1〜Fnの受光面積も、
各SPD11aの受光面積もすべて同一であるため、第７図に
示すように、波長ごとに対応する各SPD11aの出力は、約
500〔nm〕の波長を境として、それよりも短波長側ではS
PD11aの光電変換率が低下することに起因した出力低下
があり、長波長側では干渉フィルタ13の透過率が低下す
ることに起因した出力低下がある。
に対応した各波長ごとのフィルタF1〜Fnの受光面積も、
各SPD11aの受光面積もすべて同一であるため、第７図に
示すように、波長ごとに対応する各SPD11aの出力は、約
500〔nm〕の波長を境として、それよりも短波長側ではS
PD11aの光電変換率が低下することに起因した出力低下
があり、長波長側では干渉フィルタ13の透過率が低下す
ることに起因した出力低下がある。
このように波長によって出力が変動するという特性が
あるため、従来では、測定波長を異にするSPD11aごとに
利得の異なる増幅器を使用しなければならず、回路構成
が複雑なものとなっているとともに、S/N比が波長によ
って相違するため高精度な測定が困難であるという問題
があった。
あるため、従来では、測定波長を異にするSPD11aごとに
利得の異なる増幅器を使用しなければならず、回路構成
が複雑なものとなっているとともに、S/N比が波長によ
って相違するため高精度な測定が困難であるという問題
があった。
なお、第９図に示すように、二酸化シリコン層13aの
表面を一定の傾斜角の斜面に形成したものも提案されて
いるが、原理的には第４図のものと同様な問題がある。
表面を一定の傾斜角の斜面に形成したものも提案されて
いるが、原理的には第４図のものと同様な問題がある。
また、第８図に示した従来例には、次のような問題点
がある。
がある。
短波長側において、１つの単色光が複数のSPD24aに入
射するため、これら複数のSPD24aを互いに接続しなけれ
ばならない。その接続線の１つが断線したとしても、出
力があるために、断線したことが判らない。その状態で
測定すると、誤差が発生する。
射するため、これら複数のSPD24aを互いに接続しなけれ
ばならない。その接続線の１つが断線したとしても、出
力があるために、断線したことが判らない。その状態で
測定すると、誤差が発生する。
プリズム23とSPDアレイ24との距離，方向が異なる
と、単色光が入射するSPD24aの数が変化するため、前記
の距離，方向を厳密に設定しなければならないし、単色
光によって入射するSPD24aの数が異なり、どのSPD24aど
うしを結線すればよいのかについて慎重な配慮が必要と
なるという製造面での制約がある。
と、単色光が入射するSPD24aの数が変化するため、前記
の距離，方向を厳密に設定しなければならないし、単色
光によって入射するSPD24aの数が異なり、どのSPD24aど
うしを結線すればよいのかについて慎重な配慮が必要と
なるという製造面での制約がある。
さらに、単色光が入射するSPD24aの数が短波長側ほど
多いため、SPD24aが短波長側ほど光電変換率が低くなる
ことをカバーしてはいるが、第５図に示す波長‐出力特
性が厳密に考慮されたものではなく、波長によって出力
が変動する。
多いため、SPD24aが短波長側ほど光電変換率が低くなる
ことをカバーしてはいるが、第５図に示す波長‐出力特
性が厳密に考慮されたものではなく、波長によって出力
が変動する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
って、測定すべき全波長領域において出力を一定にでき
るようにするとともに、回路構成を簡単化できるように
することを目的とする。
って、測定すべき全波長領域において出力を一定にでき
るようにするとともに、回路構成を簡単化できるように
することを目的とする。
問題点を解決するための手段 本発明は、前記のような問題点を解決するために、次
のような構成をとる。
のような構成をとる。
即ち、本発明の分光測定センサは、 入射光を電気信号に変換する受光素子を複数列設した
受光素子アレイと、 入射光を複数の異なる波長成分に分光し、前記複数の
受光素子のそれぞれに各波長成分の光が入射するよう、
前記受光素子アレイに対向または接触して配置された分
光フィルタとからなり、 前記個々の受光素子の各波長域での出力が互いに実質
的に同一となるように、前記各受光素子とその受光素子
に対応するフィルタとの組合せによる分光感度が低い波
長域ほど、前記受光素子及びフィルタのアレイ方向の寸
法を大きくすることにより受光面積が大きい状態に構成
してあることを特徴とするものである。
受光素子アレイと、 入射光を複数の異なる波長成分に分光し、前記複数の
受光素子のそれぞれに各波長成分の光が入射するよう、
前記受光素子アレイに対向または接触して配置された分
光フィルタとからなり、 前記個々の受光素子の各波長域での出力が互いに実質
的に同一となるように、前記各受光素子とその受光素子
に対応するフィルタとの組合せによる分光感度が低い波
長域ほど、前記受光素子及びフィルタのアレイ方向の寸
法を大きくすることにより受光面積が大きい状態に構成
してあることを特徴とするものである。
作用 この構成による作用は、次の通りである。
即ち、各受光素子と各フィルタとによる総合的な分光
感度が低い領域ほど受光素子およびフィルタの受光面積
が大きい状態となるようにするに当たり、個々の受光素
子の各波長域での出力が互いに実質的に同一となるよう
に各受光素子および各フィルタの受光面積を決めてある
ので、受光素子の波長‐出力特性とフィルタの波長‐透
過率特性に影響されることなく、各受光素子の出力が一
定化する。
感度が低い領域ほど受光素子およびフィルタの受光面積
が大きい状態となるようにするに当たり、個々の受光素
子の各波長域での出力が互いに実質的に同一となるよう
に各受光素子および各フィルタの受光面積を決めてある
ので、受光素子の波長‐出力特性とフィルタの波長‐透
過率特性に影響されることなく、各受光素子の出力が一
定化する。
実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
る。
第１図は、本発明が原理とするところの各波長と、個
々のシリコンフォトダイオード（SPD）および個々のフ
ィルタの受光面積とSPDの出力との関係を示す特性図で
ある。
々のシリコンフォトダイオード（SPD）および個々のフ
ィルタの受光面積とSPDの出力との関係を示す特性図で
ある。
この第１図の特性と第７図の特性との関係は、次の通
りである。
りである。
第７図において、最大出力Omaxに対応した波長を
λ０、任意の波長λに対応した出力をＯλとする。SPD
およびフィルタの受光面積S0は波長に無関係に一定であ
る。第１図において、波長λに対応したSPDおよびフィ
ルタの受光面積をＳλとする。そして、任意の波長につ
いての出力O0を一定とし、かつ、第７図の最大出力Omax
と等しいとするためには、 の関係があればよいことになる。この式（１）に従って
作図したのが第１図の特性図である。波長λ０よりも短
波長側でも長波長側でも、受光面積は、波長λ０のとき
の受光面積S0よりも大きくなり、かつ、波長λ０との波
長差が大きくなるほど受光面積も大きくなる。
λ０、任意の波長λに対応した出力をＯλとする。SPD
およびフィルタの受光面積S0は波長に無関係に一定であ
る。第１図において、波長λに対応したSPDおよびフィ
ルタの受光面積をＳλとする。そして、任意の波長につ
いての出力O0を一定とし、かつ、第７図の最大出力Omax
と等しいとするためには、 の関係があればよいことになる。この式（１）に従って
作図したのが第１図の特性図である。波長λ０よりも短
波長側でも長波長側でも、受光面積は、波長λ０のとき
の受光面積S0よりも大きくなり、かつ、波長λ０との波
長差が大きくなるほど受光面積も大きくなる。
なお、第１図に示す特性図は、その一定出力O0が第７
図の最大出力Omaxと同一であることを前提にしたもので
あるが、一定出力O0を第７図のどの出力と同一としても
よい。その場合は、式（１）に代わる別の変換式を用い
ればよく、特性曲線は第１図のものとは相違することに
なるが、すべての波長に対してSPDの出力を一定にする
ことに変わりはない。
図の最大出力Omaxと同一であることを前提にしたもので
あるが、一定出力O0を第７図のどの出力と同一としても
よい。その場合は、式（１）に代わる別の変換式を用い
ればよく、特性曲線は第１図のものとは相違することに
なるが、すべての波長に対してSPDの出力を一定にする
ことに変わりはない。
第２図は本発明の第１実施例に係る分光測定センサの
概略的な断面図である。
概略的な断面図である。
第２図において、従来例に係る第４図に示した符号と
同一の符号は、本実施例においても、その符号が示す部
品，部分等と同様のものを指す。また、特記しない限
り、配置関係についても本実施例と従来例とは同様の構
成を有している。
同一の符号は、本実施例においても、その符号が示す部
品，部分等と同様のものを指す。また、特記しない限
り、配置関係についても本実施例と従来例とは同様の構
成を有している。
本実施例において、従来例と異なっている構成は、次
の通りである。
の通りである。
受光素子アレイとしてのSPDアレイ１を構成する複数
のSPD1aの受光面積が測定波長に対応して、第１図の特
性図に従って決定された面積となっている。即ち、測定
波長を500〔nm〕以上として、短波長側のSPD1aの受光面
積は大きく、長波長側のSPD1aほど受光面積が小さくな
るように構成してある。加えて、干渉フィルタ３におけ
る各波長ごとのフィルタF1〜Fnの面積も、各SPD1aの面
積と等しく構成してある。
のSPD1aの受光面積が測定波長に対応して、第１図の特
性図に従って決定された面積となっている。即ち、測定
波長を500〔nm〕以上として、短波長側のSPD1aの受光面
積は大きく、長波長側のSPD1aほど受光面積が小さくな
るように構成してある。加えて、干渉フィルタ３におけ
る各波長ごとのフィルタF1〜Fnの面積も、各SPD1aの面
積と等しく構成してある。
その他の構成は第４図の従来例と同様であるので、説
明を省略する。
明を省略する。
照射された光に含まれる各波長成分を透過した干渉フ
ィルタ３の各フィルタF1〜Fnに対応するSPD1aの出力は
いずれも同一となる。
ィルタ３の各フィルタF1〜Fnに対応するSPD1aの出力は
いずれも同一となる。
なお、測定波長が500〔nm〕を挟んでその両側にわた
る場合には、SPD1aおよび干渉フィルタ３の各フィルタF
1〜Fnの受光面積は、最短波長から500〔nm〕にかけて次
第に減少し、500〔nm〕から最長波長にかけて次第に増
加するように構成する。
る場合には、SPD1aおよび干渉フィルタ３の各フィルタF
1〜Fnの受光面積は、最短波長から500〔nm〕にかけて次
第に減少し、500〔nm〕から最長波長にかけて次第に増
加するように構成する。
次に、第２実施例を第３図に基づいて説明する。
第２実施例は、干渉フィルタ３における二酸化シリコ
ン層13aの表面を滑らかに湾曲する状態に構成したもの
であるが、各SPD1aの受光面積および干渉フィルタ３の
各フィルタF1〜Fnの受光面積は、第１実施例と同様であ
る。
ン層13aの表面を滑らかに湾曲する状態に構成したもの
であるが、各SPD1aの受光面積および干渉フィルタ３の
各フィルタF1〜Fnの受光面積は、第１実施例と同様であ
る。
干渉フィルタ３の各フィルタF1〜Fnは、長波長側とな
るほど、傾斜角が大きくなっている。
るほど、傾斜角が大きくなっている。
第1,第２の各実施例では、干渉フィルタ３の透過率が
特定波長から長波長側となるにつれて減少し、SPD1aの
出力が特定波長から短波長側となるにつれて減少するも
のであったが、これとは逆の特性をもつ受光素子とフ
ィルタとの組み合わせの場合、透過率，出力がともに
長波長側ほど減少するような組み合わせの場合、透過
率，出力がともに短波長側ほど減少するような組み合わ
せの場合もあり得、本発明は、いずれの場合も実施例と
して含む。
特定波長から長波長側となるにつれて減少し、SPD1aの
出力が特定波長から短波長側となるにつれて減少するも
のであったが、これとは逆の特性をもつ受光素子とフ
ィルタとの組み合わせの場合、透過率，出力がともに
長波長側ほど減少するような組み合わせの場合、透過
率，出力がともに短波長側ほど減少するような組み合わ
せの場合もあり得、本発明は、いずれの場合も実施例と
して含む。
効果 本発明によれば、次の効果が発揮される。
即ち、受光素子の波長‐出力特性とフィルタの波長‐
透過率特性に影響されることのないように各受光素子お
よび各フィルタの受光面積を決めてあるので、広い波長
領域にわたって一定の出力を得ることができる。従っ
て、分光測定センサの出力の増幅器としては、単一利得
のものでよく、回路構成が簡単になる。また、出力が全
波長域で一定であるため、S/N比が向上し、高精度な測
定が可能となる。
透過率特性に影響されることのないように各受光素子お
よび各フィルタの受光面積を決めてあるので、広い波長
領域にわたって一定の出力を得ることができる。従っ
て、分光測定センサの出力の増幅器としては、単一利得
のものでよく、回路構成が簡単になる。また、出力が全
波長域で一定であるため、S/N比が向上し、高精度な測
定が可能となる。
また、個々の受光素子に対する結線数は１つずつでよ
いし、フィルタと受光素子との配置関係も比較的簡単に
決定できるため、製造が簡単になる。また、断線した場
合には、その受光素子からの出力がないため、断線した
ことが直ちに判る。
いし、フィルタと受光素子との配置関係も比較的簡単に
決定できるため、製造が簡単になる。また、断線した場
合には、その受光素子からの出力がないため、断線した
ことが直ちに判る。
第１図は本発明の原理を説明する波長‐面積，出力の特
性図、第２図は本発明の第１実施例に係る分光測定セン
サの概略的な断面図、第３図は第２実施例に係る分光測
定センサの概略的な断面図である。また、第４図は従来
の分光測定センサの概略的な断面図、第５図はシリコン
フォトダイオードの波長‐出力特性図、第６図は干渉フ
ィルタの波長‐透過率特性図、第７図は従来の分光測定
センサの波長‐出力，面積の特性図、第８図は別の従来
例の分光測定センサの概略的な断面図、第９図はさらに
別の従来例の分光測定センサの概略的な断面図である。 １……シリコンフォトダイオードアレイ（受光素子アレ
イ） 1a……シリコンフォトダイオード（受光素子） ３……干渉フィルタ（フィルタ）
性図、第２図は本発明の第１実施例に係る分光測定セン
サの概略的な断面図、第３図は第２実施例に係る分光測
定センサの概略的な断面図である。また、第４図は従来
の分光測定センサの概略的な断面図、第５図はシリコン
フォトダイオードの波長‐出力特性図、第６図は干渉フ
ィルタの波長‐透過率特性図、第７図は従来の分光測定
センサの波長‐出力，面積の特性図、第８図は別の従来
例の分光測定センサの概略的な断面図、第９図はさらに
別の従来例の分光測定センサの概略的な断面図である。 １……シリコンフォトダイオードアレイ（受光素子アレ
イ） 1a……シリコンフォトダイオード（受光素子） ３……干渉フィルタ（フィルタ）
Claims (1)
- 【請求項１】入射光を電気信号に変換する受光素子を複
数列設した受光素子アレイと、 入射光を複数の異なる波長成分に分光し、前記複数の受
光素子のそれぞれに各波長成分の光が入射するよう、前
記受光素子アレイに対向または接触して配置された分光
フィルタとからなり、 前記個々の受光素子の各波長域での出力が互いに実質的
に同一となるように、前記各受光素子とその受光素子に
対応するフィルタとの組合せによる分光感度が低い波長
域ほど、前記受光素子及びフィルタのアレイ方向の寸法
を大きくすることにより受光面積が大きい状態に構成し
てあることを特徴とする分光測定センサ。
Priority Applications (2)
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| JP61111497A JPH0814509B2 (ja) | 1986-05-15 | 1986-05-15 | 分光測定センサ |
| US07/049,287 US4822998A (en) | 1986-05-15 | 1987-05-12 | Spectral sensor with interference filter |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP61111497A JPH0814509B2 (ja) | 1986-05-15 | 1986-05-15 | 分光測定センサ |
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