JPS63210631A

JPS63210631A - 電磁波の波長別検出方法

Info

Publication number: JPS63210631A
Application number: JP4277087A
Authority: JP
Inventors: Hirokatsu Yashiro; 弘克矢代; Atsushi Kawasaki; 川崎　篤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1987-02-27
Publication date: 1988-09-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、電磁波、特に紫外、可視、赤外域の光の分光
、検出、あるいはマイクロ波、ミリ波等の波長別検出方
法に関するもので１分光、放射測温、光通信、光センサ
その他広範な範囲に使用し得るものである。

（従来の技術）従来、光を分光検出するためには一般に分光器が用いら
れ、プリズムまたはグレーティングによって目的とする
光の波長成分を分離して取り出し、光電子増倍管（フォ
ルトマルチプライヤ−）等の検出器で検出している。し
かしながらこの場合、異る波長成分の光を検出するため
にはプリズムまたはグレーティングを回転させる必要が
あるため、異る波長成分を同時に測定することはできな
い。また最近１例えばスペクトロフォトメータのように
ブレーティングとレンズまたは凹面鏡を組合せて、電磁
波をフォトダイオートアレイ上に集光させて検出する装
置が出現し、異る波長成分を同時に検出できるようにな
ってはきたが、装置が大がかりでありしかも高価である
ので、工業用として一般に用いられるには至っていない
。一方フレネルゾーンプレートは分光特性をもっている
が最近ではあまり注目されておらず、僅かに文献が散見
される程度である。例えばＩ［ＥＥＥジャーナル　オブ
　クオンタム　エレクトロニクス、　ＱＥ−１５巻第７
号（１９８０年７月）７４４頁乃至７５３頁に光導波路
上のレンズとしてその有用性が議論されている。すなわ
ちＢａｎガラス上に真空蒸着によってＣａＯ膜を形成し
、電子線レソグラフィにより一次元のフレネルゾーンプ
レートを製作し、最高２３％の効率を得た事が記述され
ている。なおここで「−次元」の意味はＢａＯガラス上
にＸ−ｙ直交座標系をとり。

Ｘ軸に沿ってはフレネルゾーンプレートのバタンか作ら
れているが、ｙ軸に沿っては一様な状態であることを指
す。しかしながらこの論文にはフレネルゾーンプレート
の分光特性については全く言及されていない。

また、センサーレビュー第５巻第２号（１９８５年４月
）６４〜６８頁にはピストンの上にフレネルゾーンプレ
ートを乗せ、該プレートに光を照射し。

反射する光の波長を検出することにより、ピストンの変
位を測定する技術が開示されている。

しかしながら、この技術の具体的な測定例としては波長
の検出には適当なフィルターまたはダイオートカラーセ
ンサ（シャープＰＤ１５０．　ＰＤ１５１）を用いて０
．５μｍから１μｍの波長を検出して１２ｎｏｎの変位
を測定した場合が示されているに過ぎない。なお、この
場合には、多波長の同時検出は不可能である。

（発明が解決しようとする問題点〉本発明は、フレネルゾーンプレートを用いることにより
、極めて簡単な構成により電磁波の波長別分離とそれぞ
れの波長の電磁波のエネルギーの同時測定を行うことを
目的とするものである。

（問題点を解決するための手段）すなわち本発明は、フレネルゾーンプレートに入射した
電磁波がその電磁波の波長によって定まる焦点に収束さ
れることと、そのフレネルゾーンプレートの焦点距離が
電磁波の波長に反比例することを利用して電磁波のエネ
ルギーを波長毎に分離して検出するもので、電磁波をフ
レネルゾーンプレートを通過させて各波長成分毎に分離
させ、さらに各波長成分を検出器に向けて収束させるこ
とにより、各波長成分の電磁波の強度を測定することを
特徴とするものである。

以下図面により本発明について説明する。第１図は検出
器としてサーモパイルを使用した場合の本発明の概念図
で、１はフレネルゾーンプレートで全体が、中心角１８
０°の扇形に構成され。

その内部は弧状の透明領域２と不透明領域３が交互に配
置されている。またフレネルゾーンプレートの周囲は不
透明にしである。４は検出器として使用されるサーモパ
イルである。このサーモパイル４は、シリコンウェファ
上に成長させたｎ型（主として電子が電荷を運ぶ層）の
エピタキシャル層内に不純物を導入して作ったＰ型の層
（主として正孔が電荷を運ぶ層）と、エピタキシャル層
上に真空蒸着によって形成したＡＩ電極との一組を一要
素と、して熱エネルギーを検出するものである。５−１
．５−２．５−３．・・・・・５−ｎはサーモパイル４
の各素子である。なお感度を上げるためＡＩ電極を形成
した後、基板をエツチングにより除去し、エピタキシャ
ル層のみを残し素子の熱抵抗を上げることができる。ま
たこのサーモパイル４はその先端がフレネルゾーンプレ
ート１の光軸（フレネルゾーンプレートの面に直角で、
かつ該フレネルゾーンプレートの円弧の中心を通る直線
）上に位置するように予め調整しておく。なお、サーモ
パイルの各素子５−１゜５−２．５−３．・・・・５−
ｎの先端には電磁波のエネルギーを吸収しやすくするた
めに黒色染料を塗ることが効果的である。

そこで光源７から被測定電磁波（例えば赤外光。

可視光、紫外光等）８をフレネルゾーンプレート１に入
射させると、該電磁波はフレネルゾーンプレート１によ
って波長別に分光され、サーモパイル４の各素子５−１
．５−２．５−３．・・・・５−ｎの先端位置に収束す
る。従ってサーモパイル４の各素子は異る波長人３１人
２１人。、・・・・入イのエネルギーを吸収し、その強
度に応じて熱エネルギーに変換されて検出され、記録装
置６に記録される。

ここでフレネルゾーンプレート１について説明する。フ
レネルゾーンプレートは定数Δｊｆλで特徴付けられる
。ここでｆは焦点距離、λは電磁波の波長である。この
扇形または円形のフレネルゾーンプレートは半径が　　
ｎ＋　　　Ａから　　　ｎ＋　　）＋１）Δの領域が透
明であり。

それ以外の領域は不透明である。ここでθは任意の実数
で、ｎは整数であり中心からｎ番目の弧を表わす。前期
の透明な領域が上記の範囲より大きくなっても、また逆
に小さくなっても定数Δによって決まる弧の周期が変化
しない限りはフレネルゾーンプレートとして機能する。

但し効率は低下する。このフレネルゾーンプレートは、
プレート上にｘｙ直交座標系をとったとき。

ｘ、ｙ双方の値が決まらない限りその点が透明か不透明
か決められないので二次元のフレネルゾーンプレートと
いう。これに対し１例えばｘ＝ｒπ四薯叩τからｘ＝ｎ
＋　　　十　　の領域が透明で、他の部分が不透明でｙ
に依存しないようなパターンを作れ−ば、これはＸのみ
の関数となるので一次元のフレネルゾーンプレートとな
る。

また透明な領域（第１図における２）に対して不透明な
領域（第１図における３）を設ける代りに、不透明な領
域を通過した電磁波が、透明な領域を通過！電磁波に対
して位相遅れまたは位相進みをもつように不透明な領域
の屈折率を変えてもよい（位相型フレネルゾーンプレー
ト）。

また不透明な領域で９反射または吸収によって電磁波を
除去するようにしてもよい（振巾型または吸収型フレネ
ルゾーンプレート）。

また定数Δ＝ｆλは任意のフレネルゾーンプレートに固
有の値であるから波長λが変化すると焦点距離がｆ＝Δ
／λに従って変化する。

第２図は一次元フレネルゾーンプレート１と検出器とし
て光ダイオートアレイ８とを組合わせた場合の本発明の
概念図である。すなわち、フレネルゾーンプレート１を
通過して波長分離した光の各成分は光ダイオートアレイ
９を構成する各素子１０−１．１０−２．１０−３．・
・・・・１０−ｎによって波長別に検出される。ここで
前記光ダイオートアレイ９について説明する。第３図（
ａ）は光ダイオートアレイ９の説明図で、１１は電極と
Ｐ型基板１２から電流を取り出す端子１３−１．１３−
２．・・・・・１３−ｎは素子１０−１．１０−２．・
・・・・１０−ｎに近接して設けたＶ形の溝である（第
３図ら〕（Ｃ）はその拡大断面図である。〉。なおこの
溝は表面での光の反射率を下げ検出効率を高めるための
ものである。

１４はｎ型層、１５は表面に設けた５１０２皮膜、　１
６−１゜１６−２．・・・・・１６−ｎはそれぞれｎ型
層１４−１．１４−２．・・・・・１４−ｎから電流を
取り出す端子である。また第４図はｎ型層４の表面に溝
１３−１．１３−２．・・・・・１３−ｎを設けた場合
を示すもので、第４図（ｂ）はその拡大断面図を示した
ものである。なお溝の大きさの一例を示すと第３図の場
合は幅５０μｍ、第４図の場合は２μｍ間隔て幅４μｍ
程度、ｎ型層の全幅は１００μｍ程度である。

そこでフレネルゾーンプレート１に電磁波（光）を入射
させると、該フレネルゾーンプレート１で回折した電磁
波８は光ダイオートアレイ９の表面が光軸に平行に配置
されているので９０°に近い大きな入射角で該光ダイオ
ートアレイ９に入射する。例えば入射角が８９°とする
と入射する電磁波の９０％以上が反射され１０％以下し
か吸収・検出されないが、前記のように溝１３−１．１
３−２．・・・・１３−ｎが設けである場合には、該溝
の部分はフレネルゾーンプレート１の光軸から５４゜傾
いているため入射角は８９°から３５°にまで減少し、
その結果反射率も５％以下に下り、従って９５％以上の
光が光ダイオートアレイ９によって検出され、効率は９
．５倍以上向上することになる。

第５図は、検出器として、光の照射される位置によって
端子での電流、電圧が変化する横光効果を有する光検出
素子（ポジションセンシテイブヂイデクタ、以下ＦＰＳ
Ｄと称す。）１７を使用した例を示すもので、該ＰＳＤ
１７　の一端をフレネルゾーンプレート１の光軸上に位
置させ、かつ表面を該光軸に対して角度θ傾けて配置す
る。この場合、光の波長が短くなると、それに反比例し
て焦点距離が延びるので、　ＰＳＤ１７　に照射される
光スポットの位置は上方に移動する。従って該スポット
の位置を検出することにより光の波長を測定することが
できる。すなわち、　ＰＳＤ１７の電極１８を光軸上、
フレネルゾーンプレート１から距離Ｆの位置におき、か
つ電極１９を電極１８から距離り離れた位置に配置する
。ＰＳＤ１７　は前記のように照射された光スポットの
中心位置によって出力信号が定まるので電極１８と電極
１９から取り出せる電流をそれぞれ、　　Ｉ、、　　Ｉ
２とすると。

光スポットの中心の位ｉｆ　Ｘ　ｌはで表わされる。

フレネルゾーンプレート１に入射する光ビームの中心位
置Ｘ＝Ｘｏとすると、電磁波の中心波長２１寸となる。

なおＰＳＤ　の傾き角θは３０°以上にすれば９０％以
上の光が吸収されることになる。

（実施例）実施例１囲の６種の波長で発振するアルゴンレーザーの波長分離
検出を行った。フレネルゾーンプレートの透明領域はガ
ラス板とし、不透明領域はガラス板上にＣｒ膜を付着さ
せて形成した。なおリング数を２００．半径がＦ重τか
ら、ｒて「ｔＴＹＬ−の範囲（ｎ＝１〜２００）を透明
領域とした。フレネルゾーンプレートに光軸に平行な光
が入射した場合。

焦点での光の強度はリング数の二乗に比例し。

光軸上での光強度の変化で定義する波長分解能はリング
数の逆数の値となるから１本フレネルゾーンプレートの
波長分解能は０．５％である。また本フレネルゾーンプ
レートは０．３６μｍから２．７μｍの光に対して有効
である。但しこの波長範囲は基板の材質を変えることに
よって容易に変化させることができる。例えば溶融石英
板（シリカガラス）を用いれば０．２μｍの紫外域から
４μｍの波長まで有効範囲を拡げることができる。

フレネルゾーンプレートの定数Δ＝ｆ・λを１０−７ｍ
２とすると、波長１μｍの光に対する焦点距離は１００
ｍｍ、　　波長０．５μｍの光に対する焦点距離は２０
０ｍｍとなる。

一方検出器として使用するサーモパイルは厚さ１０μｍ
、−素子の巾を１００μｍ長さ１ｍｍ素子間の間隔を１
００μｍとした。−素子にはＡ１電極とＰ型層の組合せ
が２組形成しである。本素子の感度は８Ｖ／Ｗ　（素子
にＩＷの電磁波が吸収されたとき８ｖの電圧が検出され
ることを意味する。）である。

測定に際してはサーモパイルをフレネルゾーンプレート
の光軸に沿って移動し、Ｎｏ、ｌ素子に現れる電圧が最
大になる位置とそのときの電圧を記録した。測定結果を
第１表に示す。なおこの場合電圧が最大となる位置は５
１４５Ａ＃の光を検出した点を基準にとった。また第１
表中「サーモパイルに収束したパワー」はＮ０１１素子
の検出電圧とサーモパイルの感度８．　ＯＶ／ｌ’ｌか
ら算出した値であり、「フレネルゾーンプレートの回折
効率」は「サーモパイルに収束したパワー」を「レーデ
ー光のパワー」で除した値である。この値は計算値６．
１％とよく一致する。

また第１表の内、Ｎｏ、１素子の実測位置と式ｆ＝Δ／
λより求められる計算焦点距離の値を比較すると第６図
のようになる。基準位置として用いた前記５１４５Ａの
光の収束点をｆ＝Δ／λ＝１９４．３６３ｍｍの位置に置くと他の５
つの波長での測定データも計算により求めた焦点距離の
波長依存性を表わす理論値と整合する。

次に５１４５への光がＮｏ、　１素子に収束している状
態でアルゴンレーザを多モード発振させたところ。

Ｎｏ、　２５素子でｌＱｍＷ、　Ｎｏ、３５素子で２１
ｍＷ、　Ｎｏ、５３素子で５４ｍＷのエネルギーが検出
された。これらはそれぞれ５０１７人、　４９６５Ａ、
　４８８０Ａの光に対応する。

このようにして光を波長別に分け、同時に検出すること
ができた。

第１表実施例２第２図に示す方法により光の波長別分光を行った。シリ
コン光ダイオートとして第３図（ａ）に示すものを使用
した。溝の巾と間隔はともに５０μｍとし溝と溝との間
に光ダイオートを形成させた。

従って素子の同期は１００μｍである。このように１２
０素子を持つ光ダイオートに多モード発振しているアル
ゴンレーザビームをフレネルゾーンプレートを透過させ
て照射した。フレネルゾーンプレートに最も近いＮ０１
１素子で５１４５Ａ、　Ｎｏ、５０で４８８０Ａの光を
検出した。信号強度の比は１２：２：４：１であった。

実施例３実施例２における光ダイオートの代りに第４図に示す、
光ダイオート素子の表面に細かい溝（溝の巾４μｍ、溝
の間隔２μｍ）を形成させ。

ダイオート素子の間隔を１０μｍとした。この場合−素
子の上に占めるＶ形溝の面積の割合が減るため一素子の
最大感度は実施例２の場合の２７３に低下するがビーム
巾が小さくても光を検出することができる。Ｎ０１１素
子で５１４５Ａ、　Ｎｏ、４５素子の光を検出した。信
号強度の比は６：１：２：５であり、特に実施例２にお
いて強度が低かった４８８０Ａの光に対する感度が向上
した。

実施例４検出器としてＰＳＤを使用し第５図に示す方法を実施し
た。ＰＳＤとしてｎ型のシリコンにボロンをイオン注入
して抵抗層を作ったものを使用した。巾５ｍｍ、　　厚
さ釦ｍ電極間の距離Ｌ＝１０ｍｍである。このＰＳＤを
光軸からθ：３０°傾けて配置し。

レーザビームを光軸から１０ｍｍ離れた位置に照射した
。（１）先ず電極１７を光軸上でフレネルゾーンプレー
トからｌＱＱｍｍ離して測定し、（２）次に１８０ｍｆ
ｆ１離して測定した。レーザ光の波長を変えたときの波
長から計算される焦点距離、前記（１）および（２）に
おけるＰＳＤ上の光スポツト位置と、その値から計算し
た焦点距離とを第２表に示す。

第２表（＊）ＰＳＤ上スポスポット極１７からの距離（１）の
場合はＰＳＤの位置と焦点が９Ｑｍｍ以上離れているた
め光スポットはＰＳＤ上、はとんど電極１８の近くに照
射され、その結果短波長側の誤差がやや大きいが、（２
）のように目的とする波長の焦点近くに、検出器を位置
させると精度が向上することがわかる。

この実施例において光源としてレーザの代りにハロゲン
ランプとフィルタをフレネルゾーンプレートの光軸上に
配置し光が収束する位置を求めた結果を第３表に示す。

なおハロゲンランプはフレネルゾーンプレートから５０
０ｍｍ１れた位置に配置した。また用いたフィルタの透
過中は３Ｑｎｍ、　　フレネルゾーンプレートの定数△
は１０−’ｍである。

第３表この表から明らかなようにレンズの法則（１／ａ＋１／
ｂ＝１／ｆ）か・ら予測される点に光が収束する。

このことは扇形のフレネルゾーンプレートに光が入射し
たときの光軸上での光の強度がＬａｃｆ−ｃｏ５　　Ｑ
＝：、〕ムｆすＣｏＳニニ〔＋・÷）Δ 入と表わされることバらも理論的に導くことができる。こ
こでａは光軸とフレネルゾーンプレート間の距離、ｂは
光の収束点とフレネルゾーンプレートの距離１ｍはフレ
ネルゾーンプレートの透明な領域の数、Δは波長と焦点
距離の積である。

上式においてπ／２・　［１／ａ＋１／ｂ　）Δ＝πの
とき強度が最大になるからｌ／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ、そ
のときの強度はＩｏｃｍ２になりリングの数の２乗にな
る。

このように本発明の結果は理論値とも整合する。

〔発明の効果〕

以上のように本発明においてフレネルゾーンプレートと
検出器の単純な組合せで電磁波を波長別に分離して検出
する事ができる。したがって光源とフレネルゾーンプレ
ートの間に媒質を置けば、その媒質の吸収スペクトルが
容易に測定できる。また反射光を分析すれば１反射スペ
クトルも測定できる。これは従来１分光器で測定してい
た方法に比べて、可動部分がなく簡単で、異なる波長が
同時に検出できる等の利点がある。

したがって応用範囲としてはくガス分析等の）電磁波の
吸収スペクトルの分析（固体表面等の）電磁波の反射ス
ペクトルの分析等が考えられる。

したがってＳｏ、、　Ｈ，Ｓ、　　オゾン等の大気汚染
ガスの検知も可能である。

近年では１色素レーザーのように連続した波長領域にわ
たって、質の良い（指向性が良く。

エネルギー密度の高い）光源が得られるようになったの
で１本発明の適用範囲はさらに広がるであろう。

また本発明では、レーザーのように平行度の良い光源（
いわば、無限遠から発せられた光源）だけでなく、有限
の位置にある光源も「レンズの法則」に従って収束させ
らせるので有効である。すなわち１本発明は発光分析等
にも応用できる可能性を持っている。

【図面の簡単な説明】

第１図はフレネルゾーンプレートとサーモパイルを組合
わせた場合のは本発明の説明図、第２図はフレネルゾー
ンプレートと光ダイオートアレイを組合わせた場合の本
発明の説明図、第３図は光ダイオートアレイの構成を示
す説明図で。（ａ）は斜面図、ら）は第３図（ａ）におけるＡ−Ａ線
による拡大断面図、（Ｃ）は同じく他の例を示す拡大断
面図、第４図は光ダイオートアレイの他の実例を示す説
明図で（ａ）は斜面図、ら）は第４図（ａ）におけるＡ
−Ａ線による拡大断面図、第５図はフレネルゾーンプレ
ートとＰＳＤを組合わせた場合の本発明の説明図、第６
図は本発明におけるフレネルゾーンプレートの焦点距離
と実測値とを対比した図表である。１：フレネルゾーンプレート、２：透明領域３：不透明
領域、４：サーモパイル。５−１．５−２．・・・・・５−ｎ素子、６：記録装置
７：光源、８：被測定電磁波、９：光ダイオートアレイ
、　１０＝１．１０−２．・・・・・１０−ｎ素子１１
：　接続子、１２：Ｐ型基板。１３−１．　１３−２．・・・・・１３−ｎ溝、１４：
ｎ型層１５　：　５１０２皮膜、　１６−１．１６−２
ｓ・・＝１６−ｎ接触子１７：ポジシヨンセンシテイブ
デイデクタ（ＰＳＤ）１８：電極、１９：電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電磁波をフレネルゾーンプレートを通過させて各
波長成分毎に分離させ、さらに各波長成分を検出器に向
けて収束させることにより各波長成分の電磁波の強度を
測定することを特徴とする電磁波の波長別検出方法
（２）フレネルゾーンプレートの一部分のみを使用する
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項目記載の電磁波
の波長別検出方法
（３）検出器としてサーモパイルを使用し、該サーモパ
イルの各素子がそれぞれ異る波長成分の電磁波を検出す
るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項目
記載の電磁波の波長別検出方法
（４）検出器として光ダイオート及び光トランジスタを
含むｐ−ｎ接合を利用した光検出素子のアレイを用い、
アレイを構成する各素子がそれぞれ異る波長成分の電磁
波を検出するようにしたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項目記載の電磁波の波長別検出方法
（５）検出器として、光照射位置により、端子で測定さ
れる電流、電圧が変化する横光効果を有する光検出素子
を用い、フレネルゾーンプレートを通過し収束する光の
位置を測定することにより、それぞれ異る波長成分の電
磁波を検出することを特徴とする特許請求の範囲第１項
目記載の電磁波の波長別検出方法