WO2022224525A1 - 光検出装置 - Google Patents

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WO2022224525A1
WO2022224525A1 PCT/JP2022/003255 JP2022003255W WO2022224525A1 WO 2022224525 A1 WO2022224525 A1 WO 2022224525A1 JP 2022003255 W JP2022003255 W JP 2022003255W WO 2022224525 A1 WO2022224525 A1 WO 2022224525A1
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WO
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light
peltier element
photodetector according
photodetector
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PCT/JP2022/003255
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English (en)
French (fr)
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祐輔 馬田
敦史 伊藤
正樹 折橋
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ソニーグループ株式会社
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • 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
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • 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
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G01J3/433—Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/02—Mechanical
    • G01N2201/023—Controlling conditions in casing
    • G01N2201/0231—Thermostating

Definitions

  • the present technology relates to a photodetector, for example, a photodetector configured to detect radiation light from a measurement object.
  • Infrared rays with a wavelength of 8 to 10 um are sometimes referred to as the molecular fingerprint region because light absorption due to vibration of molecules including carbon molecules is observed. It has been proposed to analyze organic matter by spectroscopying and analyzing light in this wavelength region that has passed through a substance to be measured (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 it is proposed to obtain composition information of an object by observing changes in wavelength while creating a temperature gradient by applying temperature modulation to the object to be measured.
  • This technology has been developed in view of this situation, and is designed to efficiently perform temperature modulation on the measurement target and to receive more radiation light from the measurement target.
  • a photodetector includes a Peltier element in which a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are arranged between a first substrate and a second substrate, and a temperature modulation is applied by the Peltier element.
  • a light receiving section for receiving light from an object, wherein the first substrate is provided on the side of the object; the second substrate is provided on the side of the light receiving section; At least part of the second substrate is configured to transmit light from the object.
  • a Peltier element in which a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are arranged between a first substrate and a second substrate, and a temperature modulation is applied by the Peltier element.
  • a light receiving unit for receiving light from the object is provided.
  • the first substrate is provided on the object side
  • the second substrate is provided on the light receiving part side, and at least a part of the first substrate and the second substrate transmits light from the object.
  • the photodetector may be an independent device, or may be an internal block constituting one device.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an embodiment of a photodetector to which the present technology is applied;
  • FIG. It is a figure for demonstrating a Peltier element. It is a figure which shows the structural example of a Peltier element. It is a figure which shows the other structural example of a Peltier element. It is a figure which shows the other structural example of a Peltier element. It is a figure which shows the other structural example of a Peltier element. It is a figure which shows the other structural example of a Peltier element. It is a figure which shows the other structural example of a Peltier element.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an arrangement pattern of heating elements; FIG. 4 is a diagram for explaining driving of a heating element; FIG. 4 is a diagram for explaining driving of a heating element and a Peltier element; FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining driving of a heating element and a Peltier element;
  • FIG. 10 is a diagram showing another configuration example of the photodetector;
  • FIG. 10 is a diagram showing another configuration example of the photodetector;
  • FIG. 10 is a diagram showing another configuration example of the photodetector;
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an embodiment of a photodetector to which the present technology is applied.
  • the Peltier element 21a is composed of a substrate 31, a substrate 32, a P-type semiconductor 33, and an N-type semiconductor .
  • a heat sink 22 is arranged on the substrate 32 of the Peltier element 21 a, and a case 23 is arranged on the heat sink 22 .
  • a spectroscopic section 24 and a light receiving section 25 are arranged in the case 23 .
  • the Peltier element 21a has a structure in which a substrate 31 and a substrate 32 are stacked above and below a thermoelectric conversion element in which a P-type semiconductor 33 and an N-type semiconductor 34 are electrically connected in a daisy chain.
  • a thermoelectric conversion element in which a P-type semiconductor 33 and an N-type semiconductor 34 are electrically connected in a daisy chain.
  • An electrode may be provided, and the substrate 31 and the substrate 32 may be laminated on the electrode.
  • the Peltier element 21a causes the lower substrate 31 to radiate heat and the upper substrate 32 to absorb heat by causing a current to flow from the N-type semiconductor 34 to the P-type semiconductor 33 .
  • the lower substrate 31 absorbs heat and the upper substrate 32 releases heat.
  • the photodetector 11a shown in FIG. 1 is a device that detects a predetermined substance contained in an object by measuring radiation light from the object. A description will be added of the predetermined object detection processing performed by the photodetector 11a.
  • Infrared light having a wavelength of 8 to 10 um (hereinafter referred to as mid-infrared light) is sometimes called a molecular fingerprint region because light absorption due to vibration of molecules including carbon molecules is observed. Utilizing this fact, the light in the wavelength region that has passed through the substance to be measured is spectroscopically analyzed, whereby the photodetector 11a for analyzing organic substances can be produced.
  • the wavelength band of mid-infrared light overlaps with the radiant light emitted from substances at room temperature and body temperature. Therefore, if radiant light can be used, the photodetector 11a can easily analyze the composition of organic matter without the need for a light source.
  • the photodetector 11a is provided with a Peltier element 21a, and has a structure capable of applying temperature modulation to an object (measurement target) by means of the Peltier element 21a.
  • the photodetector 11a is configured to apply temperature modulation to the object to be measured, create a temperature gradient, and observe changes in several wavelengths to obtain composition information of the object.
  • the photodetector 11a applies heat to the object by radiating heat from the substrate 31 in contact with the object, raises the temperature of the object, and absorbs heat from the object by absorbing heat from the substrate 31. Lower the temperature of the object.
  • the photodetector 11a repeats heat radiation and heat absorption by changing the direction of the current flowing through the Peltier element 21a, modulates the temperature of the object (measuring object), creates a temperature gradient, and emits light from the object. are separated by the spectroscopic unit 24 and received by the light receiving unit 25, so that changes in some wavelengths are observed.
  • the photodetector 11a drives the Peltier element 21a so as to change the temperature of the object by about ⁇ 5° C. at a cycle of 1 Hz, for example.
  • the photodetector 11a shown in FIG. 1 has a heat sink 22 disposed on a substrate 32 as a heat dissipation member, and has a structure in which absorbed heat can be easily dissipated.
  • the radiant light emitted from the temperature-modulated object is supplied to the spectroscopic section 24 via the Peltier element 21 .
  • the spectroscopic unit 24 includes, for example, a bandpass filter, a Fabry-Perot interferometer, a differential spectrometer, a Fourier transform infrared spectrophotometer, and the like, and is configured to disperse (extract) light in a predetermined band. ing.
  • the radiation light split by the spectroscopic section 24 is received by the light receiving section 25 .
  • a pyroelectric sensor, a thermopile, a bolometer, an MCT sensor, or the like can be used as the light receiving unit 25 .
  • the photodetector 11a thus performs spectral analysis of the object.
  • ceramic substrates such as alumina and alumina nitride are used for the substrates 31 and 32 of the Peltier element 21a. Since such a ceramic substrate is a material that does not easily transmit infrared light, when it is used as the substrate 31 or the substrate 32 of the Peltier element 21a, infrared light, which is radiant light, does not transmit through the substrate 31 or the substrate 32. In addition, there is a possibility that the light receiving section 25 cannot receive the light.
  • At least one of the substrates 31 and 32 of the photodetector 11a is made of a material that sufficiently transmits infrared light.
  • at least one of the substrates 31 and 32 is a substrate that absorbs little mid-infrared light.
  • the substrate 31 and/or substrate 32 is made of a material that transmits mid-infrared light.
  • only a region corresponding to the observation field of the light receiving section 25 may be formed of a material that transmits mid-infrared light.
  • the substrate 31 and/or substrate 32 can be made of a material that transmits mid-infrared light with a wavelength of 5 ⁇ m or more, for example.
  • examples of such materials include silicon, germanium, chalcogenide glass, and diamond.
  • the photodetector 11a Since the photodetector 11a has a Peltier element 21a capable of applying temperature modulation to the object, it is possible to apply sufficient temperature modulation to the object and detect changes in the radiated light from the object. You can make it bigger. Since the photodetector 11a includes the substrate 31 and/or the substrate 32 made of a material that transmits mid-infrared light, the substrate of the Peltier element 21a prevents the radiation from the object from being blocked. Sufficient radiation light can be received by the light receiving section 25 . Therefore, the photodetector 11a can detect a desired substance.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the Peltier element 21b included in the photodetector 11b according to the second embodiment.
  • the Peltier element 21b shown in FIG. 3 differs from the Peltier element 21a in the first embodiment in that the P-type semiconductor 33 and the N-type semiconductor 34 are not arranged in the central region. Other points are the same. A region where the P-type semiconductor 33 and the N-type semiconductor 34 are not arranged corresponds to the observation field of the light receiving section 25 . In other words, the P-type semiconductor 33 and the N-type semiconductor 34 are arranged so as to avoid the optical axis of the light receiving section 25 .
  • the P-type semiconductor 33 and the N-type semiconductor 34 can detect the radiant light generated from the object. can be prevented, and the amount of radiant light received by the light receiving portion 25 can be increased.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the Peltier element 21c included in the photodetector 11c according to the third embodiment.
  • the upper diagram of FIG. 4 shows a configuration example of the cross section of the Peltier element 21c
  • the lower diagram of FIG. 4 shows a configuration example of the Peltier element 21c viewed from the substrate 32c side.
  • the Peltier element 21c in the third embodiment differs from the Peltier element 21b in the second embodiment in that a hole 51 is formed in the central portion of the substrate 32c, and is configured similarly in other respects.
  • the Peltier element 21c shown in FIG. 4 is configured so that the P-type semiconductor 33 and the N-type semiconductor 34 are not arranged in the observation field of the light receiving section 25, and the P-type semiconductor 33 and the N-type semiconductor A hole 51 is formed in a region of the substrate 32c corresponding to the region where the semiconductor 34 is not arranged.
  • the P-type semiconductor 33 It is possible to prevent the N-type semiconductor 34 and the substrate 32c from interfering with the radiant light generated from the object, so that the radiant light received by the light receiving section 25 can be increased.
  • the substrate 32c may be made of a material with high thermal conductivity. By configuring the substrate 32c with a material having high thermal conductivity, the efficiency of heat radiation from the substrate 32c can be improved. Since the heat transmitted from the substrate 31 to the substrate 32c via the P-type semiconductor 33 and the N-type semiconductor 34 can be efficiently radiated from the substrate 32c, the temperature amplitude during temperature modulation can be increased. can. Detection accuracy can be further improved by increasing the temperature amplitude during temperature modulation.
  • the substrate 32c is made of a material with high thermal conductivity, for example, copper (Cu) or silicon carbide (SiC) can be used as the material.
  • the substrate 32c has a hole 51 and is not located in the observation field of the light receiving unit 25. Therefore, it is assumed that the substrate 32c is made of a material that does not transmit mid-infrared light. Even if there is, the reception of the radiant light from the object is not hindered, and good light reception can be maintained.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of the Peltier element 21d included in the photodetector 11d according to the fourth embodiment.
  • the upper diagram of FIG. 5 shows a configuration example of a cross section of the Peltier element 21d
  • the lower diagram of FIG. 5 shows a configuration example of the Peltier element 21d in a plan view from the substrate 32d side.
  • the Peltier element 21d of the fourth embodiment differs from the Peltier element 21a of the first embodiment in that the substrate 32d is composed of a substrate 32d-1 and a substrate 32d-2 made of different materials. Other points are similarly configured.
  • the substrate 32g-1 in the central portion of the substrate 32d and the substrate 32g-2 in the portion other than the central portion are made of materials having different transmittances for mid-infrared light.
  • a substrate 32g-1 of the substrate 32d is made of a material having a higher transmittance to mid-infrared light than the substrate 32g-2. That is, the substrate 32d is designed so that the inner portion corresponding to the substrate 32g-1 has a higher transmittance than the outer peripheral portion corresponding to the substrate 32g-2.
  • the substrate 32g-1 can be, for example, a region corresponding to the hole 51 of the Peltier element 21c shown in FIG. That is, the observation field of view of the light receiving unit 25 is composed of a material that transmits mid-infrared light, and the area other than the observation field of view is made of any material regardless of whether or not the mid-infrared light is transmitted. It may be composed of
  • the substrate 32g-1 is made of the same material as the substrate 31, such as silicon, germanium, chalcogenide glass, and diamond.
  • the substrate 32g-2 can be made of a material with high thermal conductivity in order to improve heat dissipation performance.
  • the substrate 32g-2 can be made of, for example, copper (Cu) or silicon carbide (SiC).
  • Peltier element 21d of the fourth embodiment it is possible to prevent the radiant light emitted from the object from being obstructed, and the radiant light received by the light receiving section 25 can be further increased.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of the Peltier element 21e included in the photodetector 11e according to the fifth embodiment.
  • the Peltier element 21e in the fifth embodiment has a configuration in which a Peltier element 21e-1 and a Peltier element 21e-2 are stacked.
  • the Peltier element 21e-1 and the Peltier element 21e-2 can each have the same configuration as the Peltier element 21a (FIG. 1).
  • the Peltier element 21e-1 is a thermoelectric conversion element in which a P-type semiconductor 33-1 and an N-type semiconductor 34-1 are electrically connected in a daisy chain and formed between the substrates 31-1 and 32-1. ing.
  • the Peltier element 21e-2 is a thermoelectric conversion element in which a P-type semiconductor 33-2 and an N-type semiconductor 34-2 are electrically connected in a daisy chain. is formed in
  • the Peltier element 21e-1 and the Peltier element 21e-2 are stacked such that the substrate 31-2 of the Peltier element 21e-2 is positioned on the substrate 32-1 of the Peltier element 21e-1.
  • the substrate 32-1 and the substrate 31-2 are described separately here for the sake of explanation, they may be formed of one substrate, and the thickness thereof is the thickness of one substrate. It would be nice if it was.
  • the Peltier element 21e By configuring the Peltier element 21e such that a plurality of Peltier elements 21 are stacked, a large temperature amplitude can be obtained during temperature modulation, and the detection accuracy of the photodetector 11e can be further improved. can.
  • the substrate 31-1 of the Peltier element 21e-1 absorbs heat, and the substrate 32-1 releases heat. Since the substrate 31-2 of the Peltier element 21e-2 is in a state of absorbing heat, the heat radiated by the substrate 32-1 can be absorbed. Furthermore, since the substrate 32-2 of the Peltier element 21e-2 is in a state of releasing heat, the heat absorbed by the substrate 32-1 of the Peltier element 21e-1 can be radiated from the substrate 32-2 of the Peltier element 21e-2. can be done.
  • the Peltier element 21e can more efficiently absorb heat from the object. Similarly, the Peltier element 21e can radiate heat to the object more efficiently. Therefore, a large temperature amplitude can be applied to the object during temperature modulation, and the detection accuracy of the photodetector 11e can be improved.
  • the Peltier element 21e in the fifth embodiment does not have the P-type semiconductor 33 and the N-type semiconductor 34 in the observation field of the light receiving section 25. It may be configured.
  • the Peltier element 21e in the fifth embodiment is configured such that a hole 51 is provided in the substrate 32 corresponding to the observation field of the light receiving section 25, like the Peltier element 21c in the third embodiment. Also good.
  • a configuration in which holes 51 are provided in the substrates 32-1, 31-2, and 32-2 can be employed.
  • the Peltier element 21e in the fifth embodiment is divided into a substrate 32 corresponding to the observation field of the light receiving unit 25 and a substrate 32 corresponding to the outside of the observation field, like the Peltier element 21d in the fourth embodiment. may be configured using different materials.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of the Peltier element 21f included in the photodetector 11f according to the sixth embodiment.
  • a Peltier element 21f in the sixth embodiment differs from the Peltier element 21a in the first embodiment in that a heating element 61 such as a heating wire is added, and other points are the same.
  • the heating element 61 is formed in the substrate 31, which is the substrate closer to the object. As shown in FIG. 7A, the heating element 61 is arranged at a position corresponding to the center line of the substrate 31 on the side of the object to be heated. Alternatively, the heating element 61 is arranged on the outermost surface of the substrate 31 on the side of the object to be heated, as shown in FIG. 7B.
  • the heating element 61 When the heating element 61 is arranged on the outermost surface of the substrate 31, and when the target is a living body, the surface of the heating element 61 is placed on the heating target side as shown in FIG. 7C in order to ensure safety.
  • a configuration in which a protective film 62 is formed so as to cover it can also be used.
  • the protective film 62 can be formed by, for example, DLC (Diamond-Like Carbon) coating.
  • the heating element 61 As the material of the heating element 61 (heating wire), metal materials such as SUS (Steel Special Use Stainless) and nickel, ITO (Indium Tin Oxide), doped Si (silicon), etc. can be used.
  • the material of the heating element 61 is formed of a material that transmits mid-infrared light (light in a desired wavelength band).
  • the heating element 61 is configured in a shape as shown in FIG. 8, for example.
  • the heating element 61 has a meander pattern structure and is formed in the substrate 31 or on the outermost surface of the substrate 31 .
  • the portion having the heating element 61 can be heated, and the portion without the heating element 61 can transmit the radiant light.
  • the heating element 61 When the heating element 61 is formed in a meander pattern, a material that does not transmit light in a desired wavelength band can be used as the material of the heating element 61 .
  • the meander pattern is an example and is not a description of limitation.
  • the heating elements 61 may be arranged in a pattern other than the meander pattern.
  • the heating element 61 When a material that transmits light in a desired wavelength band is used as the material of the heating element 61, the heating element 61 does not hinder the incidence of radiant light. It is also possible to form a heating element 61 over the entire object so as to efficiently apply heat to the object.
  • the P-type semiconductor 33 and the N-type semiconductor 34 are not provided in the observation field of the light receiving section 25. It may be configured.
  • the heating element 61 may also be arranged so as to avoid the observation field of the light receiving section 25 .
  • the Peltier element 21f in the sixth embodiment is configured such that a hole 51 is provided in the substrate 32 corresponding to the observation field of the light receiving section 25, like the Peltier element 21c in the third embodiment. Also good.
  • the heating element 61 may also be arranged so as to avoid the region of the substrate 31 corresponding to the hole 51 .
  • the Peltier element 21f in the sixth embodiment has a substrate 32 corresponding to the observation field of view of the light receiving unit 25 and a substrate 32 corresponding to the outside of the observation field of view. may be configured using different materials.
  • the Peltier element 21f in the sixth embodiment may have a structure in which a plurality of Peltier elements 21 are stacked like the Peltier element 21e in the fifth embodiment.
  • the Peltier element 21 is driven by applying sinusoidal power, as shown in FIG. 9A.
  • sinusoidal power as shown in FIG. 9A.
  • temperature amplitude corresponding to the amount of amplitude of current or voltage can be applied to the object.
  • the Peltier element 21 it is also possible to configure the Peltier element 21 to be driven by a square wave. Even when the Peltier element 21 is driven by a square wave, it is possible to apply a temperature amplitude to the object according to the amount of amplitude of current or voltage.
  • FIG. 10 and 11 are graphs in which the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the amount of heat, and are graphs showing the amount of heat generated by the Peltier element 21f and the amount of heat generated by the heating element 61 over time.
  • the Peltier element 21f and the heating element 61 are synchronized and driven.
  • the Peltier element 21f is configured to be driven with a sine wave as described with reference to A of FIG. 9, the heating element 61 is also driven with a sine wave.
  • the Peltier element 21f When the heating element 61 applies heat to the object, the Peltier element 21f also applies heat (dissipates heat), and when the heating element 61 does not apply heat to the object, the Peltier element 21f also applies heat. It is assumed that there is no (endothermic) state. As a result of such driving, changes in the amount of heat generated by the Peltier element 21f and the heating element 61 are as shown in FIG.
  • the Peltier element 21f can be configured to maintain the heat dissipation state and the heating element 61 can be driven by a sine wave. Since the Peltier element 21f is maintained in a state of releasing heat, the amount of heat is maintained in a negative state. On the other hand, since the heating element 61 is driven by a sine wave, the amount of heat changes with time. Even in such a driving method, a large temperature amplitude can be obtained.
  • FIG. 12 is a diagram showing the configuration of a photodetector 11g according to the seventh embodiment.
  • a photodetector 11g in the seventh embodiment has a configuration in which the Peltier element 21g to the light receiving section 25 are integrated.
  • An optical waveguide 101 is provided between the substrate 31 on the lower side of the Peltier element 21g and the light receiving section 25.
  • the Peltier element 21g has a shape in which a hole 51 is provided in a portion corresponding to the observation field of the light receiving section 25, like the Peltier element 21c (FIG. 4) in the third embodiment. It is configured such that the optical waveguide 101 is accommodated inside.
  • the substrate 32g may be made of a material with high thermal conductivity to enhance the heat dissipation effect.
  • the spectroscopic unit 24 includes, for example, a bandpass filter, a Fabry-Perot interferometer, a differential spectrometer, a Fourier transform infrared spectrophotometer, and the like, and is configured to disperse (extract) light in a predetermined band. ing.
  • the light emitted from the object can be guided to the light receiving unit 25 without leaking and received.
  • the photodetector 11g shown in FIG. 12 shows an example in which the heating element 61 is provided on the substrate 31, like the Peltier element 21f (FIG. 7) in the sixth embodiment.
  • the seventh embodiment can also be combined with the first to fifth embodiments other than the sixth embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing the configuration of a photodetector 11h according to the eighth embodiment.
  • a photodetector 11h according to the eighth embodiment differs from the photodetector 11g (FIG. 12) in the seventh embodiment in that a pinhole 111 and a lens 112 are provided. The points are similarly configured.
  • the pinhole 111 is provided in the substrate 31, which is the lower substrate of the Peltier element 21h.
  • the pinhole 111 may be formed on the substrate 31 by providing a light shielding film on the substrate 31 and shielding the portion other than the pinhole 111 from light by the light shielding film.
  • the heating element 61 is formed of a material that does not transmit light, and such a heating element 61 is provided on the entire surface of the substrate 31 to form a region in the substrate 31 that does not transmit light.
  • a hole may be provided in the heating element 61 only at the portion where the pinhole 111 is to be formed, and the hole may be the pinhole 111 .
  • a lens 112 is provided in the optical waveguide 101 .
  • the light input through the pinhole 111 spreads in the optical waveguide 101, enters the lens 112, is converted into parallel light by the lens 112, and is dispersed. It is incident on the portion 24 . Since light is incident on the spectroscopic section 24 (the light receiving section 25 via the spectroscopic section 24) from the normal direction, wavelength resolution can be improved.
  • the eighth embodiment can also be combined with the first to sixth embodiments.
  • FIG. 14 is a diagram showing the configuration of a photodetector 11i according to the ninth embodiment.
  • the photodetector 11i of the ninth embodiment has a configuration in which the photodetector 11g (FIG. 12) of the seventh embodiment is provided with a lens 112 and a light receiving section 121 formed in an array. The only difference is that the
  • the light receiving section 121 has a configuration in which light receiving elements are arranged in an array. Light from the object is incident on the lens 112 provided in the optical waveguide 101 , condensed, and incident on the spectroscopic section 24 . The light separated by the spectroscopic section 24 is received by the light receiving section 121 in which light receiving elements are arranged in an array.
  • the light-receiving unit 121 By using the light-receiving unit 121 in which light-receiving elements are arranged in an array, it is possible to measure the concentration distribution of a predetermined substance within the measurement area (within the observation field).
  • the temperature of that portion cannot be modulated.
  • the ninth embodiment can also be combined with the first to sixth embodiments.
  • a Peltier device called a skeleton type, in which electrodes and an insulating film are bonded together, can also be applied to the present technology.
  • the present technology can also be applied to an insulating film or a plate-shaped reinforcing material laminated on the outside.
  • the system represents an entire device composed of multiple devices.
  • the present technology can also take the following configuration.
  • a Peltier element in which a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are arranged between the first substrate and the second substrate; a light receiving unit that receives light from an object temperature-modulated by the Peltier element, The first substrate is provided on the object side, The second substrate is provided on the light receiving section side, The photodetector, wherein at least part of the first substrate and the second substrate is configured to transmit light from the object.
  • the photodetector according to (1) wherein the light from the object is infrared light.
  • the photodetector according to (1) or (2) wherein the region of the second substrate corresponding to the observation field of the light receiving section is a hole.
  • the second substrate is made of a material with high thermal conductivity.
  • a first region of the second substrate corresponding to the observation field of view of the light receiving unit and a second region of the second substrate outside the first region have a transmittance with respect to light from the object. are made of different materials, the photodetector according to any one of (1) to (5).
  • a pinhole is formed in the first substrate, The photodetector according to (15), wherein a lens is arranged in the optical waveguide.
  • a lens is arranged in the optical waveguide, The photodetector according to (15) or (16), wherein the light-receiving section has a configuration in which light-receiving elements are arranged in an array.
  • Photodetector 21 Peltier element, 22 Heat sink, 23 Case, 24 Spectroscopic unit, 25 Light receiving unit, 31 Substrate, 32 Substrate, 33 P-type semiconductor, 34 N-type semiconductor, 51 Hole, 61 Heating element, 62 Protective film, 101 optical waveguide, 111 pinhole, 112 lens, 121 light receiving part

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Abstract

本技術は、測定対象物からの光を阻害されることなく受光できるようにする光検出装置に関する。 第１の基板と第２の基板との間に、Ｐ型半導体とＮ型半導体が配置されたペルチェ素子と、ペルチェ素子により温度変調を加えられた対象物からの光を受光する受光部とを備え、第１の基板は、対象物側に設けられ、第２の基板は、受光部側に設けられ、第１の基板と第２の基板の少なくとも一部は、対象物からの光を透過する構成とされている。本技術は、例えば、測定対象物からの光を受光し、解析することで、所定の物質を検出する検出装置に適用できる。

Description

光検出装置
　本技術は光検出装置に関し、例えば、測定対象物からの輻射光を検出するようにした光検出装置に関する。
　８乃至１０ｕｍの波長をもつ赤外線は、炭素分子を含む分子の振動による光吸収が観測されるため、分子の指紋領域と称されることがある。測定対象となる物質を経たこの波長領域の光を分光し、解析することで有機物を分析することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１では、測定対象に温度変調を加えて温度勾配を作成しつつ、波長の変化を観測することで対象の組成情報を得ることが提案されている。
国際公開第2003/045235号
　測定対象に対して温度変調を効率よく加えることができるとともに、測定対象からの輻射光をより多く受光できるようにし、所望とされる情報をより精度良く得ることができるようにすることが望まれている。
　本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、測定対象に対する温度変調を効率よく行え、測定対象からの輻射光をより多く受光できるようにするものである。
　本技術の一側面の光検出装置は、第１の基板と第２の基板との間に、Ｐ型半導体とＮ型半導体が配置されたペルチェ素子と、前記ペルチェ素子により温度変調を加えられた対象物からの光を受光する受光部とを備え、前記第１の基板は、前記対象物側に設けられ、前記第２の基板は、前記受光部側に設けられ、前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一部は、前記対象物からの光を透過する構成とされている。
　本技術の一側面の光検出装置においては、第１の基板と第２の基板との間に、Ｐ型半導体とＮ型半導体が配置されたペルチェ素子と、ペルチェ素子により温度変調を加えられた対象物からの光を受光する受光部とが備えられる。第１の基板は、対象物側に設けられ、第２の基板は、受光部側に設けられ、第１の基板と第２の基板の少なくとも一部は、対象物からの光を透過する構成とされている。
　なお、光検出装置は、独立した装置であっても良いし、１つの装置を構成している内部ブロックであっても良い。
本技術を適用した光検出装置の一実施の形態の構成を示す図である。 ペルチェ素子について説明するための図である。 ペルチェ素子の構成例を示す図である。 ペルチェ素子の他の構成例を示す図である。 ペルチェ素子の他の構成例を示す図である。 ペルチェ素子の他の構成例を示す図である。 ペルチェ素子の他の構成例を示す図である。 発熱体の配置パターンについて説明するための図である。 発熱体の駆動について説明するための図である。 発熱体とペルチェ素子の駆動について説明するための図である。 発熱体とペルチェ素子の駆動について説明するための図である。 光検出装置の他の構成例を示す図である。 光検出装置の他の構成例を示す図である。 光検出装置の他の構成例を示す図である。
　以下に、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。
　＜光検出装置の構成＞
　図１は、本技術を適用した光検出装置の一実施の形態の構成を示す図である。図１に示した第１の実施の形態における光検出装置１１ａは、ペルチェ素子２１ａ、ヒートシンク２２、ケース２３、分光部２４、および受光部２５を含む構成とされている。ペルチェ素子２１ａは、基板３１、基板３２、Ｐ型半導体３３、およびＮ型半導体３４から構成されている。
　ペルチェ素子２１ａの基板３２上には、ヒートシンク２２が配置され、ヒートシンク２２上にケース２３が配置されている。ケース２３には、分光部２４と受光部２５が配置されている。
　ペルチェ素子２１ａは、Ｐ型半導体３３とＮ型半導体３４が数珠つなぎで電気的に接続された熱電変換素子の上下に基板３１と基板３２が積層された構造とされている。なおここでは、Ｐ型半導体３３とＮ型半導体３４の上下に基板３１と基板３２が直接的に積層されている場合を例に挙げて説明するが、Ｐ型半導体３３とＮ型半導体３４を繋ぐ電極を設け、電極上に、基板３１と基板３２がそれぞれ積層されている構成としても良い。
　ペルチェ素子２１ａは、図２に示すように、Ｎ型半導体３４からＰ型半導体３３に電流を流すことにより、下側の基板３１は放熱し、上側の基板３２は吸熱する。電流の流す向きを逆にすると、下側の基板３１は吸熱し、上側の基板３２は放熱する。
　図１に示した光検出装置１１ａは、対象物からの輻射光を測定することで、対象物に含まれる所定の物質を検出する装置である。光検出装置１１ａが行う所定の物体の検出処理について説明を加える。
　８乃至１０ｕｍの波長を有する赤外光（以下、中赤外光と記述する）は、炭素分子を含む分子の振動による光吸収が観測されるため、分子の指紋領域と呼ばれることがある。このことを利用し、測定対象となる物質を経た波長領域の光を分光し、解析することで、有機物を分析する光検出装置１１ａを作成することができる。
　中赤外光の波長帯は、ちょうど室温や体温程度の物質から放射される輻射光と波長領域が重なっている。このため輻射光を利用することができれば光源不要で簡便に有機物の組成を分析できる光検出装置１１ａとすることができる。
　熱平衡状態にある物質からのスペクトルは全て黒体輻射相当になるため、輻射光を分光するだけで物質固有のスペクトルを観測することは困難である。そこで、光検出装置１１ａは、ペルチェ素子２１ａを備え、ペルチェ素子２１ａにより対象物（測定対象）に温度変調を加えることができる構造とされている。光検出装置１１ａは、測定対象に温度変調を加え、温度勾配を作成しつつ、いくつかの波長の変化を観測することで対象の組成情報を得るように構成されている。
　光検出装置１１ａは、対象物と接する基板３１から熱を放熱することで対象物に熱を加え、対象物の温度を上げ、基板３１から熱を吸熱することで対象物から熱を吸収し、対象物の温度を下げる。
　光検出装置１１ａは、ペルチェ素子２１ａに流す電流の向きを変化させることで、放熱と吸熱を繰り返し、対象物（測定対象）に温度変調を加え、温度勾配を作成しつつ、対象物からの光を分光部２４で分光し、受光部２５で受光することで、いくつかの波長の変化を観測する構成とされている。光検出装置１１ａは、対象物に対して、例えば、１Ｈｚの周期で、±５°Ｃ程度の温度変化を与えるように、ペルチェ素子２１ａを駆動する。
　図１に示した光検出装置１１ａは、基板３２上に放熱部材としてヒートシンク２２が配置され、吸熱した熱を放熱しやすい構造とされている。
　温度変調が加えられた対象物から放射される輻射光は、ペルチェ素子２１を介して、分光部２４に供給される。分光部２４は、例えばバンドパスフィルタ、ファブリペロー干渉計、分差型分光器、フーリエ変換赤外分光光度計などを含む構成とされ、所定の帯域の光を分光（抽出）するように構成されている。
　分光部２４により分光された輻射光は、受光部２５により受光される。受光部２５として、焦電センサ、サーモパイル、ボロメータ、MCTセンサなどを用いることができる。光検出装置１１ａは、このようにして対象物のスペクトル分析を行う。
　一般的には、ペルチェ素子２１ａの基板３１や基板３２には、アルミナや窒化アルミナなどのセラミック基板が用いられる。このようなセラミック基板は、赤外光を透過しづらい材料であるため、ペルチェ素子２１ａの基板３１や基板３２として用いた場合、輻射光である赤外光が基板３１や基板３２を透過せずに、受光部２５で受光できない可能性がある。
　光検出装置１１ａの基板３１と基板３２の少なくとも一方の基板は、赤外光が十分に透過する材料で形成されている。換言すれば、基板３１と基板３２の少なくとも一方の基板は、中赤外光に対して吸収が少ない基板が用いられる。基板３１または／および基板３２は、中赤外光を透過する材料で形成されている。基板３１または／および基板３２のうち、受光部２５の観測視野内に該当する領域だけ、中赤外光を透過する材料で形成されていても良い。
　基板３１または／および基板３２は、例えば、波長５ｕｍ以上の中赤外光を透過する材料とすることができる。そのような材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、カルコゲナイドガラス、ダイヤモンドなどを用いることができる。
　光検出装置１１ａは、対象物に温度変調を与えることができるペルチェ素子２１ａを備える構成とされているため、対象物に十分な温度変調を与えることができ、対象物からの輻射光の変化を大きくすることができる。光検出装置１１ａは、中赤外光を透過する材料で形成された基板３１または／および基板３２を備えるため、対象物からの輻射光がペルチェ素子２１ａの基板で遮られるようなことを防ぎ、十分な輻射光を、受光部２５で受光することができる。よって、光検出装置１１ａによれば、所望とする物質を検出することができる。
　＜第２の実施の形態＞
　図３は、第２の実施の形態における光検出装置１１ｂに含まれるペルチェ素子２１ｂの構成例を示す図である。以下の説明において、図１に示した第１の実施の形態における光検出装置１１ａ（光検出装置１１ａに含まれるペルチェ素子２１ａ）と同一の部分には、同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
　図３に示したペルチェ素子２１ｂは、中央領域には、Ｐ型半導体３３とＮ型半導体３４が配置されていない構成とされている点が、第１の実施の形態におけるペルチェ素子２１ａと異なり、他の点は同様である。Ｐ型半導体３３とＮ型半導体３４が配置されていない領域は、受光部２５の観測視野に該当する領域である。換言すれば、受光部２５の光軸を避けるように、Ｐ型半導体３３とＮ型半導体３４が配置されている。
　受光部２５の観測視野となる領域に、Ｐ型半導体３３やＮ型半導体３４が配置されていないように構成することで、Ｐ型半導体３３やＮ型半導体３４が、対象物から発生した輻射光を阻害するようなことを防ぐことができ、受光部２５で受光される輻射光をより増やすことができる。
　＜第３の実施の形態＞
　図４は、第３の実施の形態における光検出装置１１ｃに含まれるペルチェ素子２１ｃの構成例を示す図である。図４の上図は、ペルチェ素子２１ｃの断面における構成例を示し、図４の下図は、ペルチェ素子２１ｃの基板３２ｃ側からの平面視における構成例を示す。
　第３の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｃは、基板３２ｃの中央部分に穴５１が形成されている点が、第２の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｂと異なり、他の点は同様に構成されている。
　図３に示した第２の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｂのうち、Ｐ型半導体３３とＮ型半導体３４が配置されていない領域に該当するペルチェ素子２１ｃの基板３２ｃの領域が、穴５１とされている。すなわち、図４に示したペルチェ素子２１ｃは、受光部２５の観測視野となる領域に、Ｐ型半導体３３やＮ型半導体３４が配置されていないように構成され、かつＰ型半導体３３やＮ型半導体３４が配置されていない領域に該当する基板３２ｃの領域は、穴５１が形成されている。
　受光部２５の観測視野となる領域に、Ｐ型半導体３３やＮ型半導体３４が配置されていないような構成とし、かつ基板３２ｃに穴５１を設けた構成とすることで、Ｐ型半導体３３、Ｎ型半導体３４、および基板３２ｃが、対象物から発生した輻射光を阻害するようなことを防ぐことができ、受光部２５で受光される輻射光をより増やすことができる。
　基板３２ｃを、熱伝導性が高い材料で構成されるようにしても良い。基板３２ｃを、熱伝導性が高い材料で構成することで、基板３２ｃからの放熱の効率を向上させることができる。基板３１からＰ型半導体３３やＮ型半導体３４を介して基板３２ｃに伝わってくる熱を、基板３２ｃから効率良く放熱することができるようになるため、温度変調時の温度振幅を大きくすることができる。温度変調時の温度振幅を大きくできることにより、より検出精度を向上させることができる。
　基板３２ｃを、熱伝導性が高い材料で構成した場合、例えば、銅(Cu)や炭化ケイ素(SiC)などを材料として用いることができる。基板３２ｃは、穴５１を有し、受光部２５の観測視野となる領域には、基板３２ｃは位置していないため、仮に、基板３２ｃの材料が、中赤外光が透過しないような材料であっても、対象物からの輻射光の受光が阻害されるようなことが無く、良好な受光を維持できる。
　＜第４の実施の形態＞
　図５は、第４の実施の形態における光検出装置１１ｄに含まれるペルチェ素子２１ｄの構成例を示す図である。図５の上図は、ペルチェ素子２１ｄの断面における構成例を示し、図５の下図は、ペルチェ素子２１ｄの基板３２ｄ側からの平面視における構成例を示す。
　第４の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｄは、基板３２ｄが、異なる材料から構成される基板３２ｄ－１と基板３２ｄ－２から構成されている点が、第１の実施の形態におけるペルチェ素子２１ａと異なり、他の点は同様に構成されている。
　基板３２ｄの中央部分の基板３２ｇ－１と、中央部分以外の基板３２ｇ－２は、中赤外光に対して異なる透過率を有する材料で形成されている。基板３２ｄの基板３２ｇ－１は、基板３２ｇ－２と比べて、中赤外光に対して透過率が高い材料で形成されている。すなわち、基板３２ｄは、基板３２ｇ－２に該当する外周部よりも、基板３２ｇ－１に該当する内側部分の透過率が高くなるように設計されている。
　基板３２ｇ－１は、例えば、図４に示したペルチェ素子２１ｃの穴５１に該当する領域であるようにすることができる。すなわち、受光部２５の観測視野となる領域は、中赤外光を透過する材料で構成し、観測視野以外の領域は、中赤外光を透過するか否かに係わらず、どのような材料で構成されていても良い。例えば、基板３２ｇ－１は、基板３１と同じ材料を用いて構成され、例えば、シリコン、ゲルマニウム、カルコゲナイドガラス、ダイヤモンドなどの材料が用いられた構成とされる。
　基板３２ｇ－２は、放熱性能を高めるために、熱伝導性が高い材料で構成することができる。基板３２ｇ－２は、例えば、銅(Cu)や炭化ケイ素(SiC)などを材料として用いることができる。
　第４の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｄにおいても、対象物から発生した輻射光を阻害するようなことを防ぐことができ、受光部２５で受光される輻射光をより増やすことができる。
　＜第５の実施の形態＞
　図６は、第５の実施の形態における光検出装置１１ｅに含まれるペルチェ素子２１ｅの構成例を示す図である。
　第５の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｅは、ペルチェ素子２１ｅ－１とペルチェ素子２１ｅ－２が積層された構成とされている。ペルチェ素子２１ｅ－１とペルチェ素子２１ｅ－２は、それぞれペルチェ素子２１ａ（図１）と同様の構成とすることができる。
　ペルチェ素子２１ｅ－１は、Ｐ型半導体３３－１とＮ型半導体３４－１が数珠つなぎで電気的に接続された熱電変換素子が、基板３１－１と基板３２－１との間に形成されている。同様に、ペルチェ素子２１ｅ－２は、Ｐ型半導体３３－２とＮ型半導体３４－２が数珠つなぎで電気的に接続された熱電変換素子が、基板３１－２と基板３２－２との間に形成されている。
　ペルチェ素子２１ｅ－１の基板３２－１上にペルチェ素子２１ｅ－２の基板３１－２が位置するように、ペルチェ素子２１ｅ－１とペルチェ素子２１ｅ－２が積層されている。なおここでは説明のため、基板３２－１と基板３１－２を区別して記載しているが、１枚の基板で形成されていても良く、厚さも、１枚分の基板の厚さで形成されていれば良い。
　ここでは、ペルチェ素子２１ｅ－１とペルチェ素子２１ｅ－２の２つのペルチェ素子２１が積層されている場合を例に挙げて説明するが、２つ以上のペルチェ素子２１が積層されている構成とすることもできる。
　ペルチェ素子２１ｅを、複数のペルチェ素子２１が積層されている構成とすることで、温度変調時に大きな温度振幅を得られる構成とすることができ、光検出装置１１ｅにおける検出精度をより向上させることができる。
　例えば、図６に示したペルチェ素子２１ｅの下側が吸熱する場合を想定する。この場合、ペルチェ素子２１ｅ－１の基板３１－１は吸熱し、基板３２－１は放熱する。ペルチェ素子２１ｅ－２の基板３１－２は、吸熱する状態にあるため、基板３２－１で放熱された熱を吸熱することができる。さらにペルチェ素子２１ｅ－２の基板３２－２は、放熱する状態にあるため、ペルチェ素子２１ｅ－１の基板３２－１で吸熱した熱を、ペルチェ素子２１ｅ－２の基板３２－２から放熱することができる。
　このように、ペルチェ素子２１ｅにおいては、より効率よく対象物から熱を吸熱することができる。同様に、ペルチェ素子２１ｅにおいては、より効率よく対象物に熱を放熱することもできる。よって、温度変調時に、大きな温度振幅を、対象物に対して与えることができるようになり、光検出装置１１ｅの検出精度を向上させることができる。
　第５の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｅを、第２の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｂのように、受光部２５の観測視野となる領域には、Ｐ型半導体３３とＮ型半導体３４を設けない構成としても良い。
　第５の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｅを、第３の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｃのように、受光部２５の観測視野となる領域に該当する基板３２には、穴５１を設けた構成としても良い。例えば、図６に示したペルチェ素子２１ｅにおいて、基板３２－１、基板３１－２、基板３２－２に穴５１を設けた構成とすることもできる。
　第５の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｅを、第４の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｄのように、受光部２５の観測視野となる領域に該当する基板３２と、観測視野外に該当する基板３２とでは異なる材料が用いられた構成としても良い。
　＜第６の実施の形態＞
　図７は、第６の実施の形態における光検出装置１１ｆに含まれるペルチェ素子２１ｆの構成例を示す図である。
　第６の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｆは、第１の実施の形態におけるペルチェ素子２１ａに、電熱線などの発熱体６１を追加した点が異なり、他の点は、同様である。
　発熱体６１は、対象物に近い側の基板である基板３１内に形成されている。発熱体６１は、図７のＡに示すように、加熱対象物側にある基板３１の中心線となる位置に配置されている。または発熱体６１は、図７のＢに示すように、基板３１の加熱対象物側となる位置の最表面に配置されている。
　発熱体６１を基板３１の最表面に配置した場合、また対象物が生体の場合、安全性を確保するために、図７のＣに示すように、加熱対象物側に発熱体６１の表面を覆うように保護膜６２を形成した構成とすることもできる。保護膜６２は、例えば、DLC(Diamond-Like Carbon)コーティングなどで形成することができる。
　発熱体６１（電熱線）の材料としては、SUS(Steel Special Use Stainless)やニッケルなどの金属材料や、ITO(Indium Tin Oxide)やドープされたSi(ケイ素)などを用いることができる。発熱体６１の材料は、中赤外光(所望とされる波長帯域の光)を透過するような材料で形成される。
　発熱体６１を基板３１に設けることで、ペルチェ素子２１単体で温度変調を対象物に与える場合よりも、より大きな温度変調を対象物に与えることができる。
　基板３１を平面視した場合、発熱体６１は、例えば図８に示したような形状で構成される。発熱体６１は、ミアンダパターン構造で、基板３１内または基板３１の最表面に形成される。発熱体６１を、ミアンダパターンで形成することで、発熱体６１を有する部分では加熱し、発熱体６１がない部分では輻射光を透過させることができる。
　発熱体６１をミアンダパターンで形成する場合、発熱体６１の材料としては、所望とされる波長帯域の光を透過しないような材料も用いることができる。
　なお、ミアンダパターンは一例であり、限定を示す記載ではない。発熱体６１は、ミアンダパターン以外のパターンで配置されていても良い。
　発熱体６１の材料として、所望とされる波長帯域の光を透過する材料を用いた場合、発熱体６１により輻射光の入射が妨げられるようなことがないため、例えば、基板３１の最表面の全体に発熱体６１を形成し、効率よく対象物に熱を加えることができる構成とすることもできる。
　第６の実施の形態におけるペルチェ素子２１fを、第２の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｂのように、受光部２５の観測視野となる領域には、Ｐ型半導体３３とＮ型半導体３４を設けない構成としても良い。発熱体６１も、受光部２５の観測視野を避けるように配置されるように構成しても良い。
　第６の実施の形態におけるペルチェ素子２１fを、第３の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｃのように、受光部２５の観測視野となる領域に該当する基板３２には、穴５１を設けた構成としても良い。発熱体６１も、穴５１に該当する基板３１の領域を避けるように配置されるように構成しても良い。
　第６の実施の形態におけるペルチェ素子２１fを、第４の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｄのように、受光部２５の観測視野となる領域に該当する基板３２と、観測視野外に該当する基板３２とでは異なる材料が用いられた構成としても良い。
　第６の実施の形態におけるペルチェ素子２１fを、第５の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｅのように、複数のペルチェ素子２１が積層された構成としても良い。
　＜ペルチェ素子の駆動方法について＞
　第１乃至第６の実施の形態におけるペルチェ素子２１ａ乃至２１ｆの駆動方法について、図９を参照して説明する。
　ペルチェ素子２１は、図９のＡに示すように、正弦波の電力が加えられることにより駆動される。ペルチェ素子２１を正弦波で駆動させた場合、電流や電圧の振幅量に応じた温度振幅を、対象物に加えることができる。
　図９のＢに示すように、方形波によりペルチェ素子２１が駆動されるように構成することもできる。ペルチェ素子２１を方形波で駆動させた場合も、電流や電圧の振幅量に応じた温度振幅を、対象物に加えることができる。
　＜ペルチェ素子と発熱体の駆動方法について＞
　第６の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｆ(図７)のように、発熱体６１を備えるペルチェ素子２１ｆの駆動方法について、図１０と図１１を参照して説明する。図１０と図１１は、横軸に時間、縦軸に熱量を表したグラフであり、時間変化によるペルチェ素子２１ｆの熱量と発熱体６１の熱量を表したグラフである。
　図１０に示すように、ペルチェ素子２１ｆと発熱体６１を同期させて駆動させる。ペルチェ素子２１ｆを、例えば、図９のＡを参照して説明したように、正弦波で駆動させるように構成した場合、発熱体６１も正弦波で駆動される。
　発熱体６１が対象物に熱を加えているときには、ペルチェ素子２１ｆも熱を加える(放熱する)状態とされ、発熱体６１が対象物に熱を加えていないときには、ペルチェ素子２１ｆも熱を加えない(吸熱する)状態とされる。このような駆動がなされることで、ペルチェ素子２１ｆと発熱体６１の熱量変化は、図１０に示すようになる。
　このように、ペルチェ素子２１ｆと発熱体６１を同期させて駆動させることで、大きな温度振幅を得ることができる。同じ温度振幅とした場合、消費電力を削減することもできる。
　図１１に示すように、ペルチェ素子２１ｆは放熱状態を維持し、発熱体６１は正弦波で駆動されるように構成することもできる。ペルチェ素子２１ｆは、放熱する状態で維持されるため、熱量はマイナス状態で維持される。一方、発熱体６１は正弦波で駆動されるため、時間に応じて熱量が変化する。このような駆動方法においても、大きな温度振幅を得ることができる。
　＜第７の実施の形態＞
　図１２は、第７の実施の形態における光検出装置１１ｇの構成を示す図である。
　第７の実施の形態における光検出装置１１ｇは、ペルチェ素子２１ｇから受光部２５までが一体化された構成とされている。ペルチェ素子２１ｇの下側の基板３１と、受光部２５の間に光導波路１０１が設けられている。ペルチェ素子２１ｇは、第３の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｃ(図４)のように、受光部２５の観測視野に該当する部分に穴５１が設けられているような形状であり、その穴５１内に、光導波路１０１が収まっているような構成とされている。
　基板３２ｇは、熱伝導性が高い材料で構成され、放熱効果を高める構成としてもよい。
　分光部２４は、例えばバンドパスフィルタ、ファブリペロー干渉計、分差型分光器、フーリエ変換赤外分光光度計などを含む構成とされ、所定の帯域の光を分光（抽出）するように構成されている。
　このような構成とすることで、対象物から発せられた光を漏らすことなく受光部２５に導き、受光させることができる。
　図１２に示した光検出装置１１ｇは、第６の実施の形態におけるペルチェ素子２１ｆ(図７)と同じく、基板３１に発熱体６１が設けられている例を示した。第７の実施の形態は、第６の実施の形態以外の第１乃至第５の実施の形態と組み合わせた形態とすることもできる。
　＜第８の実施の形態＞
　図１３は、第８の実施の形態における光検出装置１１ｈの構成を示す図である。
　第８の実施の形態における光検出装置１１ｈは、第７の実施の形態における光検出装置１１ｇ（図１２）に、ピンホール１１１とレンズ１１２を設けた構成とされている点が異なり、他の点は同様に構成されている。
　ピンホール１１１は、ペルチェ素子２１ｈの下側基板である基板３１に設けられている。ピンホール１１１は、例えば、基板３１に遮光膜を設け、その遮光膜により、ピンホール１１１以外の部分は遮光されるように構成することで、基板３１に形成されているようにしても良い。
　発熱体６１を備える構成とした場合、光を透過しない材料で発熱体６１を形成し、そのような発熱体６１を基板３１の全面に設け、光が透過しない領域を基板３１に形成する。ピンホール１１１を形成する部分にだけ発熱体６１に穴を設け、その穴がピンホール１１１となるような構成とされていても良い。
　光導波路１０１内には、レンズ１１２が設けられている。第８の実施の形態における光検出装置１１ｈにおいては、ピンホール１１１を介して入力される光が、光導波路１０１内で広がり、レンズ１１２に入射し、レンズ１１２により平行光に変換されて、分光部２４に入射される。分光部２４(分光部２４を介して受光部２５)には、法線方向から光が入射されるため、波長分解能を向上させることができる。
　第８の実施の形態は、第１乃至第６の実施の形態と組み合わせた形態とすることもできる。
　＜第９の実施の形態＞
　図１４は、第９の実施の形態における光検出装置１１ｉの構成を示す図である。
　第９の実施の形態における光検出装置１１ｉは、第７の実施の形態における光検出装置１１ｇ（図１２）に、レンズ１１２と、アレイ状に形成されている受光部１２１を設けた構成とされている点が異なり、他の点は同様に構成されている。
　受光部１２１は、受光素子が、アレイ状に配置された構成とされている。対象物からの光は、光導波路１０１内に設けられているレンズ１１２に入射され、集光され、分光部２４に入射される。分光部２４により分光された光は、アレイ状に受光素子が配置された受光部１２１で受光される。
　受光素子がアレイ状に配置されている受光部１２１を用いることで、測定エリア内（観測視野内）の所定の物質の濃度分布を計測できるようになる。
　例えば、測定エリア内で基板３１が浮いている部分（対象物と接していない部分）があると、その部分の温度変調ができない。このことを利用することで、密着状態を検出でき、密着状態が悪い部分が検出された場合には、例えばユーザに対象物(被測定物)の接触を改善するようなアドバイスを出すことができる。
　第９の実施の形態は、第１乃至第６の実施の形態と組み合わせた形態とすることもできる。
　上述した実施の形態においては、基板（基板３１と基板３２）と半導体（Ｐ型半導体３３とＮ型半導体３４）が直接積層されている例を用いて説明したが、基板と半導体が別のアセンブリであってもよい。例えば、スケルトン型と呼ばれる電極と絶縁フィルムを貼合したペルチェ素子を、本技術に適用することもできる。そのようなペルチェ素子を用いる場合、絶縁フィルムや外側に積層される板状の補強材にも本技術を適用できる。
　本技術によれば、測定対象物に直接温度を加えながら、対象物から発せられる輻射光を検出することができる。
　本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。
　なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
　なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
　第１の基板と第２の基板との間に、Ｐ型半導体とＮ型半導体が配置されたペルチェ素子と、
　前記ペルチェ素子により温度変調を加えられた対象物からの光を受光する受光部と
　を備え、
　前記第１の基板は、前記対象物側に設けられ、
　前記第２の基板は、前記受光部側に設けられ、
　前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一部は、前記対象物からの光を透過する構成とされている
　光検出装置。
（２）
　前記対象物からの光は、赤外光である
　前記（１）に記載の光検出装置。
（３）
　前記第１の基板と前記第２の基板は、前記赤外光が透過する材料で形成されている
　前記（２）に記載の光検出装置。
（４）
　前記受光部の観測視野内に該当する前記第２の基板の領域は穴とされている
　前記（１）または（２）に記載の光検出装置。
（５）
　前記第２の基板は、熱伝導性が高い材料で形成されている。
　前記（４）に記載の光検出装置。
（６）
　前記受光部の観測視野内に該当する前記第２の基板の第１の領域と、前記第２の基板の前記第１の領域外の第２の領域は、前記対象物からの光に対する透過率が異なる材料で形成されている
　前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光検出装置。
（７）
　前記Ｐ型半導体と前記Ｎ型半導体は、前記受光部の観測視野内に該当する領域には配置されていない
　前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光検出装置。
（８）
　前記ペルチェ素子は、複数のペルチェ素子が積層された構成とされている
　前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の光検出装置。
（９）
　前記第１の基板と前記第２の基板は、５ｕｍ以上の波長の光を透過する材料で形成されている
　前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の光検出装置。
（１０）
　前記第１の基板には発熱体が配置されている
　前記（１）に記載の光検出装置。
（１１）
　前記発熱体は、前記第１の基板にミアンダパターン構造で配置されている
　前記（１０）に記載の光検出装置。
（１２）
　前記発熱体は、前記第１の基板内または前記対象物側の前記第１の基板の最表面に配置されている
　前記（１０）または（１１）に記載の光検出装置。
（１３）
　前記ペルチェ素子の変調駆動と、前記発熱体の変調駆動は、同期している
　前記（１０）乃至（１２）のいずれかに記載の光検出装置。
（１４）
　前記ペルチェ素子は、前記対象物に対して吸熱する駆動であり、前記発熱体は、変調駆動である
　前記（１０）乃至（１２）のいずれかに記載の光検出装置。
（１５）
　前記第１の基板と前記受光部の間には、光導波路が配置されている
　前記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の光検出装置。
（１６）
　前記第１の基板にはピンホールが形成され、
　前記光導波路内には、レンズが配置されている
　前記（１５）に記載の光検出装置。
（１７）
　前記光導波路内には、レンズが配置され、
　前記受光部は、受光素子がアレイ状に配置された構成とされている
　前記（１５）または（１６）に記載の光検出装置。
（１８）
　前記ペルチェ素子と前記受光部との間に、前記対象物からの光のうち所定の光を分光する分光部をさらに備える
　前記（１）乃至（１７）のいずれかに記載の光検出装置。
　１１　光検出装置，　２１　ペルチェ素子，　２２　ヒートシンク，　２３　ケース，　２４　分光部，　２５　受光部，　３１　基板，　３２　基板，　３３　Ｐ型半導体，　３４　Ｎ型半導体，　５１　穴，　６１　発熱体，　６２　保護膜，　１０１　光導波路，　１１１　ピンホール，　１１２　レンズ，　１２１　受光部

Claims (18)

  1. 　第１の基板と第２の基板との間に、Ｐ型半導体とＮ型半導体が配置されたペルチェ素子と、
    　前記ペルチェ素子により温度変調を加えられた対象物からの光を受光する受光部と
    　を備え、
    　前記第１の基板は、前記対象物側に設けられ、
    　前記第２の基板は、前記受光部側に設けられ、
    　前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一部は、前記対象物からの光を透過する構成とされている
    　光検出装置。
  2. 　前記対象物からの光は、赤外光である
    　請求項１に記載の光検出装置。
  3. 　前記第１の基板と前記第２の基板は、前記赤外光が透過する材料で形成されている
    　請求項２に記載の光検出装置。
  4. 　前記受光部の観測視野内に該当する前記第２の基板の領域は穴とされている
    　請求項１に記載の光検出装置。
  5. 　前記第２の基板は、熱伝導性が高い材料で形成されている。
    　請求項４に記載の光検出装置。
  6. 　前記受光部の観測視野内に該当する前記第２の基板の第１の領域と、前記第２の基板の前記第１の領域外の第２の領域は、前記対象物からの光に対する透過率が異なる材料で形成されている
    　請求項１に記載の光検出装置。
  7. 　前記Ｐ型半導体と前記Ｎ型半導体は、前記受光部の観測視野内に該当する領域には配置されていない
    　請求項１に記載の光検出装置。
  8. 　前記ペルチェ素子は、複数のペルチェ素子が積層された構成とされている
    　請求項１に記載の光検出装置。
  9. 　前記第１の基板と前記第２の基板は、５ｕｍ以上の波長の光を透過する材料で形成されている
    　請求項１に記載の光検出装置。
  10. 　前記第１の基板には発熱体が配置されている
    　請求項１に記載の光検出装置。
  11. 　前記発熱体は、前記第１の基板にミアンダパターン構造で配置されている
    　請求項１０に記載の光検出装置。
  12. 　前記発熱体は、前記第１の基板内または前記対象物側の前記第１の基板の最表面に配置されている
    　請求項１０に記載の光検出装置。
  13. 　前記ペルチェ素子の変調駆動と、前記発熱体の変調駆動は、同期している
    　請求項１０に記載の光検出装置。
  14. 　前記ペルチェ素子は、前記対象物に対して吸熱する駆動であり、前記発熱体は、変調駆動である
    　請求項１０に記載の光検出装置。
  15. 　前記第１の基板と前記受光部の間には、光導波路が配置されている
    　請求項１に記載の光検出装置。
  16. 　前記第１の基板にはピンホールが形成され、
    　前記光導波路内には、レンズが配置されている
    　請求項１５に記載の光検出装置。
  17. 　前記光導波路内には、レンズが配置され、
    　前記受光部は、受光素子がアレイ状に配置された構成とされている
    　請求項１５に記載の光検出装置。
  18. 　前記ペルチェ素子と前記受光部との間に、前記対象物からの光のうち所定の光を分光する分光部をさらに備える
    　請求項１に記載の光検出装置。
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