分光器
【課題】空間的に小さな体積で済み、一体型で、振動にも強く、大きな電圧を必要とせず、持ち運びができる小型の分光器を提供する。
【解決手段】リニアセンサ１は、赤外線に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に並べた構成の赤外線センサである。ファブリペロ干渉計２は、２枚の鏡が離間対向するように互いの両端が固定されており、リニアセンサ１を構成する複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有する。光線平行化装置３は、近赤外光を吸収する所定の厚みのシートにリニアセンサ１を構成する複数の画素の画素ピッチと同じ直径の孔が多数開けられた構成である。光学フィルタ４は、余計な波長の光がファブリペロ干渉計２に入射しないようにする。分光器１０は、人間の指などの被測定対象物７に光源６からの光を透過させることで、様々な情報を非侵襲で得ることができる。
【解決手段】リニアセンサ１は、赤外線に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に並べた構成の赤外線センサである。ファブリペロ干渉計２は、２枚の鏡が離間対向するように互いの両端が固定されており、リニアセンサ１を構成する複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有する。光線平行化装置３は、近赤外光を吸収する所定の厚みのシートにリニアセンサ１を構成する複数の画素の画素ピッチと同じ直径の孔が多数開けられた構成である。光学フィルタ４は、余計な波長の光がファブリペロ干渉計２に入射しないようにする。分光器１０は、人間の指などの被測定対象物７に光源６からの光を透過させることで、様々な情報を非侵襲で得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分光器に係り、特に被測定対象物の分光特性を取得する分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質を透過したり反射したりする光、あるいは物質の放射する光の分光特性を得ることで、当該物質に関する様々な性質を知ることが可能である。その分光特性を得るのが分光器である。しかしながら、分光器は多くの場合、光学系に大きな体積の空間が必要になる。特に回折格子を使う場合、分解された各波長の光が広がるための大きな体積の空間が必要になるので、装置が大きくなる。一方、ファブリペロ共振器（ファブリペロエタロン）を使う場合、必要な空間が回折格子を使う場合よりも比較的小さな体積で済むので小型化に有利である。
【０００３】
特許文献１には、ファブリペロ干渉計とレンズとリニアセンサを組み合わせた分光器が記載されている。この特許文献１記載の分光器では、各波長毎に集光する位置が異なるので、集光位置の直線上に配置したリニアセンサで光強度を読み取り、各画素の位置と信号強度とから所定の演算操作を行って波長分布を得る。
【０００４】
また、特許文献２には、ファブリペロ干渉計の間隔を静電引力で可変することで波長分布を得る可変干渉器が記載されている。特許文献２には図示されていないが、この可変干渉器に光の入射方向を制御する部品を設けることで分光器が構成できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２６９２８４４号公報
【特許文献２】特公平４−０４６３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の分光器では、ファブリペロ干渉計の大きさのレンズが必要になり、また光を集光させるための比較的大きな体積の空間が必要になり、装置の小型化が十分ではないという問題がある。また、特許文献２記載の可変干渉器を用いて構成される分光器では、静電引力を発生させるため大きな電圧が必要になり、またファブリペロ干渉計全体の平行度を保ったまま距離を変化させるのは難しいという問題がある。更に、上記の特許文献１記載の分光器や特許文献２記載の可変干渉器を用いた分光器は、互いにある程度の隙間のある複数の光学部品により構成されるため、比較的振動に弱いという問題もある。
【０００７】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、空間的に小さな体積で済み、一体型で、振動にも強く、大きな電圧を必要とせず、持ち運びができる小型の分光器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、第１の発明の分光器は、所定の波長範囲に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に配列したリニアセンサと、リニアセンサを構成する複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有しており、入射光を分光してリニアセンサに入射するファブリペロ干渉計と、ファブリペロ干渉計への入射光を平行化する光線平行化手段と、光線平行化手段に測定する波長の被検出光を入射する光源とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、上記の目的を達成するため、第２の発明の分光器は、リニアセンサと被測定対象物との間に、リニアセンサへの入射光の不要な波長を除去する光学フィルタを更に備えることを特徴とする。
【００１０】
また、上記の目的を達成するため、第３の発明の分光器は、ファブリペロ干渉計が、それぞれ一面に形成された反射面が互いに離間対向する平板状の第１及び第２の誘電体の両端が固定されており、かつ、第１及び第２の誘電体の互いの間隔が一方の固定端の間隔から他方の固定端の間隔まで直線的に変化するように配置されることにより、共振波長の分布を形成している構成であることを特徴とする。
【００１１】
また、上記の目的を達成するため、第４の発明の分光器は、光線平行化手段が、複数の孔が開けられたシートからなり、複数の孔のそれぞれは、軸方向の長さが軸方向に対して垂直方向の横断面の最大長よりも大なる長さであり、内部の側面が無反射状態とされていることを特徴とする。
【００１２】
また、上記の目的を達成するため、第５の発明の分光器は、リニアセンサが、複数の画素のそれぞれが、基板の表面に金属を接触させた構造のショットキー・バリア・ダイオードで構成されており、基板の裏面からファブリペロ干渉計を通して光が入射する構成であることを特徴とする。
【００１３】
また、上記の目的を達成するため、第６の発明の分光器は、ショットキー・バリア・ダイオードに蓄積した電荷を基板と反対導電型の高濃度拡散層に転送する転送手段と、高濃度拡散層に蓄積された電位変化を信号として読み出す読み出し回路手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
更に、上記の目的を達成するため、第７の発明の分光器は、光源はピーク波長が予め既知である光を出射する光源であり、その光源からの光を拡散して光線平行化手段に入射する拡散板と、複数の画素のうち読み出し信号が最大の強度を示した画素をピーク波長を測定している画素と特定し、その特定した画素と隣接する画素との既知の測定波長の差とに基づいて、複数の画素のすべてについてその測定波長を特定する特定手段とを更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空間的に小さな体積で済み、一体型で、振動にも強く、大きな電圧を必要とせず、持ち運びができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の分光器の一実施の形態の構成図である。
【図２】図１中のファブリペロ干渉計の一例の構成図である。
【図３】ファブリペロ共振器の分解能と反射率を示す特性図である。
【図４】ファブリペロ干渉計の他の各例の構成図である。
【図５】ファブリペロ干渉計の入射光の角度の説明図である。
【図６】光線平行化方法の一例を説明する図である。
【図７】図１中の光線平行化装置の一例の斜視図である。
【図８】リニアセンサを含むチップ内の一例の構成図である。
【図９】リニアセンサの１画素と読み出し回路の一例の構造断面図及び回路図である。
【図１０】図９の動作説明用タイミングチャートである。
【図１１】本発明の分光器の一実施の形態の要部の補正方法の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明になる分光器の一実施の形態の構成図を示す。同図に示すように、本実施の形態の分光器１０は、赤外線に感度のあるリニアセンサ１、ファブリペロ干渉計２、光線を平行化する光線平行化装置３、及び特定の波長を透過させる光学フィルタ４が互いに密着又は殆ど隙間なく接している一体化された分光器本体５と、光源６とから構成され、分光器本体５と光源６との間に設置された被測定対象物（ここでは指を想定）７の分光特性を測定する。ここでは、分光器１０は、被測定対象物７である指に光源６から発する光を透過させ、波長１μｍ〜２μｍの赤外線の分光特性を得るものとする。
【００１９】
リニアセンサ１は、赤外線に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に並べた構成の赤外線センサである。このリニアセンサ１としては、例えば赤外線を吸収して熱に変換する熱型センサ、温度の変化を抵抗の変化で読み取る抵抗ボロメータ方式のセンサ、直列につないだ熱電対の電圧を読み取るサーモパイル方式のセンサ、焦電素子を使った方式のセンサ、あるいは光を直接光電変換により取り出す量子型のセンサを用いることができる。量子型のセンサとしては、ＩｎＧａＡｓ系の化合物半導体のフォトダイオードアレイ、あるいはシリコン基板にショットキー・バリア・ダイオードを形成し、シリコン基板と金属薄膜との界面で起こる光電変換を利用するショットキー・バリア・ダイオード方式センサなどが考えられる。ここでは、一例としてショットキー・バリア・ダイオード方式センサを使うものとする。
【００２０】
ファブリペロ干渉計２は、２枚の鏡が離間対向するように互いの両端が固定されており、例えばそれらの一方の固定端の間隔が０.２５μｍで、もう一方の固定端の間隔が０.５μｍであり、かつ、それら２つの固定端の間が直線的に変化している構造である。上記の２つの固定端のそれぞれの間隔０.２５μｍと０.５μｍとは、それぞれ測定する最短波長である１μｍと最長波長である２μｍの４分の１の長さに対応している。これら２つの固定端の各間隔は測定したい波長により変えられる。このファブリペロ干渉計２は、リニアセンサ１を構成する複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有しており、入射光を分光してリニアセンサ１に入射する。
【００２１】
光線平行化装置３は、ファブリペロ干渉計２にある角度の範囲で垂直に光を入射することを目的としている。この光線平行化装置３は、特定の寸法の孔が多数開き、ある角度以外の光を遮光する構造を持っていたり、または光ファイバを多数並べた構造をしている。従って、高々数ｍｍの厚さの形状であり、またファブリペロ干渉計２と接着することも可能で、空間的な体積をとらない。
【００２２】
光学フィルタ４は、余計な波長の光がファブリペロ干渉計２に入射しないようにするためのもので、例えば１μｍ以下の光がファブリペロ干渉計２に入ると、干渉し検出する可能性があるために設けられる。後述するが、シリコン基板にショットキー・バリア・ダイオードでセンサを作る場合には、シリコン基板自体が光学フィルタ作用をするため、この光学フィルタ４を省くことが可能となる。
【００２３】
なお、ファブリペロ干渉計２、光線平行化装置３、光学フィルタ４は図１に示した順番に並んでいなくてもよい。例えば、光線平行化装置３はファブリペロ干渉計２の上に配置することも可能である（つまり、干渉させてから、余計な波長の光を取り除いてもよい）。また、光学フィルタ４はどの位置にあっても、結果として検出される光に差はない。配置については、設計により適宜最適な配置にすればよい。つまり、ファブリペロ干渉計２、光線平行化装置３、及び光学フィルタ４はどのような順番に並んでいてもよい。また、光学フィルタ４はファブリペロ干渉計２、光線平行化装置３、あるいはリニアセンサ１の表面に多層膜として形成し、それぞれと一体化させることも可能である。
【００２４】
光源６は、測定したい波長の光を出す光源であればよい。例えば、ハロゲンランプは近赤外線領域の光を比較的一様に出し、手に入れ易いので光源として好適である。その他、１つあるいは複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を使ったり、ＬＥＤを１次光源にした蛍光体などでもよい。またレーザのような指向性のある光を被測定対象物７に入射させ、その拡散光を測定してもよい。また、光源６の位置は、図１の実施の形態ではリニアセンサ１の反対側になっているが、リニアセンサ１と同じ方向から光を被測定対象物７に反射させたり、あるいは光ファイバなどを用いて被測定対象物７に密着させ、その拡散光を検出するようにしてもよい。
【００２５】
被測定対象物７は、ここでは生体のサンプルとして人間の生きた指とする。分光器１０は、人間の指に光源６からの光を透過させることで、様々な情報を非侵襲（生体に影響を及ぼさないこと）で得ることができる。例えば、波長１.５〜１.６μｍ付近にはグルコースの吸収帯があり、この領域を含む分光特性を得ることで、血糖値が測定できることが知られている（例えば、特開２０００−１３１３２２号公報参照）。
【００２６】
なお、本実施の形態の分光器１０は、このような応用を念頭においているが、被測定対象物７として生体に限っているものではなく、その他の無機物、有機物の化学的な特性を計測することを目的としてもよいことは勿論である。
【００２７】
次に、このような構成の分光器１０において、どのように光が分光され、検出されるのかについて説明する。まず、分光を行っている光学部品であるファブリペロ干渉計２について図２を使って説明する。
【００２８】
まず、ファブリペロ干渉計２は次のような特性を持っているものとする。測定波長が１〜２μｍで、波長分解能が１０ｎｍであるとする。この波長分解能の分だけリニアセンサ１の画素を用意すると、リニアセンサ１の画素数は１００個になる。リニアセンサ１の画素ピッチを３０μｍとすると、リニアセンサ１の全体の長さは３０００μｍ（＝３ｍｍ）となる。
【００２９】
ファブリペロ干渉計２の構造は以下のようになる。ファブリペロ干渉計２は、近赤外領域で透明な例えば平板状の誘電体（例えば石英）２０ａと２０ｂとが互いに離間対向され、誘電体２０ａと２０ｂの対向する一つの表面２３ａ、２３ｂに例えば金が蒸着により形成されて反射面とされている。誘電体２０ａ、２０ｂの光の出射面と入射面にはそれぞれ無反射コーティングの多層膜２２ａ、２２ｂが設けられている。
【００３０】
誘電体２０ａと２０ｂとは、各一端が長さ０.２５μｍのスペーサ２１ａにより固定され、各他端が長さ０.５μｍのスペーサ２１ｂにより固定されている。なお、上記の０.２５μmと０.５μｍの数値は測定波長１〜２μｍの４分の１のことである。また、誘電体２０ａ、２０ｂの間隔は、一方の固定端の間隔（スペーサ２１ａの長さ）から他方の固定端の間隔（スペーサ２１ｂの長さ）まで直線的に変化する構成である。反射面２３ａを有する誘電体２０ａは第１の鏡を構成し、反射面２３ｂを有する誘電体２０ｂは第２の鏡を構成する。ファブリペロ干渉計２は、これら２つの鏡の間隔が、リニアセンサ１の複数の画素の配列方向と平行な方向に変化することにより、共振波長の分布を形成している。
【００３１】
反射面２３ａと２３ｂの反射率は、分解能に応じて９８.５％以上である。図３は、分解能と反射率の関係を示す。
【００３２】
さて、反射面のギャップが波長によって異なっているから、図２に示すように、反射面２３ａと２３ｂとは完全な平行にはなっておらず、両端間では０.２５μｍの厚さの変化がある。しかしながら、この０.２５μｍの厚さの変化に対して、誘電体２０ａ、２０ｂの横の長さが３０００μｍであるから、その傾きは０.３秒程度となり、１秒以下の平行度である。例えば、ギャップが０.５μｍのところで反射面２３ｂに対して垂直に光２６が入射したとすると、２度反射してもその位置のずれは０.０８μｍである。従って、図２のファブリペロ干渉計２は、波長２μｍの光に対して十分小さく、自己干渉を引き起こすので、ファブリペロ共振器として作用することが分かる。
【００３３】
なお、ファブリペロ干渉計２としては、図２のようにエアギャップの構成をとらなくてもよい。例えば、図４（Ａ）に示すように、ギャップの形を誘電体２４で作ってもよい。誘電体２４は厚さ０.２５μｍの一端から厚さ０.５μｍの他端まで厚さが連続的に変化する台形加工型の構成である。誘電体２４の厚さは、図４（Ａ）では誘電率１として０.２５μｍと０.５μｍと表記してあるが、その厚さは誘電率により変わることは勿論である。
【００３４】
また、図４（Ｂ）に示すように、平行な鏡面を形成している誘電体２５の内部の誘電率を所定の方向に徐々に変化させていくような誘電率変調型の誘電体２５を作ってもよい。誘電体２４、２５ともに、光の入射面、出射面には無反射コーティングを施しておくのは勿論のことである。
【００３５】
次にファブリペロ干渉計２の入射光の角度について説明する。
【００３６】
画素の分解能が１０ｎｍなので、図５に示すようにリニアセンサ１内のある画素αと隣の画素βについて考える。検出する波長が画素αと画素βとで１０ｎｍ異なっているので、角度θが６度程度垂直方向に対して傾くと、光路長が１０ｎｍの４分の１波長の２.５μｍになり、本来隣の画素βで検出すべき光を画素αで検出してしまう。従って、ファブリペロ干渉計２へ光を入射する前に、何らかの光線平行化手段が必要になる。平行光線の作り方としてはレンズのコリメートによる方法が使える。しかしながら、レンズのコリメートによる方法では、大きな体積の空間が必要になるし、また、光学系は位置ずれが起きないような頑丈な躯体が必要になり、分光器の形状が更に大きくなる。
【００３７】
そこで、更に望ましい方法として、ある角度以外の光を遮光してしまう方法がある。この方法は、図６に示すように、直径がリニアセンサ１の画素ピッチと同じ３０μｍで、深さが直径よりも大である３５０μｍで、内部の側面が光が反射しないような材料で構成された孔３１を用いる方法である。この方法によれば、孔３１を通る光は５度程度に制限されるので、容易に平行光を作ることができる。そこで、本実施の形態では、光線平行化装置３として、図７の外観斜視図に示すように、近赤外光を吸収する３５０μｍ厚のシート３２（例えば黒色塗料が入ったプラスチックなどの有機材料）に直径３０μｍの孔３１を金型などで多数開けたものを使用する。
【００３８】
なお、図６及び図７に示す光線平行化装置３は、孔３１の軸方向に対して垂直な方向の横断面が円形であるものとしているが、形状はこれに限定されるものではなく、四角形や多角形その他の任意の形状であってもよい。ただし、光線平行化装置３の孔は、軸方向に対して垂直方向の横断面の最大長（円形の場合は直径、四角形の場合は対角線、他の形状の場合は断面を横切る長さが最も長くなるところの長さ）よりも、軸方向の長さ（つまり、深さ）が大であり、また、その内部の側面が無反射状態となっている必要がある。
【００３９】
このほかの光線平行化方法としては、光ファイバを多数束にしてシート状に加工し、光を通過させる方法がある。光ファイバはある角度以下の光を全反射させ伝搬するので、ここでは全反射の角度が６度以下のファイバを使えば、光ファイバの性質によりある角度の光のみを取り出すことができる。光ファイバ・シートの厚さは数ｍｍもあればよい。
【００４０】
次に、リニアセンサ１について詳細に説明する。リニアセンサ１については、前述のように熱型のものや量子型のものがあるが、ここではシリコン基板を使ったショットキー・バリア・ダイオードを使った例を図８に示す。
【００４１】
図８において、チップ３３は縦１ｍｍ、横４ｍｍの小型のチップである。このチップ３３の中に赤外線を検出するリニアセンサ１と、読み出し回路３４と、Ａ／Ｄ変換回路３５と、制御回路３６と、電源回路３７と、入出力（Ｉ／Ｏ）回路３８と、パッド３９とが設けられている。
【００４２】
リニアセンサ１は、赤外線に感度のある複数の画素が、直線状に例えば３０μｍピッチで１００個並んだ構成である。リニアセンサ１の各画素の縦方向の長さは１００μｍとする。各画素に読み出し回路３４が繋がっており、読み出し回路３４が各画素の信号を順に読み出して、Ａ／Ｄ変換回路３５に供給しデジタル信号に変換させる。制御回路３６は読み出し回路３４とＡ／Ｄ変換回路３５の動作を制御する。電源回路３７は外部から供給された電源電圧を適切な電圧に変換して、読み出し回路３４、Ａ／Ｄ変換回路３５、制御回路３６にそれぞれ供給する。Ｉ／Ｏ回路３８はチップ３３の外部との信号のやり取りを行い、Ａ／Ｄ変換回路３５、制御回路３６、電源回路３７と通信する。パッド３９は外部との配線を取り持つ領域である。
【００４３】
次に、リニアセンサ１の１つの画素とその信号の読み出し方について詳しく説明する。図９は、リニアセンサ１の１画素と読み出し回路の一例の構造断面図及び回路図を示す。同図において、Ｐ型のシリコン基板４０には、コンタクト用Ｐ+拡散層４１、金属薄膜４２、Ｎ型拡散層４３、Ｎ+拡散層４６及び４７がそれぞれ形成されている。また、シリコン基板４０の上方には転送ゲート電極４４、リセット・ゲート電極４５が形成されている。
【００４４】
コンタクト用Ｐ+拡散層４１は、グランド電源に配線されている。金属薄膜４２はショットキー・バリア・ダイオードを形成するための金属薄膜で、例えばモリブデン（Ｍｏ）である。Ｍｏはシリコン基板４０と電気的に良好に接続するために、少なくともシリコン基板４０との界面部分は５００℃程度の熱処理によりシリサイド化されている。Ｎ型拡散層４３はショットキー・バリア・ダイオードが周辺部で低電圧でブレークダウンすることを防ぐためのガードリングである。転送ゲート電極４４はショットキー・バリア・ダイオードに蓄積した電子（電荷）をＮ+拡散層４６に転送する。Ｎ+拡散層４７は電源Ｖｄｄに接続されている。リセット・ゲート電極４５はＮ+拡散層４６をＶｄｄにリセットするための電極である。
【００４５】
ＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４８は、ゲートがＮ+拡散層４６に接続され、ドレインがＶｄｄに接続され、ソースが出力になっているソースフォロア・アンプである。被検出光４９はシリコン基板４０の裏面から入る。このシリコン基板４０の裏面には光が入射時に反射しないようにするために、多層膜からなる無反射コーティング５０が形成されている。ここまでが画素の構造である。
【００４６】
画素の出力はスイッチング用ＭＯＳ型ＦＥＴ（以下、ＭＯＳスイッチという）５１、５３を通してメモリとして作用するキャパシタ５２、５４に保持される。差動アンプ５５は、キャパシタ５２、５４により保持された画素の読み出し信号の差分信号を増幅する。スイッチング用ＭＯＳ型ＦＥＴ（ＭＯＳスイッチ）５６は、オンになったタイミングで差動アンプ５５からの画素の差分信号を外部へ出力する。
【００４７】
次に、この画素の動作について、図１０のタイミングチャートを参照して説明する。所定時間、入射光が入り既に金属薄膜４２を有するショットキー・バリア・ダイオードに電子（電荷）が蓄積されているものとする。まず、リセット・ゲート電極４５が、図１０（Ａ）にハイレベルで示す所定時間オン状態になり、Ｎ+拡散層４６がＶｄｄとなる。次に、ＭＯＳスイッチ５１が図１０（Ｃ）にハイレベルで示す所定時間オンになり、Ｎ+拡散層４６の電位をソースフォロア・アンプ４８、ＭＯＳスイッチ５１を通してオフセット信号としてメモリ作用をするキャパシタ５２に記録する。
【００４８】
次に、転送ゲート電極４４が図１０（Ｂ）にハイレベルで示す所定時間オン状態になり、金属薄膜４２を有するショットキー・バリア・ダイオードに蓄積されていた電子（電荷）がＮ+拡散層４６に転送され電位が変化する。次に、ＭＯＳスイッチ５３が図１０（Ｄ）にハイレベルで示す所定時間オンになり、Ｎ+拡散層４６の電位をソースフォロア・アンプ４８、ＭＯＳスイッチ５３を通してメモリ作用をするキャパシタ５４に記録する。
【００４９】
ここまでの動作はリニアセンサ１の全画素で一斉に行われる。
【００５０】
次に、読み出し回路３４は図１０（Ｅ）にハイレベルで示す所定のタイミングでＭＯＳスイッチ５６をオンにして、差動アンプ５５から出力されるキャパシタ５２とキャパシタ５３に記録された各信号の差分信号を真の信号として出力し、Ａ／Ｄ変換回路３５に引き渡す。このＭＯＳスイッチ５６がオンになるタイミングは画素により異なり、順次読み出されることになる。ここでキャパシタ５２とキャパシタ５４に記録された各信号の差分信号を真の信号として出力するのは、ソースフォロア・アンプとなるＮチャネルＭＯＳ型ＦＥＴ４８のしきい値電圧のばらつきを除去するためである。
【００５１】
ところで、金属薄膜４２を有するショットキー・バリア・ダイオードには通常のＰＮ接合を使ったフォトダイオードに比べて界面におけるダークカレントが多いという問題がある。このダークカレントは画素毎にばらつく性質がある。そこで、ダークカレントの影響を除去するために、光信号が入らない状態で予め画素毎のダークカレント信号をメモリに記録しておき、信号から除去すると、雑音の少ない信号を得ることができる。
【００５２】
なお、被検出光４９がシリコン基板４０の裏面から入射し、シリコン基板４０の表面で光電変換されるため、可視光はシリコン基板４０に吸収され、近赤外光だけが検出される。従って、可視光のみをカットしたい場合は前述のように光学フィルタ４は必要ない。
【００５３】
また、ショットキー・バリア・ダイオードに使う金属はＭｏに限らず、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｙ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃ（グラファイト）、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｂｅ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔが使用可能である。
【００５４】
さて、このような１個〜４個の部品を重ねて作られる分光器１０の分光器本体５は縦、横、高さがそれぞれ数ｍｍ程度の大きさにすることが可能で、非常に小さい。また、その際に部品の位置ずれに対する許容度が非常に高い。
【００５５】
例えば、ファブリペロ干渉計２とリニアセンサ１との間で特定の画素が特定の波長を測定するように合わせこむ必要がない。多少ずれても図１１に示すような方法で簡単に補正できるからである。ここでは、分光器本体５に対してある波長分布をもつ光源、例えば６３で示すように１.５μｍでピークを持つことが分かっている特性の光源６２を用意する。例えば、ＬＥＤはある波長でピークを持ち、波長がそのピークの波長から離れるほど適度に強度が低下する、所謂波長の裾が広がっている波長対強度特性を有するので、上記の光源６２として都合がよい。
【００５６】
拡散板６１は、光源６２からの光を光強度のバラツキがないようにして分光器本体５内に入射する。その結果、特定の分光分布が得られるが、そのとき信号強度が最大になる画素の測定波長が１.５μｍであると簡単に確認することができる。それが分かると、隣の画素との測定波長の差が１０ｎｍであることが分かっているから、全ての画素の測定波長が確定する。この補正結果を例えば制御回路３６などに記録しておけば、読み出し回路３４を適切に制御して、正しい分光特性を出力することができる。
【００５７】
このように、本実施の形態の分光器１０は、特許文献１記載の分光器よりも空間的に小さな体積で済み、一体型で、振動にも強く、また、特許文献２記載の可変干渉器を用いた分光器のような大きな電圧を必要とせず、持ち運びができる小型の分光器である。また、本実施の形態の分光器１０は光学部品であるにも関わらず、位置ずれに強いため、分光器のコスト低減に大いに貢献するものである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る分光器は小型軽量な赤外線分光器であるため、特に、生体系や医療現場における分光特性の取得に有効で、例えば血糖値センサなどに使用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１ リニアセンサ
２ ファブリペロ干渉計
３ 光線平行化装置
４ 光学フィルタ
５ 分光器本体
６ 光源
７ 被測定対象物
１０ 分光器
２０ａ、２０ｂ、２４、２５ 誘電体
２１ａ、２１ｂ スペーサ
２２ａ、２２ｂ 多層膜
２３ａ、２３ｂ 反射面
３１ 孔
３２ シート
３３ チップ
３４ 読み出し回路
３５ Ａ／Ｄ変換回路
３６ 制御回路
３７ 電源回路
３８ Ｉ／Ｏ回路
３９ パッド
４０ シリコン基板
４１ コンタクト用Ｐ+拡散層
４２ 金属薄膜
４３ Ｎ型拡散層
４４ 転送ゲート電極
４５ リセット・ゲート電極
４６、４７ Ｎ+拡散層
４８ ＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ソースフォロア・アンプ）
５１、５３、５６ スイッチング用ＭＯＳ型電界効果トランジスタ
５２、５４ キャパシタ
５５ 差動アンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は分光器に係り、特に被測定対象物の分光特性を取得する分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質を透過したり反射したりする光、あるいは物質の放射する光の分光特性を得ることで、当該物質に関する様々な性質を知ることが可能である。その分光特性を得るのが分光器である。しかしながら、分光器は多くの場合、光学系に大きな体積の空間が必要になる。特に回折格子を使う場合、分解された各波長の光が広がるための大きな体積の空間が必要になるので、装置が大きくなる。一方、ファブリペロ共振器（ファブリペロエタロン）を使う場合、必要な空間が回折格子を使う場合よりも比較的小さな体積で済むので小型化に有利である。
【０００３】
特許文献１には、ファブリペロ干渉計とレンズとリニアセンサを組み合わせた分光器が記載されている。この特許文献１記載の分光器では、各波長毎に集光する位置が異なるので、集光位置の直線上に配置したリニアセンサで光強度を読み取り、各画素の位置と信号強度とから所定の演算操作を行って波長分布を得る。
【０００４】
また、特許文献２には、ファブリペロ干渉計の間隔を静電引力で可変することで波長分布を得る可変干渉器が記載されている。特許文献２には図示されていないが、この可変干渉器に光の入射方向を制御する部品を設けることで分光器が構成できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２６９２８４４号公報
【特許文献２】特公平４−０４６３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の分光器では、ファブリペロ干渉計の大きさのレンズが必要になり、また光を集光させるための比較的大きな体積の空間が必要になり、装置の小型化が十分ではないという問題がある。また、特許文献２記載の可変干渉器を用いて構成される分光器では、静電引力を発生させるため大きな電圧が必要になり、またファブリペロ干渉計全体の平行度を保ったまま距離を変化させるのは難しいという問題がある。更に、上記の特許文献１記載の分光器や特許文献２記載の可変干渉器を用いた分光器は、互いにある程度の隙間のある複数の光学部品により構成されるため、比較的振動に弱いという問題もある。
【０００７】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、空間的に小さな体積で済み、一体型で、振動にも強く、大きな電圧を必要とせず、持ち運びができる小型の分光器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、第１の発明の分光器は、所定の波長範囲に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に配列したリニアセンサと、リニアセンサを構成する複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有しており、入射光を分光してリニアセンサに入射するファブリペロ干渉計と、ファブリペロ干渉計への入射光を平行化する光線平行化手段と、光線平行化手段に測定する波長の被検出光を入射する光源とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、上記の目的を達成するため、第２の発明の分光器は、リニアセンサと被測定対象物との間に、リニアセンサへの入射光の不要な波長を除去する光学フィルタを更に備えることを特徴とする。
【００１０】
また、上記の目的を達成するため、第３の発明の分光器は、ファブリペロ干渉計が、それぞれ一面に形成された反射面が互いに離間対向する平板状の第１及び第２の誘電体の両端が固定されており、かつ、第１及び第２の誘電体の互いの間隔が一方の固定端の間隔から他方の固定端の間隔まで直線的に変化するように配置されることにより、共振波長の分布を形成している構成であることを特徴とする。
【００１１】
また、上記の目的を達成するため、第４の発明の分光器は、光線平行化手段が、複数の孔が開けられたシートからなり、複数の孔のそれぞれは、軸方向の長さが軸方向に対して垂直方向の横断面の最大長よりも大なる長さであり、内部の側面が無反射状態とされていることを特徴とする。
【００１２】
また、上記の目的を達成するため、第５の発明の分光器は、リニアセンサが、複数の画素のそれぞれが、基板の表面に金属を接触させた構造のショットキー・バリア・ダイオードで構成されており、基板の裏面からファブリペロ干渉計を通して光が入射する構成であることを特徴とする。
【００１３】
また、上記の目的を達成するため、第６の発明の分光器は、ショットキー・バリア・ダイオードに蓄積した電荷を基板と反対導電型の高濃度拡散層に転送する転送手段と、高濃度拡散層に蓄積された電位変化を信号として読み出す読み出し回路手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
更に、上記の目的を達成するため、第７の発明の分光器は、光源はピーク波長が予め既知である光を出射する光源であり、その光源からの光を拡散して光線平行化手段に入射する拡散板と、複数の画素のうち読み出し信号が最大の強度を示した画素をピーク波長を測定している画素と特定し、その特定した画素と隣接する画素との既知の測定波長の差とに基づいて、複数の画素のすべてについてその測定波長を特定する特定手段とを更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空間的に小さな体積で済み、一体型で、振動にも強く、大きな電圧を必要とせず、持ち運びができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の分光器の一実施の形態の構成図である。
【図２】図１中のファブリペロ干渉計の一例の構成図である。
【図３】ファブリペロ共振器の分解能と反射率を示す特性図である。
【図４】ファブリペロ干渉計の他の各例の構成図である。
【図５】ファブリペロ干渉計の入射光の角度の説明図である。
【図６】光線平行化方法の一例を説明する図である。
【図７】図１中の光線平行化装置の一例の斜視図である。
【図８】リニアセンサを含むチップ内の一例の構成図である。
【図９】リニアセンサの１画素と読み出し回路の一例の構造断面図及び回路図である。
【図１０】図９の動作説明用タイミングチャートである。
【図１１】本発明の分光器の一実施の形態の要部の補正方法の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明になる分光器の一実施の形態の構成図を示す。同図に示すように、本実施の形態の分光器１０は、赤外線に感度のあるリニアセンサ１、ファブリペロ干渉計２、光線を平行化する光線平行化装置３、及び特定の波長を透過させる光学フィルタ４が互いに密着又は殆ど隙間なく接している一体化された分光器本体５と、光源６とから構成され、分光器本体５と光源６との間に設置された被測定対象物（ここでは指を想定）７の分光特性を測定する。ここでは、分光器１０は、被測定対象物７である指に光源６から発する光を透過させ、波長１μｍ〜２μｍの赤外線の分光特性を得るものとする。
【００１９】
リニアセンサ１は、赤外線に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に並べた構成の赤外線センサである。このリニアセンサ１としては、例えば赤外線を吸収して熱に変換する熱型センサ、温度の変化を抵抗の変化で読み取る抵抗ボロメータ方式のセンサ、直列につないだ熱電対の電圧を読み取るサーモパイル方式のセンサ、焦電素子を使った方式のセンサ、あるいは光を直接光電変換により取り出す量子型のセンサを用いることができる。量子型のセンサとしては、ＩｎＧａＡｓ系の化合物半導体のフォトダイオードアレイ、あるいはシリコン基板にショットキー・バリア・ダイオードを形成し、シリコン基板と金属薄膜との界面で起こる光電変換を利用するショットキー・バリア・ダイオード方式センサなどが考えられる。ここでは、一例としてショットキー・バリア・ダイオード方式センサを使うものとする。
【００２０】
ファブリペロ干渉計２は、２枚の鏡が離間対向するように互いの両端が固定されており、例えばそれらの一方の固定端の間隔が０.２５μｍで、もう一方の固定端の間隔が０.５μｍであり、かつ、それら２つの固定端の間が直線的に変化している構造である。上記の２つの固定端のそれぞれの間隔０.２５μｍと０.５μｍとは、それぞれ測定する最短波長である１μｍと最長波長である２μｍの４分の１の長さに対応している。これら２つの固定端の各間隔は測定したい波長により変えられる。このファブリペロ干渉計２は、リニアセンサ１を構成する複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有しており、入射光を分光してリニアセンサ１に入射する。
【００２１】
光線平行化装置３は、ファブリペロ干渉計２にある角度の範囲で垂直に光を入射することを目的としている。この光線平行化装置３は、特定の寸法の孔が多数開き、ある角度以外の光を遮光する構造を持っていたり、または光ファイバを多数並べた構造をしている。従って、高々数ｍｍの厚さの形状であり、またファブリペロ干渉計２と接着することも可能で、空間的な体積をとらない。
【００２２】
光学フィルタ４は、余計な波長の光がファブリペロ干渉計２に入射しないようにするためのもので、例えば１μｍ以下の光がファブリペロ干渉計２に入ると、干渉し検出する可能性があるために設けられる。後述するが、シリコン基板にショットキー・バリア・ダイオードでセンサを作る場合には、シリコン基板自体が光学フィルタ作用をするため、この光学フィルタ４を省くことが可能となる。
【００２３】
なお、ファブリペロ干渉計２、光線平行化装置３、光学フィルタ４は図１に示した順番に並んでいなくてもよい。例えば、光線平行化装置３はファブリペロ干渉計２の上に配置することも可能である（つまり、干渉させてから、余計な波長の光を取り除いてもよい）。また、光学フィルタ４はどの位置にあっても、結果として検出される光に差はない。配置については、設計により適宜最適な配置にすればよい。つまり、ファブリペロ干渉計２、光線平行化装置３、及び光学フィルタ４はどのような順番に並んでいてもよい。また、光学フィルタ４はファブリペロ干渉計２、光線平行化装置３、あるいはリニアセンサ１の表面に多層膜として形成し、それぞれと一体化させることも可能である。
【００２４】
光源６は、測定したい波長の光を出す光源であればよい。例えば、ハロゲンランプは近赤外線領域の光を比較的一様に出し、手に入れ易いので光源として好適である。その他、１つあるいは複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を使ったり、ＬＥＤを１次光源にした蛍光体などでもよい。またレーザのような指向性のある光を被測定対象物７に入射させ、その拡散光を測定してもよい。また、光源６の位置は、図１の実施の形態ではリニアセンサ１の反対側になっているが、リニアセンサ１と同じ方向から光を被測定対象物７に反射させたり、あるいは光ファイバなどを用いて被測定対象物７に密着させ、その拡散光を検出するようにしてもよい。
【００２５】
被測定対象物７は、ここでは生体のサンプルとして人間の生きた指とする。分光器１０は、人間の指に光源６からの光を透過させることで、様々な情報を非侵襲（生体に影響を及ぼさないこと）で得ることができる。例えば、波長１.５〜１.６μｍ付近にはグルコースの吸収帯があり、この領域を含む分光特性を得ることで、血糖値が測定できることが知られている（例えば、特開２０００−１３１３２２号公報参照）。
【００２６】
なお、本実施の形態の分光器１０は、このような応用を念頭においているが、被測定対象物７として生体に限っているものではなく、その他の無機物、有機物の化学的な特性を計測することを目的としてもよいことは勿論である。
【００２７】
次に、このような構成の分光器１０において、どのように光が分光され、検出されるのかについて説明する。まず、分光を行っている光学部品であるファブリペロ干渉計２について図２を使って説明する。
【００２８】
まず、ファブリペロ干渉計２は次のような特性を持っているものとする。測定波長が１〜２μｍで、波長分解能が１０ｎｍであるとする。この波長分解能の分だけリニアセンサ１の画素を用意すると、リニアセンサ１の画素数は１００個になる。リニアセンサ１の画素ピッチを３０μｍとすると、リニアセンサ１の全体の長さは３０００μｍ（＝３ｍｍ）となる。
【００２９】
ファブリペロ干渉計２の構造は以下のようになる。ファブリペロ干渉計２は、近赤外領域で透明な例えば平板状の誘電体（例えば石英）２０ａと２０ｂとが互いに離間対向され、誘電体２０ａと２０ｂの対向する一つの表面２３ａ、２３ｂに例えば金が蒸着により形成されて反射面とされている。誘電体２０ａ、２０ｂの光の出射面と入射面にはそれぞれ無反射コーティングの多層膜２２ａ、２２ｂが設けられている。
【００３０】
誘電体２０ａと２０ｂとは、各一端が長さ０.２５μｍのスペーサ２１ａにより固定され、各他端が長さ０.５μｍのスペーサ２１ｂにより固定されている。なお、上記の０.２５μmと０.５μｍの数値は測定波長１〜２μｍの４分の１のことである。また、誘電体２０ａ、２０ｂの間隔は、一方の固定端の間隔（スペーサ２１ａの長さ）から他方の固定端の間隔（スペーサ２１ｂの長さ）まで直線的に変化する構成である。反射面２３ａを有する誘電体２０ａは第１の鏡を構成し、反射面２３ｂを有する誘電体２０ｂは第２の鏡を構成する。ファブリペロ干渉計２は、これら２つの鏡の間隔が、リニアセンサ１の複数の画素の配列方向と平行な方向に変化することにより、共振波長の分布を形成している。
【００３１】
反射面２３ａと２３ｂの反射率は、分解能に応じて９８.５％以上である。図３は、分解能と反射率の関係を示す。
【００３２】
さて、反射面のギャップが波長によって異なっているから、図２に示すように、反射面２３ａと２３ｂとは完全な平行にはなっておらず、両端間では０.２５μｍの厚さの変化がある。しかしながら、この０.２５μｍの厚さの変化に対して、誘電体２０ａ、２０ｂの横の長さが３０００μｍであるから、その傾きは０.３秒程度となり、１秒以下の平行度である。例えば、ギャップが０.５μｍのところで反射面２３ｂに対して垂直に光２６が入射したとすると、２度反射してもその位置のずれは０.０８μｍである。従って、図２のファブリペロ干渉計２は、波長２μｍの光に対して十分小さく、自己干渉を引き起こすので、ファブリペロ共振器として作用することが分かる。
【００３３】
なお、ファブリペロ干渉計２としては、図２のようにエアギャップの構成をとらなくてもよい。例えば、図４（Ａ）に示すように、ギャップの形を誘電体２４で作ってもよい。誘電体２４は厚さ０.２５μｍの一端から厚さ０.５μｍの他端まで厚さが連続的に変化する台形加工型の構成である。誘電体２４の厚さは、図４（Ａ）では誘電率１として０.２５μｍと０.５μｍと表記してあるが、その厚さは誘電率により変わることは勿論である。
【００３４】
また、図４（Ｂ）に示すように、平行な鏡面を形成している誘電体２５の内部の誘電率を所定の方向に徐々に変化させていくような誘電率変調型の誘電体２５を作ってもよい。誘電体２４、２５ともに、光の入射面、出射面には無反射コーティングを施しておくのは勿論のことである。
【００３５】
次にファブリペロ干渉計２の入射光の角度について説明する。
【００３６】
画素の分解能が１０ｎｍなので、図５に示すようにリニアセンサ１内のある画素αと隣の画素βについて考える。検出する波長が画素αと画素βとで１０ｎｍ異なっているので、角度θが６度程度垂直方向に対して傾くと、光路長が１０ｎｍの４分の１波長の２.５μｍになり、本来隣の画素βで検出すべき光を画素αで検出してしまう。従って、ファブリペロ干渉計２へ光を入射する前に、何らかの光線平行化手段が必要になる。平行光線の作り方としてはレンズのコリメートによる方法が使える。しかしながら、レンズのコリメートによる方法では、大きな体積の空間が必要になるし、また、光学系は位置ずれが起きないような頑丈な躯体が必要になり、分光器の形状が更に大きくなる。
【００３７】
そこで、更に望ましい方法として、ある角度以外の光を遮光してしまう方法がある。この方法は、図６に示すように、直径がリニアセンサ１の画素ピッチと同じ３０μｍで、深さが直径よりも大である３５０μｍで、内部の側面が光が反射しないような材料で構成された孔３１を用いる方法である。この方法によれば、孔３１を通る光は５度程度に制限されるので、容易に平行光を作ることができる。そこで、本実施の形態では、光線平行化装置３として、図７の外観斜視図に示すように、近赤外光を吸収する３５０μｍ厚のシート３２（例えば黒色塗料が入ったプラスチックなどの有機材料）に直径３０μｍの孔３１を金型などで多数開けたものを使用する。
【００３８】
なお、図６及び図７に示す光線平行化装置３は、孔３１の軸方向に対して垂直な方向の横断面が円形であるものとしているが、形状はこれに限定されるものではなく、四角形や多角形その他の任意の形状であってもよい。ただし、光線平行化装置３の孔は、軸方向に対して垂直方向の横断面の最大長（円形の場合は直径、四角形の場合は対角線、他の形状の場合は断面を横切る長さが最も長くなるところの長さ）よりも、軸方向の長さ（つまり、深さ）が大であり、また、その内部の側面が無反射状態となっている必要がある。
【００３９】
このほかの光線平行化方法としては、光ファイバを多数束にしてシート状に加工し、光を通過させる方法がある。光ファイバはある角度以下の光を全反射させ伝搬するので、ここでは全反射の角度が６度以下のファイバを使えば、光ファイバの性質によりある角度の光のみを取り出すことができる。光ファイバ・シートの厚さは数ｍｍもあればよい。
【００４０】
次に、リニアセンサ１について詳細に説明する。リニアセンサ１については、前述のように熱型のものや量子型のものがあるが、ここではシリコン基板を使ったショットキー・バリア・ダイオードを使った例を図８に示す。
【００４１】
図８において、チップ３３は縦１ｍｍ、横４ｍｍの小型のチップである。このチップ３３の中に赤外線を検出するリニアセンサ１と、読み出し回路３４と、Ａ／Ｄ変換回路３５と、制御回路３６と、電源回路３７と、入出力（Ｉ／Ｏ）回路３８と、パッド３９とが設けられている。
【００４２】
リニアセンサ１は、赤外線に感度のある複数の画素が、直線状に例えば３０μｍピッチで１００個並んだ構成である。リニアセンサ１の各画素の縦方向の長さは１００μｍとする。各画素に読み出し回路３４が繋がっており、読み出し回路３４が各画素の信号を順に読み出して、Ａ／Ｄ変換回路３５に供給しデジタル信号に変換させる。制御回路３６は読み出し回路３４とＡ／Ｄ変換回路３５の動作を制御する。電源回路３７は外部から供給された電源電圧を適切な電圧に変換して、読み出し回路３４、Ａ／Ｄ変換回路３５、制御回路３６にそれぞれ供給する。Ｉ／Ｏ回路３８はチップ３３の外部との信号のやり取りを行い、Ａ／Ｄ変換回路３５、制御回路３６、電源回路３７と通信する。パッド３９は外部との配線を取り持つ領域である。
【００４３】
次に、リニアセンサ１の１つの画素とその信号の読み出し方について詳しく説明する。図９は、リニアセンサ１の１画素と読み出し回路の一例の構造断面図及び回路図を示す。同図において、Ｐ型のシリコン基板４０には、コンタクト用Ｐ+拡散層４１、金属薄膜４２、Ｎ型拡散層４３、Ｎ+拡散層４６及び４７がそれぞれ形成されている。また、シリコン基板４０の上方には転送ゲート電極４４、リセット・ゲート電極４５が形成されている。
【００４４】
コンタクト用Ｐ+拡散層４１は、グランド電源に配線されている。金属薄膜４２はショットキー・バリア・ダイオードを形成するための金属薄膜で、例えばモリブデン（Ｍｏ）である。Ｍｏはシリコン基板４０と電気的に良好に接続するために、少なくともシリコン基板４０との界面部分は５００℃程度の熱処理によりシリサイド化されている。Ｎ型拡散層４３はショットキー・バリア・ダイオードが周辺部で低電圧でブレークダウンすることを防ぐためのガードリングである。転送ゲート電極４４はショットキー・バリア・ダイオードに蓄積した電子（電荷）をＮ+拡散層４６に転送する。Ｎ+拡散層４７は電源Ｖｄｄに接続されている。リセット・ゲート電極４５はＮ+拡散層４６をＶｄｄにリセットするための電極である。
【００４５】
ＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４８は、ゲートがＮ+拡散層４６に接続され、ドレインがＶｄｄに接続され、ソースが出力になっているソースフォロア・アンプである。被検出光４９はシリコン基板４０の裏面から入る。このシリコン基板４０の裏面には光が入射時に反射しないようにするために、多層膜からなる無反射コーティング５０が形成されている。ここまでが画素の構造である。
【００４６】
画素の出力はスイッチング用ＭＯＳ型ＦＥＴ（以下、ＭＯＳスイッチという）５１、５３を通してメモリとして作用するキャパシタ５２、５４に保持される。差動アンプ５５は、キャパシタ５２、５４により保持された画素の読み出し信号の差分信号を増幅する。スイッチング用ＭＯＳ型ＦＥＴ（ＭＯＳスイッチ）５６は、オンになったタイミングで差動アンプ５５からの画素の差分信号を外部へ出力する。
【００４７】
次に、この画素の動作について、図１０のタイミングチャートを参照して説明する。所定時間、入射光が入り既に金属薄膜４２を有するショットキー・バリア・ダイオードに電子（電荷）が蓄積されているものとする。まず、リセット・ゲート電極４５が、図１０（Ａ）にハイレベルで示す所定時間オン状態になり、Ｎ+拡散層４６がＶｄｄとなる。次に、ＭＯＳスイッチ５１が図１０（Ｃ）にハイレベルで示す所定時間オンになり、Ｎ+拡散層４６の電位をソースフォロア・アンプ４８、ＭＯＳスイッチ５１を通してオフセット信号としてメモリ作用をするキャパシタ５２に記録する。
【００４８】
次に、転送ゲート電極４４が図１０（Ｂ）にハイレベルで示す所定時間オン状態になり、金属薄膜４２を有するショットキー・バリア・ダイオードに蓄積されていた電子（電荷）がＮ+拡散層４６に転送され電位が変化する。次に、ＭＯＳスイッチ５３が図１０（Ｄ）にハイレベルで示す所定時間オンになり、Ｎ+拡散層４６の電位をソースフォロア・アンプ４８、ＭＯＳスイッチ５３を通してメモリ作用をするキャパシタ５４に記録する。
【００４９】
ここまでの動作はリニアセンサ１の全画素で一斉に行われる。
【００５０】
次に、読み出し回路３４は図１０（Ｅ）にハイレベルで示す所定のタイミングでＭＯＳスイッチ５６をオンにして、差動アンプ５５から出力されるキャパシタ５２とキャパシタ５３に記録された各信号の差分信号を真の信号として出力し、Ａ／Ｄ変換回路３５に引き渡す。このＭＯＳスイッチ５６がオンになるタイミングは画素により異なり、順次読み出されることになる。ここでキャパシタ５２とキャパシタ５４に記録された各信号の差分信号を真の信号として出力するのは、ソースフォロア・アンプとなるＮチャネルＭＯＳ型ＦＥＴ４８のしきい値電圧のばらつきを除去するためである。
【００５１】
ところで、金属薄膜４２を有するショットキー・バリア・ダイオードには通常のＰＮ接合を使ったフォトダイオードに比べて界面におけるダークカレントが多いという問題がある。このダークカレントは画素毎にばらつく性質がある。そこで、ダークカレントの影響を除去するために、光信号が入らない状態で予め画素毎のダークカレント信号をメモリに記録しておき、信号から除去すると、雑音の少ない信号を得ることができる。
【００５２】
なお、被検出光４９がシリコン基板４０の裏面から入射し、シリコン基板４０の表面で光電変換されるため、可視光はシリコン基板４０に吸収され、近赤外光だけが検出される。従って、可視光のみをカットしたい場合は前述のように光学フィルタ４は必要ない。
【００５３】
また、ショットキー・バリア・ダイオードに使う金属はＭｏに限らず、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｙ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃ（グラファイト）、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｂｅ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔが使用可能である。
【００５４】
さて、このような１個〜４個の部品を重ねて作られる分光器１０の分光器本体５は縦、横、高さがそれぞれ数ｍｍ程度の大きさにすることが可能で、非常に小さい。また、その際に部品の位置ずれに対する許容度が非常に高い。
【００５５】
例えば、ファブリペロ干渉計２とリニアセンサ１との間で特定の画素が特定の波長を測定するように合わせこむ必要がない。多少ずれても図１１に示すような方法で簡単に補正できるからである。ここでは、分光器本体５に対してある波長分布をもつ光源、例えば６３で示すように１.５μｍでピークを持つことが分かっている特性の光源６２を用意する。例えば、ＬＥＤはある波長でピークを持ち、波長がそのピークの波長から離れるほど適度に強度が低下する、所謂波長の裾が広がっている波長対強度特性を有するので、上記の光源６２として都合がよい。
【００５６】
拡散板６１は、光源６２からの光を光強度のバラツキがないようにして分光器本体５内に入射する。その結果、特定の分光分布が得られるが、そのとき信号強度が最大になる画素の測定波長が１.５μｍであると簡単に確認することができる。それが分かると、隣の画素との測定波長の差が１０ｎｍであることが分かっているから、全ての画素の測定波長が確定する。この補正結果を例えば制御回路３６などに記録しておけば、読み出し回路３４を適切に制御して、正しい分光特性を出力することができる。
【００５７】
このように、本実施の形態の分光器１０は、特許文献１記載の分光器よりも空間的に小さな体積で済み、一体型で、振動にも強く、また、特許文献２記載の可変干渉器を用いた分光器のような大きな電圧を必要とせず、持ち運びができる小型の分光器である。また、本実施の形態の分光器１０は光学部品であるにも関わらず、位置ずれに強いため、分光器のコスト低減に大いに貢献するものである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る分光器は小型軽量な赤外線分光器であるため、特に、生体系や医療現場における分光特性の取得に有効で、例えば血糖値センサなどに使用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１ リニアセンサ
２ ファブリペロ干渉計
３ 光線平行化装置
４ 光学フィルタ
５ 分光器本体
６ 光源
７ 被測定対象物
１０ 分光器
２０ａ、２０ｂ、２４、２５ 誘電体
２１ａ、２１ｂ スペーサ
２２ａ、２２ｂ 多層膜
２３ａ、２３ｂ 反射面
３１ 孔
３２ シート
３３ チップ
３４ 読み出し回路
３５ Ａ／Ｄ変換回路
３６ 制御回路
３７ 電源回路
３８ Ｉ／Ｏ回路
３９ パッド
４０ シリコン基板
４１ コンタクト用Ｐ+拡散層
４２ 金属薄膜
４３ Ｎ型拡散層
４４ 転送ゲート電極
４５ リセット・ゲート電極
４６、４７ Ｎ+拡散層
４８ ＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ソースフォロア・アンプ）
５１、５３、５６ スイッチング用ＭＯＳ型電界効果トランジスタ
５２、５４ キャパシタ
５５ 差動アンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長範囲に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に配列したリニアセンサと、
前記リニアセンサを構成する前記複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有しており、入射光を分光して前記リニアセンサに入射するファブリペロ干渉計と、
前記ファブリペロ干渉計への入射光を平行化する光線平行化手段と、
前記光線平行化手段に測定する波長の被検出光を入射する光源と
を備えることを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記リニアセンサと被測定対象物との間に、前記リニアセンサへの入射光の不要な波長を除去する光学フィルタを更に備えることを特徴とする請求項１記載の分光器。
【請求項３】
前記ファブリペロ干渉計は、それぞれ一面に形成された反射面が互いに離間対向する平板状の第１及び第２の誘電体の両端が固定されており、かつ、前記第１及び第２の誘電体の互いの間隔が一方の固定端の間隔から他方の固定端の間隔まで直線的に変化するように配置されることにより、共振波長の分布を形成している構成であることを特徴とする請求項１又は２記載の分光器。
【請求項４】
前記光線平行化手段は、複数の孔が開けられたシートからなり、前記複数の孔のそれぞれは、軸方向の長さが前記軸方向に対して垂直方向の横断面の最大長よりも大なる長さであり、内部の側面が無反射状態とされていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載の分光器。
【請求項５】
前記リニアセンサは、前記複数の画素のそれぞれが、基板の表面に金属を接触させた構造のショットキー・バリア・ダイオードで構成されており、前記基板の裏面から前記ファブリペロ干渉計を通して光が入射する構成であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項記載の分光器。
【請求項６】
前記ショットキー・バリア・ダイオードに蓄積した電荷を前記基板と反対導電型の高濃度拡散層に転送する転送手段と、
前記高濃度拡散層に蓄積された電位変化を信号として読み出す読み出し回路手段と
を備えることを特徴とする請求項５記載の分光器。
【請求項７】
前記光源はピーク波長が予め既知である光を出射する光源であり、
その光源からの光を拡散して前記光線平行化手段に入射する拡散板と、
前記複数の画素のうち読み出し信号が最大の強度を示した画素を前記ピーク波長を測定している画素と特定し、その特定した画素と隣接する画素との既知の測定波長の差とに基づいて、前記複数の画素のすべてについてその測定波長を特定する特定手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項記載の分光器。
【請求項１】
所定の波長範囲に感度のある複数の画素を所定のピッチで直線状に配列したリニアセンサと、
前記リニアセンサを構成する前記複数の画素の配列方向と平行な方向に対して共振波長が変化する特性を有しており、入射光を分光して前記リニアセンサに入射するファブリペロ干渉計と、
前記ファブリペロ干渉計への入射光を平行化する光線平行化手段と、
前記光線平行化手段に測定する波長の被検出光を入射する光源と
を備えることを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記リニアセンサと被測定対象物との間に、前記リニアセンサへの入射光の不要な波長を除去する光学フィルタを更に備えることを特徴とする請求項１記載の分光器。
【請求項３】
前記ファブリペロ干渉計は、それぞれ一面に形成された反射面が互いに離間対向する平板状の第１及び第２の誘電体の両端が固定されており、かつ、前記第１及び第２の誘電体の互いの間隔が一方の固定端の間隔から他方の固定端の間隔まで直線的に変化するように配置されることにより、共振波長の分布を形成している構成であることを特徴とする請求項１又は２記載の分光器。
【請求項４】
前記光線平行化手段は、複数の孔が開けられたシートからなり、前記複数の孔のそれぞれは、軸方向の長さが前記軸方向に対して垂直方向の横断面の最大長よりも大なる長さであり、内部の側面が無反射状態とされていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載の分光器。
【請求項５】
前記リニアセンサは、前記複数の画素のそれぞれが、基板の表面に金属を接触させた構造のショットキー・バリア・ダイオードで構成されており、前記基板の裏面から前記ファブリペロ干渉計を通して光が入射する構成であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項記載の分光器。
【請求項６】
前記ショットキー・バリア・ダイオードに蓄積した電荷を前記基板と反対導電型の高濃度拡散層に転送する転送手段と、
前記高濃度拡散層に蓄積された電位変化を信号として読み出す読み出し回路手段と
を備えることを特徴とする請求項５記載の分光器。
【請求項７】
前記光源はピーク波長が予め既知である光を出射する光源であり、
その光源からの光を拡散して前記光線平行化手段に入射する拡散板と、
前記複数の画素のうち読み出し信号が最大の強度を示した画素を前記ピーク波長を測定している画素と特定し、その特定した画素と隣接する画素との既知の測定波長の差とに基づいて、前記複数の画素のすべてについてその測定波長を特定する特定手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項記載の分光器。
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１】
【図４】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１５４７８０（Ｐ２０１２−１５４７８０Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８３７（Ｐ２０１１−１３８３７）
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（３０８０３６４０２）株式会社ＪＶＣケンウッド (1,152)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（３０８０３６４０２）株式会社ＪＶＣケンウッド (1,152)
【Ｆターム（参考）】
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