JP2011117884A

JP2011117884A - 分光測定器

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Publication number: JP2011117884A
Application number: JP2009277183A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Murakami; 健介村上; Tomoyuki Yamazaki; 智幸山崎; Naoto Nakayama; 直人中山
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】小型でありながら広い測定波長帯域にわたって連続的なスペクトルを高い信頼性をもって得られるようにする。
【解決手段】第１および第２の２つのミラー１１１，１１２を互いに平行として所定厚の空気層を介して対向的に配置してなるファブリペローフィルタ１１０を用いた分光測定器において、ファブリペローフィルタ１１０と、ファブリペローフィルタ１１０を透過した赤外線を受光してその受光量に応じた受光信号を出力する赤外線検知素子１２２とを１対１の関係で備える複数個のセンサユニット１０を含み、各ファブリペローフィルタ１１０の赤外線透過帯域をそれぞれ異なる帯域として、各センサユニット１０を同一の支持基板上に並置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ファブリペローフィルタを用いた分光測定器に関し、さらに詳しく言えば、小型でありながら広い測定波長帯域にわたって連続的なスペクトルが得られる分光測定器に関するものである。

ファブリペローフィルタは、２つの反射面を有する透明な平行ミラーによって構成される素子で、主に大気中のガス濃度の分析に用いられている。

その一例として、特許文献１に記載されている分光計においては、ＡＴＲ（ＡｔｔｅｎｕａｔｅｄＴｏｔａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）結晶を有する帯板状の導光体を備えており、導光体の一端側には線状の赤外線光源が配置され、導光体の他端側には光フィルタアレイと、光フィルタアレイを透過した赤外線を検出する赤外線センサアレイとが配置されている。

光フィルタアレイはＬＶＦ（ＬｉｎｅａｒＶａｒｉａｂｌｅＦｉｌｔｅｒ）で、帯状のフィルタ基板に透過光波長が異なるフィルタ素子が連続的に形成されている。具体的には、フィルタ厚が連続的に異なっており、透過光波長とフィルタ上の位置との間に比例関係があるフィルタで、赤外線センサアレイには、各フィルタと１対１で対応するセンサ素子が配列されている。

線状の赤外線光源から出射された赤外線は、ＡＴＲ結晶中を全反射しながら通過し、光フィルタアレイで分光されたのち、赤外線センサアレイに入射し検出される。ＡＴＲ結晶内で反射を繰り返す際に、結晶表面のサンプル（試料）によって光の微弱な吸収があり光が減衰する。減衰する光の波長はサンプルによって異なることから、分光により物質の同定が可能である。

また、特許文献２には、第１および第２の２つの平行ミラーを有するファブリペローフィルタにおいて、各ミラーにそれぞれ電極を設け、この電極間に印加する電圧によって空気層の厚みを変化させ、ファブリペローフィルタの透過波長帯域を３段階に可変できるようにした発明が提案されている。

米国特許第６４２０７０８号明細書特開２００１−２２８３２６号公報

上記特許文献１に記載されている分光計は、完全固体式であるため信頼性は高いが、一つの波長帯域に一つのセンサ素子が割り当てられているため、測定波長帯域を広げる（もしくは波長分解能を改善する）には、赤外線センサアレイの素子数を多くしなければならない。同様に、光フィルタアレイ（ＬＶＦ）も長くしなければならない。このことは、分光計自体が大型となることを意味し、製造上の観点からも好ましくない。

これに対して、上記特許文献２に記載された発明によれば、一つのファブリペローフィルタで、例えば３つの透過波長帯域をカバーすることができるが、依然として分光できる波長範囲が狭く、実用的ではない。また、電極間に印加する電圧によって空気層の厚みを変化させるにしても、その制御が容易ではなく信頼性が劣る、という問題がある。

したがって、本発明の課題は、小型でありながら広い測定波長帯域にわたって連続的なスペクトルを高い信頼性をもって得られるようにした分光測定器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、第１および第２の２つのミラーを互いに平行として所定厚の空気層を介して対向的に配置してなるファブリペローフィルタを用いた分光測定器において、上記ファブリペローフィルタと、上記ファブリペローフィルタを透過した赤外線を受光してその受光量に応じた受光信号を出力する赤外線検知素子とを１対１の関係で備える複数個のセンサユニットを含み、上記各ファブリペローフィルタはそれぞれ異なる赤外線透過帯域を有し、上記各センサユニットが同一の支持基板上に並置されていることを特徴としている。

本発明の好ましい態様によれば、当該分光測定器に求められる測定波長帯域の範囲をｍ、上記センサユニットの個数をｎとして、上記各ファブリペローフィルタに割り当てられる赤外線透過帯域の幅がほぼｍ／ｎであり、上記複数個のセンサユニットの全体で上記測定波長帯域がカバーされる。

また、本発明において、上記各ミラーが、それぞれ所定厚さの高屈折材料と低屈折材料とを積層してなる多層光学薄膜からなることが好ましい。

また、赤外線入射側の上記第１ミラー上には、ロングパスフィルタとサファィア基板とが積層されていることが好ましい。

より好ましくは、上記第１ミラー上には、上記ロングパスフィルタを介して上記サファィア基板が積層され、上記サファィア基板には、反射防止膜がコーティングされているとよい。

また、上記ロングパスフィルタが、所定厚のＧｅおよび／またはＺｎＳから形成されていることが好ましい。

また、上記各センサユニットが多列×多行のマトリクス状に配置されていることが好ましい。

また、上記各センサユニットの中央部分に存在するセンサユニットが、赤外線光源の光軸上に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、それぞれ異なる赤外線透過帯域を有するファブリペローフィルタと赤外線検知素子とを１対１の関係で備える複数個のセンサユニットを同一の支持基板上に並置するようにしたことにより、センサユニットの数だけ測定できる波長帯域を広げることができる。

また、各ファブリペローフィルタは完全固体式であるため、高い信頼性が得られる。また、製造面からすれば、各センサユニットの赤外線検知素子側は共用化できるので、その分、コストを削減することができる。

また、各センサユニットが多列×多行のマトリクス状に配置されている場合において、その中央部分に存在するセンサユニットを赤外線光源の光軸上に配置することにより、各センサユニットと赤外線光源との間の距離をほぼ等しくすることができ、より測定の信頼性が高められる。

本発明の実施形態に係る分光測定器を示す外観斜視図。上記分光測定器に含まれるセンサユニットを示す模式的な断面図。上記センサユニットを示す模式的な分解断面図。上記分光測定器の測定波長帯域の一例を示すグラフ。

次に、図１ないし図４により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この実施形態に係る分光測定器１は、各々がファブリペローフィルタを有する例えば９個のセンサユニット１０（１０ａ〜１０ｉ）を同一支持基板２０上に二次元的に並置してなる。この実施形態において、各センサユニット１０は３ｍｍ角程度の大きさで、３行×３列のマトリクス状に配置されている。

各センサユニット１０は、ファブリペローフィルタの赤外線透過帯域が異なる点を除いて同一構成であり、図２および図３により、その構成について説明する。

各センサユニット１０は、フィルタ部１１とセンサ部１２とを備えている。この実施形態において、フィルタ部１１には、ファブリペローフィルタ１１０と、ロングパスフィルタ１１４と、サファイア基板１１５とが含まれている。

ファブリペローフィルタ１１０は、スペーサ１１３を介して互いに平行として対向的に配置された光入射側の第１ミラー１１１と光出射側の第２ミラー１１２とから構成されている。第１ミラー１１１と第２ミラー１１２との間は空気層Ｇである。

この実施形態において、第１ミラー１１１は、Ｇｅ層，ＺｎＳ層およびＧｅ層の各層を図２において上から順に積層した３層構成の多層光学薄膜よりなる。

また、第２ミラー１１２は、Ｇｅ層，ＺｎＳ層およびＧｅ層の各層を図２において上から順に積層した３層構成の多層光学薄膜よりなる。

この実施形態において、第１ミラー１１１，第２ミラー１１２ともに、各Ｇｅ層は厚さ２１０ｎｍ、各ＺｎＳ層は厚さ４２０ｎｍで、第１ミラー１１１の全体の厚さは８４０ｎｍ、また、第２ミラー１１２の全体の厚さは８４０ｎｍである。

この実施形態では、高屈折材料としてＧｅを用い、低屈折材料としてＺｎＳを用いているが、屈折材料の選択および組み合わせは、当該分光測定器１に要求される測定範囲や熱膨張係数等の機械的性質を考慮して決められる。

参考までに、各ミラー１１１，１１２に適用可能な屈折材料の一例と、その屈折率を次表１に示す。

この実施形態において、スペーサ１１３はシリコン樹脂からなり、空気層Ｇは１８５０ｎｍである。ロングパスフィルタ１１４は、短波長側の不要部分を除去するためのもので、例えば奇数層がＧｅで偶数層がＺｎＳで構成されてよく、この層の組み合わせによって所望とするフィルタ特性が得られる。

また、サファイア基板１１５は、基板自体の吸収によって長波長側の不要波長を除去する。サファイア基板１１５には、反射防止（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜がコーティングされていることが好ましい。

センサ部１２は、サファイア基板１１５とほぼ同じ大きさに形成されたシリコン基板１２１を備え、シリコン基板１２１上に赤外線センサ１２２が実装されている。赤外線センサ１２２には、広い波長範囲にわたっての測定を可能とするため、焦電センサ，サーモパイル，ボロメータ等の熱型赤外線センサが好ましく採用される。

フィルタ部１１とセンサ部１２は、それぞれ別工程で作製され、図３に示すように、バンプ接合部１２３を介して一体的に接合される。センサ部１２は、各センサユニット１０ａ〜１０ｉに共通して用いられてよいため、その分、生産コストが削減できる。

フィルタ部１１の製造工程では、サファイア基板１１５上にロングパスフィルタ１１４が形成され、その上にファブリペローフィルタ１１０が形成される。

ファブリペローフィルタ１１０を形成するにあたっては、各センサユニット１０ａ〜１０ｉごとに赤外線透過帯域が異なるように、第１ミラー１１１，第２ミラー１１２の材料および厚さや空気層Ｇの厚さが適宜決められる。

図４のグラフ（横軸λ；波長，縦軸Ｔ；透過率）を参照して、図示しない光源より被測定ガスに赤外線を照射して、その通過光を分光して含有ガス成分を測定するにあたって、当該分光測定器１に要求される分光範囲が例えば１０μｍ程度であるとすると、この実施形態では、図４の横軸に示すように、各センサユニット１０ａ〜１０ｉに約１μｍ程度の透過帯域幅を持たせる。

すなわち、センサユニット１０ａには０〜１μｍ，センサユニット１０ｂには１〜２μｍ，センサユニット１０ｃには２〜３μｍ，センサユニット１０ｄには３〜４μｍ…のように、各センサユニット１０ａ〜１０ｉに約１μｍ程度の異なる透過帯域幅を持たせる。

また、各センサユニット１０ａ〜１０ｉの赤外線センサ１２２から出力される受光信号を例えばマルチプレクサを介して図示しない測定回路に入力する。これによれば、マルチプレクサを高速で順次切り替えることにより、図４に示すような連続した分光スペクトルを得ることができる。

このマルチプレクサの高速切換によれば、図１に示すように、各センサユニット１０ａ〜１０ｉを順序経って配置する必要はなく、各センサユニット１０ａ〜１０ｉは、支持基板２０上にランダムに配置されてよい。

なお、上記実施形態では、センサユニット１０を９個として支持基板２０上に３行×３列のマトリクス状に配置しているが、センサユニット１０の数および配置は任意に決められてよい。

また、図示しない光源と各センサユニット１０との距離をできるだけ均等距離とするため、マトリクス状に配置される複数個のセンサユニット１０の中心に配置されるセンサユニット１０（図１の態様においてはセンサユニット１０ｅ）を上記光源の光軸上に配置することが好ましい。

１分光測定器
１０（１０ａ〜１０ｉ）センサユニット
１１フィルタ部
１１０ファブリペローフィルタ
１１１第１ミラー（光入射側）
１１２第２ミラー（光出射側）
１１３スペーサ
１１４ロングパスフィルタ
１１５サファイア基板
１２センサ部
１２１シリコン基板
１２２赤外線センサ
１２３バンプ接合部
２０支持基板
Ｇ空気層

Claims

第１および第２の２つのミラーを互いに平行として所定厚の空気層を介して対向的に配置してなるファブリペローフィルタを用いた分光測定器において、
上記ファブリペローフィルタと、上記ファブリペローフィルタを透過した赤外線を受光してその受光量に応じた受光信号を出力する赤外線検知素子とを１対１の関係で備える複数個のセンサユニットを含み、上記各ファブリペローフィルタはそれぞれ異なる赤外線透過帯域を有し、上記各センサユニットが同一の支持基板上に並置されていることを特徴とする分光測定器。
当該分光測定器に求められる測定波長帯域の範囲をｍ、上記センサユニットの個数をｎとして、上記各ファブリペローフィルタに割り当てられる赤外線透過帯域の幅がほぼｍ／ｎであり、上記複数個のセンサユニットの全体で上記測定波長帯域がカバーされていることを特徴とする請求項１に記載の分光測定器。
上記各ミラーが、それぞれ所定厚さの高屈折材料と低屈折材料とを積層してなる多層光学薄膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の分光測定器。
赤外線入射側の上記第１ミラー上には、ロングパスフィルタとサファィア基板とが積層されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の分光測定器。
上記第１ミラー上には、上記ロングパスフィルタを介して上記サファィア基板が積層され、上記サファィア基板には、反射防止膜がコーティングされていることを特徴とする請求項４に記載の分光測定器。
上記ロングパスフィルタが、所定厚のＧｅおよび／またはＺｎＳから形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の分光測定器。
上記各センサユニットが多列×多行のマトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし６に記載の分光測定器。
上記各センサユニットの中央部分に存在するセンサユニットが、赤外線光源の光軸上に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の分光測定器。