JPH0599745A - 1-chip type spectrometer - Google Patents
1-chip type spectrometerInfo
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- JPH0599745A JPH0599745A JP29077391A JP29077391A JPH0599745A JP H0599745 A JPH0599745 A JP H0599745A JP 29077391 A JP29077391 A JP 29077391A JP 29077391 A JP29077391 A JP 29077391A JP H0599745 A JPH0599745 A JP H0599745A
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- light
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 1チップで分光器の機能を持たせることによ
り超小型の分光器を得る。
【構成】 素子毎にホール径が異なる多数のホールを有
する金属膜フィルタをチップ上の各受光素子の表面に設
けて、ホールのカットオフ波長以下の入射光のみが透過
できるようにし、チップ全体の素子に対して入射光に対
する隣接する素子間の出力信号の差分をとり、入射光の
スペクトル分布を得る。
(57) [Summary] [Purpose] An ultra-compact spectroscope is obtained by providing the function of the spectroscope with one chip. [Structure] A metal film filter having a large number of holes with different hole diameters for each element is provided on the surface of each light receiving element on the chip so that only incident light having a cutoff wavelength of the hole or less can be transmitted, and The spectral distribution of the incident light is obtained by taking the difference between the output signals of the adjacent elements with respect to the incident light with respect to the element.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は分光器の機能を有する
半導体装置に関し、特にセンサICに属する1チップ型
分光器に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a spectroscopic function, and more particularly to a one-chip spectroscope belonging to a sensor IC.
【0002】[0002]
【従来の技術】図2,図3は従来の分光器の原理を示す
を図であり、図において、10,19はスリット,11
はプリズム、12はフォトマルまたはフォトダイオード
からなる受光器、13は回折格子である。2 and 3 are views showing the principle of a conventional spectroscope, in which 10 and 19 are slits and 11
Is a prism, 12 is a photodetector composed of a photomultiplier or a photodiode, and 13 is a diffraction grating.
【0003】以下、これら分光器の動作を説明する。ス
リット10を通った入射光は、プリズム11または回折
格子13で分光し、、単一波長の光がスリット19で選
別され、受光器12により光の強度が測定される。そし
て、ここではプリズム11または回折格子13を回転さ
せることによって任意の波長が選別できるようになって
いる。The operation of these spectroscopes will be described below. The incident light that has passed through the slit 10 is dispersed by the prism 11 or the diffraction grating 13, the light of a single wavelength is selected by the slit 19, and the light intensity is measured by the light receiver 12. Then, here, by rotating the prism 11 or the diffraction grating 13, arbitrary wavelengths can be selected.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
分光器は、スリット,プリズム,回折格子などを用いる
ために装置が大きくなり、軽量化,小型化ができないと
いう問題点があった。また、プリズムまたは回折格子の
回転は機械的に行わなければならず、自動操作のために
はモータ等の駆動系を用いなければならなかった。As described above, the conventional spectroscope has a problem in that the size of the device becomes large because it uses slits, prisms, diffraction gratings, etc., and it cannot be made lighter or smaller. Further, the rotation of the prism or the diffraction grating must be performed mechanically, and a drive system such as a motor must be used for automatic operation.
【0005】この発明は上記のような問題点に鑑みてな
されたもので、小型,軽量で、しかも電気信号のみで操
作することができる1チップ型分光器を得ることを目的
としている。The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to obtain a one-chip type spectroscope which is small and lightweight and which can be operated only by an electric signal.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】この発明にかかる1チッ
プ型分光器は、半導体チップ上に敷きつめたイメージセ
ンサの各素子表面に多数のホール(孔)を有する金属膜
を形成して受光素子を構成し、ホール径の異なる各素子
間の出力の差分をとることによって、入射光のスペクト
ルを得るようにしたものである。A one-chip spectroscope according to the present invention forms a light receiving element by forming a metal film having a large number of holes on each element surface of an image sensor spread on a semiconductor chip. In this structure, the spectrum of the incident light is obtained by taking the difference between the outputs of the elements having different hole diameters.
【0007】[0007]
【作用】この発明にかかる1チップ型分光器において
は、受光素子表面に設けら金属膜のホールが導波管とし
て働くため、カットオフ波長以上の電磁波(入射光)に
対するフィルターの役目を果たし、その結果、隣合う素
子における透過光強度の差をとる作業を繰り返すことに
より、入射光波長のスペクトルを測定することができ
る。In the 1-chip type spectroscope according to the present invention, the hole of the metal film provided on the surface of the light receiving element functions as a waveguide, so that it functions as a filter for electromagnetic waves (incident light) having a cut-off wavelength or longer, As a result, the spectrum of the incident light wavelength can be measured by repeating the work of obtaining the difference in transmitted light intensity between the adjacent elements.
【0008】[0008]
【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図5は、この発明の一実施例による1チップ型分
光器の全体構成を概略的に示す図であり、図において、
17は金属膜フィルタ、18は受光素子であり、縦横a
×b個の各受光素子18上に金属膜フィルタ17が設け
られている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 5 is a diagram schematically showing an overall configuration of a one-chip type spectroscope according to one embodiment of the present invention.
Reference numeral 17 is a metal film filter, and 18 is a light receiving element.
The metal film filter 17 is provided on each of the xb light receiving elements 18.
【0009】図1は、この1チップ型分光器の各素子
(1素子)の断面側面図であり、図において、1はホー
ル、2は金属膜、3はSiO2 膜,4は受光層、5はガ
ードリング、6はN型チャネル不純物層を表面に備えた
P型Si結晶基板、7はポリシリコン電極、8はAl配
線8、9はSiO2 絶縁膜であり、既存のイメージセン
サ(SiO2 膜3,受光層4,ガードリング(N型)
5,N型チャネル不純物層を表面に備えたP型Si結晶
基板6,ポリシリコン電極7,Al配線8、SiO2 絶
縁膜9からなるイメージセンサ)上に多数のホール1が
形成された金属膜2を蒸着した構成になっている。ここ
で、金属膜2はAl,Cu等からなり、多数のホール1
が写真製版,エッチングによって開けられている。ま
た、1素子内のホール1の径はすべて等しく、ホール径
xの範囲は測定波長範囲で決定され、赤外部では0.2
μm以上、可視部では0.2μm以下である。そして、
上記図5の1チップ型分光器では、各素子は図1に示す
同じ構造の素子から構成され、座標(1,1)から
(a,b)まで素子単位で各素子毎のホール径xが少し
ずつ変化しており、素子間のホール径差Δxによって波
長の分解能が決定される。FIG. 1 is a sectional side view of each element (one element) of this one-chip type spectroscope. In the figure, 1 is a hole, 2 is a metal film, 3 is a SiO 2 film, 4 is a light receiving layer, Reference numeral 5 is a guard ring, 6 is a P-type Si crystal substrate having an N-type channel impurity layer on its surface, 7 is a polysilicon electrode, 8 is Al wiring 8, and 9 is a SiO 2 insulating film. 2 film 3, light receiving layer 4, guard ring (N type)
5, a P-type Si crystal substrate 6 having an N-type channel impurity layer on its surface 6, an image sensor composed of a polysilicon electrode 7, an Al wiring 8 and a SiO 2 insulating film 9) and a metal film in which a large number of holes 1 are formed. 2 is vapor-deposited. Here, the metal film 2 is made of Al, Cu, etc., and has a large number of holes 1.
Is opened by photolithography and etching. The diameters of the holes 1 in one element are all the same, the range of the hole diameter x is determined by the measurement wavelength range, and 0.2 in the infrared part.
It is not less than μm and not more than 0.2 μm in the visible portion. And
In the 1-chip type spectroscope of FIG. 5, each element is composed of the elements having the same structure shown in FIG. 1, and the hole diameter x of each element is from the coordinates (1, 1) to (a, b). The wavelength resolution is gradually changed, and the wavelength resolution is determined by the hole diameter difference Δx between the elements.
【0010】以下、この1チップ型分光器の基本動作に
ついて説明する。図1で示す金属膜2のホール1は導波
管として作用し、カットオフ波長λC 以上の電磁波(入
射光)に対するフィルタの役目を果たす。そして、入射
光はこのフィルタを透過後、受光素子〔座標(n,m)
に位置する受光素子〕によって透過光強度In,m が観測
され、更に、1つ前の素子〔座標(n,m+1)に位置
する受光素子〕、即ち、隣接して配置された受光素子の
透過光強度In,m+1 との差をとる作業を順次繰り返すこ
とにより、入射光波長のスペクトルが測定される。 続
いて、この分光器に図6(a) で示すような連続スペクト
ル光が入射した場合の動作を説明する。The basic operation of this one-chip spectroscope will be described below. The hole 1 of the metal film 2 shown in FIG. 1 functions as a waveguide, and functions as a filter for electromagnetic waves (incident light) having a cutoff wavelength λ C or more. Then, after the incident light passes through this filter, the light receiving element [coordinates (n, m)
Transmitted light intensity I n, m is observed by the light receiving element located at the position [1], and the immediately preceding element [light receiving element located at the coordinates (n, m + 1)], that is, the light receiving element arranged adjacently The spectrum of the incident light wavelength is measured by sequentially repeating the operation of obtaining the difference from the transmitted light intensity I n, m + 1 . Next, the operation when the continuous spectrum light as shown in FIG. 6 (a) is incident on this spectroscope will be described.
【0011】座標(n,m)の受光素子のホール半径R
n,m 、及びその隣接する座標(n,m+1)の素子の半
径Rn,m+1 のカットオフ波長をそれぞれλcn─,λcn─
+1とすると、それぞれのフィルタを透過する光のスペク
トルは図6(b),(c) に示すようになる。ここで、座標
(n,m)の素子及び座標(n,m+1)の素子で受光
される透過光強度は、それぞれHole radius R of the light receiving element at coordinates (n, m)
n, m, and its adjacent coordinates (n, m + 1) radius R n of elements, m + 1 of the cut-off wavelength of each λ cn ─, λ cn ─
Assuming +1 , the spectrum of the light transmitted through each filter is as shown in FIGS. 6 (b) and 6 (c). Here, the transmitted light intensity received by the element at coordinates (n, m) and the element at coordinates (n, m + 1) are respectively
【0012】[0012]
【数1】 [Equation 1]
【0013】[0013]
【数2】 [Equation 2]
【0014】となり、入射光スペクトルλcn─,λcn─
+1間の微小強度ΔIは、Therefore, the incident light spectrum λ cn ─, λ cn ─
The minute intensity ΔI between +1 is
【0015】−数3− ΔInm=In,m+1 −In,m …(3)-Number 3-ΔI nm = I n, m + 1 −I n, m (3)
【0016】となり、図7に示す斜線部となる。And the shaded area shown in FIG.
【0017】そして、この作業を座標(1,1)の素子
から座標(a,b)の素子まで繰り返すことにより、図
8に示すスペクトルを得ることができる。Then, by repeating this operation from the element having the coordinates (1, 1) to the element having the coordinates (a, b), the spectrum shown in FIG. 8 can be obtained.
【0018】次に、ホール径を1.0μm〜0.52μ
m、ステップを0.02μmと設定し、25個の素子を
配置した場合の入射光スペクトルの測定例を説明する。Next, the hole diameter is set to 1.0 μm to 0.52 μm.
An example of measurement of the incident light spectrum when 25 elements are arranged and m is set to 0.02 μm will be described.
【0019】ここで、各素子のカットオフ波長λn は図
9に示すようになり、半径0.5μmの金属ホールでは
1.71μmより短い波長の光は透過し、それ以下の波
長の光は減衰する。尚、半径Rの円形導波管に存在する
カットオフ波長の数多くのモードのうち、カットオフ波
長の最も大きいモードはTE11モードであり、λC =
3.41aである。ここでは、簡単のために、強度:I
1 ,スペクトル:1.42μm単一波長の光が入射した
場合について説明する。Here, the cutoff wavelength λ n of each element is as shown in FIG. 9, and a metal hole having a radius of 0.5 μm transmits light having a wavelength shorter than 1.71 μm and transmits light having a wavelength shorter than 1.71 μm. Decay. Of the many cutoff wavelength modes existing in the circular waveguide of radius R, the mode with the largest cutoff wavelength is the TE 11 mode, and λ C =
It is 3.41a. Here, for simplicity, strength: I
1 , spectrum: 1.42 μm A case where a single wavelength light is incident will be described.
【0020】各素子の出力及び各波長に対応する微小強
度ΔI=In −In+1 は表1に示す。Table 1 shows the minute intensity ΔI = I n −I n + 1 corresponding to the output of each element and each wavelength.
【0021】[0021]
【表1】 [Table 1]
【0022】図11で示すスペクトルを得ることができ
る。そして、図10は入射光スペクトルを示す図であ
り、測定によって得られた図11で示すスペクトルと一
致ていることがわかる。ここで、波長のステップは、Δ
R=Rn −Rn+1 により決定される。The spectrum shown in FIG. 11 can be obtained. Then, FIG. 10 is a diagram showing an incident light spectrum, and it can be seen that the spectrum agrees with the spectrum shown in FIG. 11 obtained by the measurement. Where the wavelength step is Δ
It is determined by R = R n -R n + 1 .
【0023】このような本実施例の1チップ型分光器で
は、各受光素子の表面を覆い、各素子毎で孔の径を段階
的に異ならせた多数のホール(孔)を有する金属膜が、
各素子においてカットオフ波長以上の電磁波(入射光)
に対するフィルターとして機能するため、隣合う素子間
における透過光強度に差を生じ、この差の測定をチップ
全体の素子に対して繰り返し行うことで、入射光波長の
スペクトルを得ることができ、しかも、電気的信号のみ
で操作できるため、従来の分光器に比べて極めて極めて
小型,軽量なものとなる。In such a one-chip type spectroscope of the present embodiment, a metal film which covers the surface of each light receiving element and has a large number of holes in which the diameter of each element is changed stepwise is provided. ,
Electromagnetic waves (incident light) above the cutoff wavelength in each element
Since it functions as a filter for, a difference in the transmitted light intensity between adjacent elements is generated, and by repeating the measurement of this difference for the elements of the entire chip, it is possible to obtain the spectrum of the incident light wavelength, and Since it can be operated only by an electrical signal, it is extremely small and lightweight compared to conventional spectroscopes.
【0024】尚、本発明において図1の金属膜をガラス
上に蒸着すれば、可視部から赤外部にかけての光のハイ
・パス・フィルタとして用いることもできる。In the present invention, if the metal film of FIG. 1 is vapor-deposited on glass, it can be used as a high-pass filter for light from the visible portion to the infrared portion.
【0025】[0025]
【発明の効果】以上のように、この発明の1チップ分光
器によれば、半導体チップ上に敷きつめたイメージセン
サの各素子表面に多数の孔を有する金属膜を各素子毎で
孔径が段階的に異なるように形成して各受光素子を構成
したので、チップ全体の素子における隣合う素子間の透
過光強度の差をとることにより、入射光波長のスペクト
ルを得ることができ、その結果、機械的な動作を必要と
せず、全て電気的な動作にて操作することかでき、従来
の分光器と比べ、小型,軽量となり、また、既存の半導
体の製造方法によって形成できるため、低コストを実現
できる効果がある。As described above, according to the one-chip spectroscope of the present invention, the metal film having a large number of holes on the surface of each element of the image sensor laid on the semiconductor chip has a stepwise hole diameter. Since each of the light receiving elements is formed differently, the spectrum of the incident light wavelength can be obtained by taking the difference in the transmitted light intensity between the adjacent elements in the elements of the entire chip. Since it can be operated by electrical operation without requiring physical operation, it is smaller and lighter than conventional spectroscopes, and it can be formed by existing semiconductor manufacturing methods, so low cost is realized. There is an effect that can be done.
【図1】この発明の一実施例による1チップ型分光器を
構成する1素子の断面側面図である。FIG. 1 is a sectional side view of one element constituting a one-chip type spectroscope according to an embodiment of the present invention.
【図2】プリズムを用いた従来の分光器の原理を示した
図である。FIG. 2 is a diagram showing the principle of a conventional spectroscope using a prism.
【図3】回折格子を用いた従来の分光器の原理を示した
図である。FIG. 3 is a diagram showing the principle of a conventional spectroscope using a diffraction grating.
【図4】図2または図3で示したプリズムまたは回折格
子によって分光された入射光から単一波長を取り出す様
子を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing how a single wavelength is extracted from incident light split by the prism or diffraction grating shown in FIG. 2 or FIG.
【図5】この発明の一実施例による1チップ型分光器の
全体構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an overall configuration of a one-chip type spectroscope according to an embodiment of the present invention.
【図6】本装置の動作原理を説明するために用いるグラ
フである。FIG. 6 is a graph used to explain the operating principle of the present device.
【図7】本装置の動作原理を説明するために用いるグラ
フである。FIG. 7 is a graph used to explain the operation principle of the present apparatus.
【図8】本装置の動作原理を説明するために用いるグラ
フである。FIG. 8 is a graph used to explain the operating principle of the present apparatus.
【図9】本装置の動作原理を説明するために用いるグラ
フである。FIG. 9 is a graph used to explain the operation principle of the present apparatus.
【図10】本装置の動作原理を説明するために用いるグ
ラフである。FIG. 10 is a graph used for explaining the operation principle of the present apparatus.
【図11】本装置の動作原理を説明するために用いるグ
ラフである。FIG. 11 is a graph used to explain the operating principle of the present device.
1 ホール 2 金属膜フィルタ 3 SiO2 4 受光層 5 ガードリング 6 P型Si基板 7 ポリシリコン電極 8 Al配線 9 SiO2 絶縁膜 10 スリット 11 プリズム 12 フォトマルまたはフォトダイオード 13 回折格子 14 スペクトル像 15 測定される単一スペクトル 16 入射光スペクトル 17 金属膜 18 受光素子 19 スリット1 hole 2 metal film filter 3 SiO 2 4 light receiving layer 5 guard ring 6 P-type Si substrate 7 polysilicon electrode 8 Al wiring 9 SiO 2 insulating film 10 slit 11 prism 12 photomal or photodiode 13 diffraction grating 14 spectral image 15 measurement Single spectrum 16 Incident light spectrum 17 Metal film 18 Photodetector 19 Slit
Claims (1)
ぞれの方向に多数敷きつめた複数の受光素子を備え、該
受光素子が受光層と該受光層を覆う複数の孔を有する遮
光膜とから構成された1チップ型分光器であって、 入射光に対する各素子間の出力信号に差が生ずるよう
に、上記孔の径を各素子毎に段階的に異ならせたことを
特徴とする1チップ型分光器。1. A semiconductor chip comprising a plurality of light receiving elements in which a large number of light receiving elements are arranged in each of vertical and horizontal directions, and the light receiving element comprises a light receiving layer and a light shielding film having a plurality of holes covering the light receiving layer. 1-chip spectroscope, characterized in that the diameter of the hole is changed stepwise for each element so that an output signal between the elements with respect to incident light varies. Spectroscope.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29077391A JPH0599745A (en) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | 1-chip type spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29077391A JPH0599745A (en) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | 1-chip type spectrometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0599745A true JPH0599745A (en) | 1993-04-23 |
Family
ID=17760342
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29077391A Pending JPH0599745A (en) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | 1-chip type spectrometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0599745A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2781596A1 (en) * | 1998-07-07 | 2000-01-28 | Joel Gilbert | Method of coding and reading/recording of data on an optical support by means of orifices of variable diameter scanned by a polychromatic light beam |
| KR20020094993A (en) * | 2001-06-11 | 2002-12-20 | 주식회사 블루맥스 커뮤니케이션 | High integrated cmos image sensor |
| JP2012502300A (en) * | 2008-09-12 | 2012-01-26 | ザ・ボーイング・カンパニー | Fluid detection by on-chip spectrometer |
-
1991
- 1991-10-07 JP JP29077391A patent/JPH0599745A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2781596A1 (en) * | 1998-07-07 | 2000-01-28 | Joel Gilbert | Method of coding and reading/recording of data on an optical support by means of orifices of variable diameter scanned by a polychromatic light beam |
| KR20020094993A (en) * | 2001-06-11 | 2002-12-20 | 주식회사 블루맥스 커뮤니케이션 | High integrated cmos image sensor |
| JP2012502300A (en) * | 2008-09-12 | 2012-01-26 | ザ・ボーイング・カンパニー | Fluid detection by on-chip spectrometer |
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