JPH0798251A - 受光センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】所望の受光素子に入射すべき光に、反射に起因
する迷光が混入することを防止し、高精度の吸光度測定
が可能な受光センサを提供する 【構成】単色光が分散する方向に離散的に配列された複
数の受光素子と、上記受光素子の光入射面に近接乃至接
触するようにして且つ上記単色光が分散する方向に沿っ
て光透過特性が異なるようにして配されたフィルタ部材
と、上記フィルタ部材の光入射面に近接乃至接触するよ
うに配された透明保護部材とを具備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分光光度計等に適用す
る受光センサに関し、詳しくは複数の受光素子を各単色
光の分散している方向に配列してなる多波長測定の可能
な受光センサの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３乃至図５を用いて、従来の受光素子
アレイ例えばフォトダイオードアレイを用いた受光セン
サについて説明する。図３は従来の受光センサ１を示す
断面図である。同図の受光センサ１では、セラミックケ
ース２内に複数の受光素子例えばフォトダイオード３，
３を配列したフォトダイオードアレイ４を実装し、その
フォトダイオードアレイ４の劣化（酸化）を防止するた
めに不活性ガスを保護ガラス５により同セラミックケー
ス２内に気密封止してある。上記各フォトダイオード
３，３の出力はそれぞれ対応する出力ピン６，６から取
り出すように構成されている。

【０００３】図４は、この種の従来の受光センサを分光
光度計に適用した状態を示す図である。同図において図
３との対応部は同一符号により示してある。図４に示す
ように、例えば試料液中を透過する光の種々の波長での
吸光度を測定する場合、光源ランプ（図示せず）から照
射され、スリット７を介して試料液中を透過した光を分
散素子８例えば回折格子で各単色光に分光し、これら各
単色光が分散している方向に上記受光センサ１を配置し
て単色光毎の強度（従って、吸光度）を検出する。

【０００４】上記分散素子８による分散光には高次光が
迷光として混入しており、所定波長の単色光が入射すべ
きフォトダイオード３にその高次光が迷光として入射す
ると測定する吸光度の値に誤差が生じてしまうため、上
記単色光に応じた光透過特性を有するフィルタ９ａ，９
ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅを単色光の分散方向に沿って順次
接合してなるフィルタ部材９をフォトダイオードアレイ
４の光入射面の前方に配置し迷光を除去するようになっ
ている。

【０００５】しかしながら、上記の構成においても、受
光センサ１を自動化学分析装置に用いて３４０ｎｍ等の
紫外領域の吸光度を精密に測定しようとした場合、上記
フィルタ９ａ〜９ｅにより分散光に混入した迷光を除去
しているにもかかわらず大きな誤差が生じてしまう。こ
れは高次光等の迷光を除去した単色光の一部が上記保護
ガラス５をライトガイドとして遊走し、他のフォトダイ
オード３に迷光として出射されてしまうことが原因であ
る。

【０００６】特に紫外領域等では光源のエネルギーが小
さいため、例えわずかであっても他の波長の光が迷光と
して正規に対応する位置にないフォトダイオードに入射
してしまうと、大きな誤差が生じてしまうことになる。
即ち、一般に誤差は測定値における真の値と絶対誤差と
の割合である誤差率（百分率誤差）として測定結果に影
響するため、真の値が小さい場合は絶対誤差の測定値に
占める割合が大きく測定結果に与える影響が大きいこと
による。

【０００７】この迷光を防止するための構成が特公平２
−３９７２６号公報に開示されている。図５はその改良
された従来の受光センサを示す断面図である。同図を用
いて上記公報所載の受光センサにつきその概要を説明す
る。図３の保護ガラス５の代わりに光透過特性の異なる
複数のフィルタ９ａ〜９ｅをフォトダイオードアレイ４
の前面と並行に順次接合してなる保護部材１０を適用し
ているので、保護部材１０に入射する光がフィルタ内を
遊走しようとしても、フィルタ自体が遊走する光を吸収
するためこの保護部材１０がライトガイドとしては機能
せず、遊走した光が他のフォトダイオード３に入射する
のを防止することができる。図６には、図５につき上述
した保護部材１０を形成する複数のフィルタ９ａ〜９ｅ
の特性を示す。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５を
用いて説明した構成においても高精度で測定しようとす
る場合に迷光の影響を受けてしまう。発明者は、この迷
光について種々検討した結果、フォトダイオードアレイ
４と保護部材１０との間での反射光が原因であることが
判明した。即ち、上記フォトダイオードアレイ４の表面
は、配線用の金属膜例えばアルミニウム等が蒸着されて
おり、光学的に高い反射率を有しているため、フィルタ
９ａ〜９ｅを通過した単色光の一部がフォトダイオード
アレイ４と保護部材１０を構成するフィルタ９ａ〜９ｅ
との間で、反射を繰り返し迷光として正規に対応する位
置にあるものに隣接した乃至は更に離隔した位置にある
フォトダイオード３に入射して誤検出を生じさせてしま
うのである。

【０００９】そこで本発明の目的は、所望の受光素子に
入射すべき光に、反射に起因する迷光が混入することを
防止し、高精度の測定が可能な受光センサを提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
すべく、単色光が分散する方向に離散的に配列された複
数の受光素子と、上記受光素子の光入射面に近接乃至接
触するようにして且つ上記単色光が分散する方向に沿っ
て光透過特性が異なるようにして配されたフィルタ部材
と、上記フィルタ部材の光入射面に近接乃至接触するよ
うに配された透明保護部材とを具備したことを特徴とす
る。

【００１１】

【作用】受光素子の光入射面に近接乃至接触するように
フィルタ部材を設けることにより、両者が近接する場
合、単色光が当該受光素子周辺で反射して生じた迷光は
数多く反射を繰り返しながら伝播することとなるため、
大きく減衰し、当該単色光と正規に対応する位置にある
ものに隣接するか乃至は離隔した位置にある受光素子に
到達するまでに上記迷光の光量は著しく小さくなる。ま
た上記両者が接触する場合には、上記受光素子の表面で
反射した光がフィルタ部材で吸収される。上記同様に、
フィルタ部材の光入射面に近接乃至接触するように透明
保護部材を設けることにより、両部材が近接する場合
は、上述した近接する場合と同様に反射光が減衰し、両
部材が接触する場合にはフィルタ部材と保護部材との間
での反射が起こらなくなる。

【００１２】

【実施例】図１（ａ）は第１実施例を示す断面図であ
る。同図において、上述した図３乃至図５との対応部は
同一符号により示してある。図１（ａ）において、セラ
ミックケース２に設けられた凹部内に、複数の受光素
子、例えばフォトダイオード３，３が離散的に並ぶよう
に形成されてなるフォトダイオードアレイ４が実装され
ている。上記フォトダイオードアレイ４の光入射面には
透過波長領域が単色光の分散する方向にそって順次相違
するフィルタ部材９が紫外領域から赤外領域まで透過す
る透明樹脂等で接着されている。即ち、このフィルタ部
材９は当該光源からの単色光が分散する方向に順次配列
されたフォトダイオード３，３に所定の波長域の光が入
射するように、その透過波長域が選択されてなる複数の
フィルタ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅがそれぞれ対応
するフォトダイオード３，３上に位置するようにして設
けられている。即ち、既述の図６に示されたように、上
記フォトダイオード３，３はそれが整列している単色光
の分散方向に沿って短波長側から長波長側へ順次段階的
に光透過特性が異なるように複数のフィルタ９ａ〜９ｅ
を接合して構成されている。

【００１３】上記フィルタ９ａ〜９ｅの光入射面前方に
は透明保護部材としての保護ガラス５がセラミックケー
ス２に透明樹脂等で接着され、同セラミックケース２内
に不活性ガスが気密封止されている。上記保護ガラス５
と上記フィルタ９ａ〜９ｅとは極めて近接して、即ち本
例でその間隔ｄは０．５ｍｍ以下となるように配置して
ある。上記セラミックケース２には各フォトダイオード
３からの出力を取り出すための出力ピン６，６が設けら
れている。

【００１４】図４につき上述したと同様に、光源ランプ
（図示せず）から照射された光はスリットを介して分散
素子、例えば回折格子で各所定の波長域の単色光に分光
され、この各単色光は保護ガラス５そしてフィルタ９ａ
〜９ｅを通過し、各対応する所定のフォトダイオード３
に入射する。既述の通り、分散素子による分散光には高
次光が迷光として混入しているが、上述したフィルタ９
ａ〜９ｅの光透過特性により、このような高次光による
迷光が除去される。

【００１５】また単色光の一部がフィルタ９ａ〜９ｅを
ライトガイドとして遊走しようとしても、フィルタ９ａ
〜９ｅ自体が遊走する光を吸収するので或る所定の波長
域の光が入射すべき正規のフォトダイオード３に遊走し
た他の波長域の光が迷光として混入することで検出誤差
が発生してしまうことを効果的に防止できる。一方、上
記フィルタ９ａ〜９ｅはフィルタを接合して構成してい
るため、経年変化により接合部に間隙が生じる恐れがあ
る。しかし、上述の実施例によれば保護ガラス５で不活
性ガスを気密封止しているので、この間隙から外気が進
入し酸化等によりフォトダイオード３の特性が劣化する
ことが有効に防止され得る。

【００１６】上記保護ガラス５を通過した単色光の一部
はフィルタ９ａ〜９ｅの表面で反射し、保護ガラス５の
内面とフィルタ９ａ〜９ｅの光入射面との間で反射を繰
り返し、当該波長域の単色光が正規に対応するものとは
異なるフォトダイオード３に迷光として入射することが
ある。周知の通り、毎回の反射において、入射光の一部
は保護ガラス５またはフィルタ９ａ〜９ｅを透過し他部
は反射する。従って、この反射光は透過した光の分だけ
光量が減衰することになる。このため、上記のような反
射を繰り返して正規に対応すべきものとは異なるフォト
ダイオード３に到達してしまう光は反射の回数が多いほ
ど減衰することになり、その反射回数を多くするには上
記間隔ｄを狭くすればよい。即ち、上記間隔を狭くする
ほど不所望のフォトダイオード３に到達する迷光のエネ
ルギーは抑制されることになる。

【００１７】上述したところにより、迷光の伝播を有効
に抑止するためには、保護ガラス５の内面とフィルタ９
ａ〜９ｅの光入射面とを近接させることが効果的である
ことが了解される。そこで発明者は、上記保護ガラス５
と上記フィルタ９ａ〜９ｅとの間隔が測定結果に及ぼす
影響を調べる実験を種々行い、保護ガラス５とフィルタ
９ａ〜９ｅとの間隔ｄが０．５ｍｍ以下であれば迷光の
影響が無視できる程度小さくなるとの結果を得た。当然
ながら上記間隔ｄを実質的に零となるような程度まで小
さくしたとき、即ち保護ガラス５とフィルタ９ａ〜９ｅ
とが実質的に接触する程度まで近接させたとき反射回数
が最も多くなり、迷光の減衰効果は最大となる。また保
護ガラス５とフィルタ９ａ〜９ｅとが接触してしまえ
ば、両者の間隙を反射を繰り返しながら迷光が伝播する
余地は無くなる。

【００１８】またフォトダイオードアレイ４の表面は受
光素子を除いて配線用の金属膜例えばアルミニウム等が
蒸着していて反射率が高く、フィルタ９ａ〜９ｅを通過
した単色光の一部が金属膜で反射して、この反射光が迷
光になることもある。しかしながら上述の実施例によれ
ば、フォトダイオードアレイ４にフィルタ９ａ〜９ｅが
接触しているため、上記単色光の一部が反射しても不所
望のフォトダイオード３に入射する前にフィルタ９ａ〜
９ｅで吸収されるので迷光にはならない。

【００１９】以上のように、上記第１実施例によれば、
当該波長域の単色光が正規に対応するものに隣接し乃至
は更に離隔した他のフォトダイオード３に上述した反射
に起因する迷光が入射することが効果的に防止される。
またフィルタ９ａ〜９ｅによって高次光に起因する迷光
及び遊走に起因する迷光が除去されるので、吸光度の測
定精度が向上し、高精度の吸光度測定が可能となる。更
に保護ガラス５で不活生ガスを気密封止しているので酸
化等によるフォトダイオード３の特性の劣化が防止され
る。

【００２０】図１（ｂ）は、図１（ａ）の第１実施例の
変形例を示す図である。同図において、図１（ａ）との
対応部は同一符号を用いて示し詳細な説明は省略する
も、この図１（ｂ）の例では図１（ａ）のフォトダイオ
ードアレイ４の光入射面全体にフィルタ９ａ〜９ｅを貼
り付けた構成に代えてフィルタ部材９’を必要なフォト
ダイオード３にだけ貼り付けてある。可視光領域は光源
のエネルギーが大きいので、迷光の影響を受けにくい。
即ち、既述の通り、測定に係る誤差は誤差率（百分率誤
差）に従ってこの影響の程度が決まるため、被測定量の
真の値が十分に大きいときは絶対誤差の影響は小さくな
るため、本例のように可視光領域のフィルタを省いても
高精度の測定が行える。更に、本例の構成によればフィ
ルタがある場合に比べて可視光領域の光量が多くなり信
号光電流が増加するため、外部からのノイズの影響を受
けにくくなるといった利点もある。

【００２１】図２（ａ）は、本発明の第２実施例を示す
断面図である。図２（ａ）においても図１（ａ）との対
応部は同一符号を用いて示すことにより、それらの詳細
な説明は省略する。同図において、セラミック基板２’
の上面にフォトダイオードアレイ４が実装され、そのフ
ォトダイオードアレイ４の光入射面に複数のフィルタ９
ａ〜９ｅが接合されてなる図１（ａ）につき上述したと
同様のフィルタ部材９が紫外領域から赤外領域まで透過
する透明樹脂等で接着されている。上記フィルタ９ａ〜
９ｅの光入射面に保護ガラス５を上記同様の透明樹脂等
で接着し、フォトダイオードアレイ４、フィルタ９ａ〜
９ｅ及び保護ガラス５の全側面を封止樹脂１１で封止し
ている。また、上記セラミック基板２’の下方には各フ
ォトダイオード３の出力を取り出す出力ピン６，６がそ
れぞれ設けられている。

【００２２】上述した図２（ａ）の実施例によれば、保
護ガラス５とフィルタ９ａ〜９ｅとが接触しているの
で、保護ガラス５とフィルタ９ａ〜９ｅとの間で反射が
なくなり、従って既述のような反射による迷光の伝播が
原理的に生じないため、この点では上述の第１実施例よ
りも優れている。また、第１実施例よりも小型化が図り
易いと言える。図２（ｂ）には図２（ｂ）の第２実施例
の変形例を示す。同図においても図１（ａ）との対応部
は同一符号を用いて示し、詳細な説明は省略する。図２
（ｂ）に示すように本例ではフィルタ部材９’を必要な
フォトダイオード３にだけ貼り付けた構成を採ってい
る。フィルタを必要としない部分には省略されるフィル
タに相応する大きさのガラスを設けてある。この図２
（ｂ）の実施例では、図１（ｂ）につき上述した第１実
施例の変形例と同様に可視光領域で信号光電流が増加す
るため、外部からのノイズの影響を受けにくくなるとい
った利点がある。

【００２３】図２（ａ）及び図２（ｂ）の例について、
それらを紙面に垂直な平面で切断した場合の断面図が図
２（ｃ）に示されている。図２（ｃ）において、図２
（ａ），図２（ｂ）との対応部は同一符号を用いて示し
各部の説明は省略するが、この図２（ｃ）を参照すれ
ば、これらの例における封止樹脂１１によるフォトダイ
オードアレイ４、フィルタ部材９及び保護ガラス５の封
止状況が容易に了解されよう。

【００２４】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、種々変形、変更が可能である。即ち、
既述の例ではいずれもフォトダイオードアレイ４とフィ
ルタ９ａ〜９ｅとが接触するよう構成されているが、両
者が近接するように構成してもよい。この場合は、図１
（ａ）で述べたフィルタ９ａ〜９ｅと保護ガラス５との
間隙で反射を繰り返しながら迷光が伝播すると同じよう
に、フォトダイオードアレイ４とフィルタ９ａ〜９ｅと
の間隙でも迷光が伝播するについては多数反射が繰り返
される。フォトダイオードアレイ４とフィルタ９ａ〜９
ｅとの間隔は上述の通り十分小さく選ばれているため、
迷光の伝播過程では多くの反射が繰り返され、この迷光
のエネルギーは著しく減衰するので、当該単色光に正規
に対応するものではないフォトダイオード３に到達する
光量は十分に減衰させることができる。従って、この図
２（ｂ）の例でも既述の実施例と同等の測定精度が得ら
れる。

【００２５】また、上述の各実施例では保護部材にガラ
スを使用していたが、測定する波長に応じてプラスチッ
クを使用してもよい。さらに受光素子としてフォトダイ
オードに代えてＣＣＤ（電荷結合素子）やＭＯＳ型のリ
ニアセンサを適用することもできる。

【００２６】また、上述した各実施例では、フィルタ部
材９は透過波長域を異にする複数のフィルタ９ａ〜９ｅ
を単色光の拡散する方向に順次接合することにより一体
化した構成になっているが、フィルタ部材としてはこの
ような形式のものに限られず単板でありながら単色光の
分散する方向に沿って順次に光透過特性が異なるような
形式のものを適用してもよい。このような単板形式のフ
ィルタ部材を適用すれば接合部がないため、経年変化に
より生じた接合部の間隙から外気が進入してフォトダイ
オードの劣化することがなく、従って保護ガラス等の保
護部材を省略することも可能となる。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明の受光センサによ
れば、所望の受光素子に入射すべき光に、反射に起因す
る迷光が混入することを防止することができるので、高
精度の測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の第１実施例を示す断面図。 （ｂ）第１実施例の変形例を示す断面図。

【図２】（ａ）本発明の第２実施例を示す断面図。 （ｂ）第２実施例の変形例を示す断面図。 （ｃ）図２（ａ）、図２（ｂ）の実施例を紙面に垂直な
平面で切断した場合の断面図。

【図３】従来の受光センサを示す断面図。

【図４】従来の受光センサを分光光度計に適用した状態
を示す説明図。

【図５】改良された従来の受光センサを示す断面図。

【図６】フィルタ９ａ〜９ｅの透過率と波長との関係を
示す図。

【符号の説明】

１……受光センサ ２……セラミックケース ２’…セラミック基板 ３……フォトダイオード（受光素子） ４……フォトダイオードアレイ ５……保護ガラス（透明保護部材） ６……出力ピン ７……スリット ８……分散素子 ９，９’…フィルタ部材 ９ａ〜９ｅ…フィルタ １０…保護部材 １１…封止樹脂

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単色光が分散する方向に離散的に配列され
   た複数の受光素子と、上記受光素子の光入射面に近接乃
   至接触するようにして且つ上記単色光が分散する方向に
   沿って光透過特性が異なるようにして配されたフィルタ
   部材と、上記フィルタ部材の光入射面に近接乃至接触す
   るように配された透明保護部材とを具備したことを特徴
   とする受光センサ。