JPS6342429A - 分光測定センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 童ユ上■且■分団 本発明は、光電変換素子アレイと、連袂的または段階的
に通過波長が変化する干渉フィルタとのｉｌｌみ合わせ
より構成された分光７ＴＩＩ＋定センサに関する。

従来の技術 従来のこの種の分光測定センサとして、特開昭５９−２
０８０４号公報に開示されたものを第１）図、第１２図
に示し、以下これを説明する。

これらの図において、３１はシリコンチップ、３２はシ
リコンチップ３１上に光電変換素子としてのシリコンフ
ォトダイオード（ＳＰＤ）３２ａを列設して構成したソ
リコンフォトダイオードアレイ　（ＳＰＤアレイ）、３
３はシリコンチップ３１に列設されたポンディングパノ
ド、３４は個々の５ＰＤ３２ａとボンディングパノド３
３とを接続した配線用電極である。

３５は干渉フィルタであり、表面が階段状に、裏面が平
坦に形成されたＳｉｎ、やＭｇＦ、などの誘電体膜３５
ａ、誘電体膜３５ａの表裏両面に蒸着されたＡｇなどの
金属膜３５ｂ、３５Ｃおよびガラス基＋／ｚ３５ａから
構成さ１．ている。この干渉フィルタ３５は、ノリコノ
チップ３１に密ｎまたは対向した状態に配置されている
。

王？歩フィルタ３５は、誘電体膜３５ａの膜厚の厚い方
ほど透過する中心・波長が長くなる。膜厚の最も薄い部
分の中心波長は４００ｎｍであり、最も厚い部分の中心
波長は７００ｎｍである。

この従来例では、第１３図に示すような特性をもたカッ
トフィルタ３Ｇを干渉フィルタ３５に対向させて配置す
ることにより、透過する干渉光を１次干渉光に限定して
いる。

なお、干渉フィルタ３５は、ＳＰＤアレイ３２に比べ極
端に拡大して図示しである。

別の従来例を第１４図に示す。先の従来例の場合には、
誘電体ｔｌｆｆ３５ａの厚みの変化が段階的になってい
たが、この従来例の場合には、誘電体膜３５ａの厚みの
変化が連続的になっている。その他は先の従来例と同様
である。

Ｐ■が解？　しようとするｉｕ３ゴー５１；１しかしな
がら、これらの従来例には、次のような問題点がある。

分光感度特性曲線において、その最大値の１／２の２点
間の波長差を「半値幅」というが、この半値幅は、短波
長領域（厚みの薄い部分）ほど広くなり、特性のシャー
プ性が失われるということが理論的に明らかにされてお
り、また、実験でも確認されている。

例えば、第１５図に示すように、中心波長が４００ｎｍ
の１次干渉光の半値幅Ｗ、。。は、中心波長が７００ｎ
ｍの１次干渉光の半値幅Ｗ、。。に比べてかなり広くな
っていることが判る。

そして、従来例においては、短波長領域での半値幅が広
く特性がシャープでないために、Ｓ／Ｎ比が悪く、測定
精度が低いという問題があった。

本発明は、このような事情に迄みてなされたものであっ
て、短波長領域での半値幅を狭くして特性をシャープな
ものにすることにより、測定精度の改善を図ることを目
的とする。

皿苅盃」ｌすＵシリ８ケ催モ役 本発明は、前記のような問題点を解決するために、次の
ような構成をとる。

即ち、本発明の分光測定センサは、 光電変換素子アレイと、連続的または段階的に透過波長
が変化する干渉フィルタとの組み合わせより構成された
分光測定センサにおいて、前記干渉フィルタについて、
短波長領域側ほどその中心波長の干渉次数を高くしてあ
ることを特徴とするものである。

生−■ この構成による作用は、次の通りである。

即ち、ｍ次干渉光の半値幅Ｗヨは、ｋ、ｙｏを比例定数
として、 Ｗｌ；□ ｍ　π　−ｙｏ である。（ｍ＋］）次干渉光の半値幅Ｗ１，１は、Ｗ−
、＋　＝□ （ｍ＋１）π−ｙ０ である。従って、Ｗ、４．とＷｌとの比は、Ｗａｎ　　
　　　（ｍ　＋　１　）　π−ｙ０であり、 Ｗｌ、ｌ＞Ｗ、、。

となる。干渉次数ｍが高くなるほど、半値幅Ｗ。

は狭くなる。即ち、 Ｗ、＞Ｗ、、１　　＞Ｊ。！　＞　Ｗ　＊　−ｙ・・・
となる。

従来例では１次干渉光のみを使用し、短波長領域側ほど
半値幅が広くなっていたのに対して、本発明の場合には
、その半値幅が広くなる短波長領域側ほどその中心波長
の干渉次数を高くしであるから、短６Ｂ、長領域におい
ても半値幅が狭くなる。

従って、分光怒度特性曲線がシャープになり、ＳＺＮ比
が改斗される。

：！Ｊ！動舛 以下、本発明の実施例を凹面に基づいて詳細に説明する
。

第１図および第２図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は分光測定センサの分解斜視図、第２図はその側面図
である。

これらの図において、ｌはシリコンチップ、２はンリコ
ンチノプｌ上に光電変換素子としてのシリコンフォトダ
イオード（Ｓ　Ｐ　Ｄ）　　２　ａを列設して＋：Ｘ　
Ｉ＋！２１−たンリコンフォトダイオードアレイ　（Ｓ
ＰＤアレイ：光電変換素子アレイ）である。

３は干渉フィルタであり、表面が階段状に、裏面が平１
）ｊに形成されたＳｉＯ□やＭｇＦ２などの誘電体膜３
ａ、誘′工体膜３ａの表裏両面に茂着されたＡｇなどの
金属膜３ｂ、３ｃおよびガラス基板３ｄから構成されて
いる。この干渉フィルタ３は、シリコンチップ１に密着
または対向した状態に配置されている。第２財において
は、干を歩フィルタ３の特徴を明らかにするため、干１
歩フィルタ３を極端に拡大して図示しである。

ＳＰＤアレイ２のうら、△は４００〜５００　ｎ　ｍの
波長成分を受光する範囲、Ｂは５００〜？ＯＯｎｍの波
長成分を受光する範囲である。範囲Ａに対応した干渉フ
ィルタ３の部分３Ａは、範囲Ｂに対応した干渉フィルタ
３の部分３Ｂに比べて、誘電体膜３ａの膜厚が厚くなっ
ている。即ち、干渉フィルタ３０部分３Δでは、各５Ｐ
Ｄ２ａの中心波長が２次干渉光となっており、干渉フィ
ルタ３の部分３Ｂでは、各５ＰＤ２ａの中心波長が１次
干渉光となっている。即ち、４００〜５００ｎｍの波長
成分を受光する範囲Ａの中心波長の干渉次数はｍ＝２で
あり、５００〜７００ｎｍの波長成分を受光する範囲Ｂ
の中心波長の干渉次数はｍ＝ｌであり、範囲Ａの干渉次
数の方が高くなっている。

４Ａは、範囲式において、金属膜３ｂに対向する状態で
配置された長波長側カットフィルタ（例えば、赤外線カ
ットフィルタ）であり、この長波長側カットフィルタ４
Ａは、波長７７０〜９８０ｎｍの光を１次干渉光とする
フィルタ３の部分３Ａにおいて、その１次干渉光である
７７０〜９８０ｎｍの波長成分をカットし、その２次干
渉光である４００〜５００　ｎ　ｍの波長成分を透過す
るものである。

４Ｂは、範囲已において、金属膜３ｂに対向する状態で
配置された短波長側カットフィルタ（例えば、紫外線カ
ツトフィルタ）であり、この短波長側カットフィルタ４
Ｂは、波長５００〜７００ｎｍの光を１次干渉光とする
フィルタ３の部分３已において、その２次以上の干渉光
である５００　ｎ　ｍ以下の波長成分をカットし、その
１次干渉光である５００〜７００ｎｍの波長成分を透過
するものである。

２次干渉光を４００〜５００ｎｍの波長成分とした場合
の１次干渉光の波長成分が７７０〜９８０ｎｍであると
いうのは、第３図に示すように、実験によって求めた１
次干渉光の中心波長と２次干渉光の中心波長との相関性
に基づいている。

なお、シリコンチップ１におけるボンディングパノド、
配線用電極は図示を省略している。

次に、１次干渉光と２次干渉光との半値幅の相違につい
て具体的に説明する。

金属膜干渉フィルタの全体の構造が、その中間の誘電体
膜に関して上下に対称な構造を有している場合の干渉次
数ｍの半値幅Ｗ、は、次式で求められる。

（ｍ＝１．２．３．　　・・・） ここで、 Ｒ：金運膜の反射率 λ。：光の中心波長 ｙｏ：飛直入射光の金属膜に対する反対の際の位相変化 である。

ある金属膜干渉フィルタのｍ＝ｌのときの中心波長がλ
。である場合の半値幅ＷＩ、別の同種の金属膜干渉フィ
ルタのｍ＝’ｌのときの中心波長が２０である場合の半
値幅Ｗ２は、それぞれ、２λｏ　　　　　　　　　　Ｉ
Ｒ Ｗ、＝□・ｓｉｎ伺□ π−ｙｏ　　　　　　　　　２Ｒ”” ２π−Ｙｏ　　　　　　　　　２Ｒ””である。

この２種類の干渉フィルタは、中間の誘電体膜の厚さの
みが異なるものであり、ｙｏ、Ｒは共通の定数となるか
ら、 Ｗ、　　　　２π−Ｙｏ　　　　　　　２π−ｙ０従っ
て、 ’ＩＶ　２　＜　Ｗ　１ となり、ｍ＝２を中心波ｆＸとした干渉フィルタの方が
ｌ′（Ｈ１ｊ幅は狭くなる。一般的にｍが大きくなるほ
ど、゛１′−値幅は狭くなる。

ま１こ、最大透過率Ｔｍａｘは、金運膜の透過率を′Ｆ
として、 Ｔｍａｘ　＝□ （ｌｌ’？）２ の弐で求められるので、ｍの値に関係なく一定となる。

次に、２次干渉光の半値幅の計算例を挙げて説明する。

Ｓ　ｉｏｚ　−Ａｇ−３ｉｏｚ　−Ａｇ−５ｉ○２の膜
＋１が成で、両Ａｇ層の膜厚を６５０人（オングストロ
ーム）とし、両層外層の５ｉｎ２のｎ−ｄ／λ。

−〇、２５とする。ここで、ｎは屈折率、ｄはｌ１９Ｊ
’７、λ。−４００ｎｍである。

このとき、膜厚ｄを変えることにより、中間層のＳ　ｉ
　Ｏ２のｎ−ｄ／λ。を０．２３および０．６２にした
ときの波長−透過率特性を第４図に示す。ｎ・ｄ／λ。

＝０．２３は１次干渉光についてのものであり、実線で
表している。ｎ−ｄ／λ。＝０．６２は２次干渉光につ
いてのものであり、破線で表している。１次干渉光の半
値幅は１５ｎｍであり、２次干渉光の半値幅は９．６　
ｎ　ｍである。即ち、中心波長が４００ｎｍの場合、２
次干渉光の半値幅は１次干渉光の半値幅よりも狭いこと
が判る。

次に、λ。””５００ｎｍとし、膜ｒ￥ｄを変えること
により中間層の５ｉｎｚのｎ−ｄ／λ。をｏ、３５およ
び０．８５にしたときの波長−透過率特性を第５図に示
す。ｎ−ｄ／λ。＝０．３５は１次干渉光についてのも
のであり、実線で表している。ｎ−ｄ　／λ、＝０．８
５は２次干渉光についてのものであり、破線で表してい
る。１次干渉光の半値幅は９．６Ｒｍであり、２次干渉
光半値幅は５．０　ｎ　ｍである。

即ち、中心波長が５００ｎｍの場合でも、２次干渉光の
半値幅は１次干渉光の半値幅よりも狭いことが判る。

第６図に示すように、干渉フィルタ３において、４００
〜５００ｎｍの波長成分を受光する範囲Ａは２次干渉光
の中心波長が４００〜５００ｎｍということであって、
その１次干渉光は７７０〜９８０ｎｍであり、この範囲
Ａをつくるのに、５００〜７００ｎｍの波長成分を受光
する範囲Ｂの７００ｎｍの個所に引き続いて、その個所
よりも厚みの大きな誘電体膜３ａをつくっている。誘電
体膜３ａの表面は厚みの増加割合が一定の状態で階段状
となっているため、５００〜７００ｎｍの波長成分を受
光する範囲Ｂの７００　ｎ　ｍ側の端と、範囲Ａの７７
０ｎｍ側の端との間には、７７０−７００＝７０ｎ　ｍ
の波長変化分に相当する膜厚増加分の寸法ｅの余裕があ
る。この余裕の部分に短波長側カットフィルタ４Ｂと長
波長側カットフィルタ４Ａとの突き合わせ個所Ｐを設定
すれば、一方のカットフィルタによるカプトによる影響
が他方の部分には及ばない。

次に、第２実施例を第７図に基づいて諺明する。

第１実施例の場合には、誘電体膜３ａの厚みの変化が段
階的になっていたが、本実施例の場合には、誘電体膜３
ａの厚みの変化が連続的になっている。その他の構成な
らびに機能は第１実施例と同様であるので、同一部分、
同一部品に同一符号を付すにとどめ、説明を省略する。

第８図は第３実施例を示す。

本実施例は、１次干渉光としての５００〜７０００ｍの
波長成分を受光する範囲Ｂの膜厚の薄い側に、２次干渉
光としての４００〜５００ｎｍの波長成分を受光する範
囲Ａの膜厚の厚い側を一体連続的に形成したものである
。そして、範囲へに対応する干渉フィルタ３の部分３Ａ
の金属膜３ｂに対向して長波長側カットフィルタ４Ａが
配置され、範囲Ｂに対応する干渉フィルタ３の部分３Ｂ
の金属膜３ｂに対向して短波長側カットフィルタ４Ｂが
配置されている。その他の構成ならびに機能は第１実施
例と同様であるので、同一部分、同一部品に同一符号を
付すにとどめ、説明を省略する。

次に、第４実施例を第９図および第１０図に基づいて説
明する。

本実施例は、干渉フィルタ３において、１次干渉光とし
ての５００〜７００ｎｍの波長成分を透過する部分３Ｂ
の膜厚変化方向と、２次干渉光とじての４００〜５００
ｎｍの波長成分を１過する部分３Ａの膜厚変化方向とを
平行にして、画部分３Ａ、３Ｂ＋並列にした状態で一体
に構成したものである。

より具体的に説明すると、シリコンチップ１に２列のＴ
Ｌいに平行なＳＰＤアレイ２が形成され、一方のＳＰＤ
アレイ２に対応して範囲Ａに対応する干渉フィルタ３の
部分３Ａが配置され、他方のＳＰＤアレイ２に対応して
範囲Ｂに対応する干渉フィルタ３の部分３Ｂが配置され
ている。

ＳＰＤアレイ２の寸法Ｌｌと、２つのＳＰＤアレイ２の
外縁間の寸法Ｌ２とはほぼ等しい。なお、５はポンディ
ングパツド、６は配線用電極である。

その池の構成は第３実施例と同様であるので、同一部分
、同一部品に同一符号を付すにとどめ、説明を省略する
。

この実施例の場合、分光測定センサの全体がコンパクト
にできるという利点がある。

なお、本発明は、長波長側カットフィルタ４Ａ。

短波長側カットフィルタ４Ｂを干渉フィルタ３の裏面に
直接形成したものも実施例として含む。

決−来 本発明によれば、次の効果が光重される。

即ち、干渉次数が高くなるほど半値幅が狭くなるという
現象を有効利用して、従来、半値幅が広くなっていた短
波長領域側ほどその中心波長の干渉次数を高くしである
から、短波長ｚＨ域においても半値幅を狭くすることが
できる。従って、分光感度特性曲線をシャープにでき、
Ｓ／Ｎ比を向上して高精度な測定を可能にすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は分光測定センサの分解斜視図、第２図はその側面図
、第３図は１次干渉光の中心波長と２次干渉光の中心波
長との相関性を示すグラフ、第４図は中間層のＳｉＯ□
のｎ−ｄ／λ。を０．２３および０．６２にしたときの
波長−通過率特性を示すグラフ、第５図は中間層の５ｉ
ｆｔのｎ−ｄ／λ。 を０．３５および０．８５にしたときの波長−透過率特
性を示すグラフ、第６図は長波長側カットフィルタと短
波長側カットフィルタとの突き合わせ部分の余裕を示す
説明図である。 第７図は第２実施例に係る分光測定センサの側面図、第
８図は第３実施例に係る分光測定センサの側面図である
。第９図および第１０図は第４実施例に係り、第９図は
シリコンチップの平面図、第１０図は分光測定センサの
分解斜視図である。 第１）図は従来例のシリコンチップの平面図、第１２図
はその分光測定センサの側面図、第１３図はカットフィ
ルタの特性図、第１４図は別の従来例の分光測定センサ
の断面図、第１５図は長波にと短波長との半値幅の相違
を示すグラフである。 ２・・・シリコンフォトダイオードアレイ（光電変換素
子アレイ） ２ａ・・・シリコンフォトダイオード （受光素子） ３・・・千ン歩フィルり ４Ａ・・・長波長側カットフィルタ ４Ｂ・・・短波長側カットフィルタ Ａ・・・短波長側の波長成分を受光する範囲Ｂ・・・長
波長側の波長成分を受光する範囲第１図 第２図 第３図 １次子浄化の′ＣＰＩシ文長［ｎｍ］ 第６図 第７図 　　　　Ａ 第８図 第９図 す 第１Ｏ図 第１）図 第１２図 ４００ｎｍ　　　　　　　　　　　　’／ｌＪ（Ｊｎｍ
第１３図 第１４図 第１５図 通 傭 ［ｎｍ］

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）光電変換素子アレイと、連続的または段階的に透
   過波長が変化する干渉フィルタとの組み合わせより構成
   された分光測定センサにおいて、前記干渉フィルタにつ
   いて、短波長領域側ほどその中心波長の干渉次数を高く
   してあることを特徴とする分光測定センサ。
2. （２）前記干渉フィルタについて、短波長領域側ほどそ
   の中心波長の干渉次数を高くする構成が、干渉次数が高
   い部分ほどフィルタ膜厚を厚くすることである特許請求
   の範囲第（１）項記載の分光測定センサ。
3. （３）前記干渉フィルタについて、短波長領域側ほどそ
   の中心波長の干渉次数を高くする構成が、各干渉次数の
   干渉光に対して、それぞれその干渉次数より１次低い干
   渉次数以下の干渉光および１次高い干渉次数以上の干渉
   光についてのカットフィルタを配置することである特許
   請求の範囲第（１）項記載の分光測定センサ。
4. （４）前記干渉フィルタを、１次干渉光および２次干渉
   光を中心波長とする状態に組み合わせてある特許請求の
   範囲第（１）項記載の分光測定センサ。
5. （５）前記１次干渉光および２次干渉光を中心波長とす
   る状態の組み合わせの構成が、２次干渉光のフィルタ膜
   厚を１次干渉光のフィルタ膜厚よりも厚くすることであ
   る特許請求の範囲第（４）項記載の分光測定センサ。
6. （６）前記干渉フィルタの一部分の中心波長を２次干渉
   光とする構成が、１次干渉光をカットするカットフィル
   タと３次以上の干渉光をカットするカットフィルタとを
   配置することである特許請求の範囲第（４）項記載の分
   光測定センサ。
7. （７）前記カットフィルタが前記干渉フィルタの裏面に
   直接形成されている特許請求の範囲第（３）項または第
   （６）項記載の分光測定センサ。