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WO2023228451A1 - 光検出器及び分光測定装置 - Google Patents

光検出器及び分光測定装置 Download PDF

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Publication number
WO2023228451A1
WO2023228451A1 PCT/JP2022/046728 JP2022046728W WO2023228451A1 WO 2023228451 A1 WO2023228451 A1 WO 2023228451A1 JP 2022046728 W JP2022046728 W JP 2022046728W WO 2023228451 A1 WO2023228451 A1 WO 2023228451A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
linear variable
photodetector
measured
filter coat
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/046728
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
賢一 大塚
育男 荒田
Original Assignee
浜松ホトニクス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 浜松ホトニクス株式会社 filed Critical 浜松ホトニクス株式会社
Publication of WO2023228451A1 publication Critical patent/WO2023228451A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details

Definitions

  • the present disclosure relates to a photodetector and a spectrometer.
  • a spectroscopic measurement device includes a light incidence part through which light to be measured is incident, a diffraction grating which spectrally separates the light to be measured which has entered from the light incidence part, and a photodetector which detects the light to be measured separated by the diffraction grating.
  • a predetermined order e.g., primary light
  • a filter member for removing light of orders other than a predetermined order may be placed upstream of the photodetector (for example, see Patent Document 1).
  • stray light may increase due to multiple reflections of the light to be measured inside the filter member or multiple reflections between the filter member and the window of the photodetector. Suppressing the effects of such stray light is extremely important in generating accurate spectral data.
  • An object of the present disclosure is to provide a photodetector and a spectrometer that can detect light of a predetermined order out of spectroscopic light to be measured.
  • a photodetector includes [1] "a photodetector that detects light of a predetermined order among light to be measured separated in a predetermined direction, the package having an opening; and a photodetecting element that is arranged in the package and has a light receiving area facing the window and detects the light of the predetermined order.
  • the light receiving area includes a plurality of light detection channels arranged in the predetermined direction
  • the window portion includes a light transmitting member having a light entrance surface and a light exit surface; a linear variable filter coat formed on one of the emission surfaces and having a transmission wavelength changing along the predetermined direction.
  • the window portion blocking the opening of the package includes a light transmitting member and a linear variable filter whose transmission wavelength changes along a predetermined direction in which the light to be measured is separated. Contains a coat. Thereby, for each of the plurality of wavelength components included in the light to be measured, it is possible to suppress light of orders other than the predetermined order from entering the photodetecting element. Further, in the photodetector described in [1] above, a linear variable filter coat is formed on one of the light incident surface and the light exit surface of the light transmitting member.
  • the filter coat formed on the light incident surface and the light exit surface are formed.
  • the light to be measured may undergo multiple reflections between the filter coat and the filter coat.
  • the generation of stray light due to multiple reflections can be suppressed.
  • the photodetector according to one aspect of the present disclosure may be [2] "the photodetector according to [1] above, wherein the linear variable filter coat is formed on the light incident surface.” According to the photodetector described in [2], the package and the window can be joined more easily and reliably than when the linear variable filter coat is disposed on the light exit surface.
  • the photodetector according to one aspect of the present disclosure may be [3] "the photodetector according to [1] or [2] above, wherein the light of the predetermined order is primary light.”
  • the light intensity of the primary light is higher than that of the secondary light or higher-order light.
  • the linear variable filter coat functions as a high-order light cut filter for transmitting the primary light of the light to be measured, so that spectral data with excellent S/N can be obtained. can be generated.
  • the photodetector according to one aspect of the present disclosure includes [4] “The linear variable filter coat is a linear variable long-pass filter coat whose cut-on wavelength changes along the predetermined direction, or a linear variable long-pass filter coat that transmits light along the predetermined direction.
  • the photodetector described in [4] since transmission of higher-order light is suppressed based on light of a predetermined order, it is possible to suppress the appearance of unnatural peaks caused by the higher-order light in spectrum data. can.
  • the photodetector according to one aspect of the present disclosure includes [5] "The window section further includes a reflection reduction layer formed on the other of the light incident surface and the light exit surface," [1] to [4] above. ] may also be the photodetector described in any one of the above. According to the photodetector described in [5], stray light generated by multiple reflections of the light to be measured between the light emitting surface and the light receiving area can be reduced.
  • the spectrometer includes [6] "a light incidence section through which light to be measured is incident; a diffraction grating which spectrally divides the light to be measured that has entered from the light incidence section; and a spectrum of the light to be measured.”
  • a spectrometer comprising an analysis unit that generates data and a photodetector according to any one of [1] to [5] above.
  • the photodetector can detect light of a predetermined order among the spectrally divided light to be measured.
  • a photodetector and a spectrometer that can detect light of a predetermined order among the spectroscopic light to be measured.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a spectrometer according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the photodetector shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the photodetector taken along line III--III shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing the transmission wavelength characteristics of the linear variable filter coat shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing how primary light passes through the window shown in FIG. 2.
  • FIG. 6 is a diagram showing how stray light occurs in the window shown in FIG. 2.
  • FIG. 7 is a diagram showing the transmission wavelength characteristics of the filter coat included in the window portion of the first comparative example.
  • FIG. 8 is a diagram showing how primary light passes through the window shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram showing how stray light occurs in the window section of the second comparative example.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating how light to be measured passes through a window portion of a modified example.
  • the spectrometer 1 includes a light incidence section 2, a diffraction grating 3, a photodetector 10, a lens 5, and an analysis section 6.
  • the spectrometer 1 is a device that generates spectral data of a plurality of wavelength components L2 included in the light to be measured L1 by spectrally splitting the light to be measured L1.
  • the light incidence section 2, the diffraction grating 3, and the lens 5 guide the measured light L1 to the light receiving area 13a of the photodetecting element 13 included in the photodetector 10, and also perform spectroscopy of the plurality of wavelength components L2 of the measured light L1. It constitutes an optical system (so-called Dyson optical system) for forming an image on the light receiving area 13a of the photodetector 10 along the wavelength axis.
  • the diffraction grating 3 is a reflection type diffraction grating.
  • the light to be measured L1 is separated by the diffraction grating 3 in a direction perpendicular to the direction in which the light to be measured L1 is incident.
  • the photodetector 10 blocks the secondary light and detects the primary light of the measured light L1. Secondary light may appear as unnatural peaks in spectral data. Therefore, in order to extract light of a predetermined order (primary light), it is necessary to block the secondary light. Details will be described later.
  • the light incidence section 2 is arranged so as to cause the measured light L1 to enter the spectrometer 1.
  • the light incidence section 2 adjusts the amount of incident light L1 to be measured.
  • the light incidence section 2 is, for example, a slit member.
  • the slit formed in the slit member has a rectangular opening with a short side in the X-axis direction and a long side in the Z-axis direction when viewed from the Y-axis direction. If the width of the short side is widened, the amount of incident light L1 to be measured increases, so that the analysis section 6 can obtain spectrum data with less noise but lower wavelength resolution.
  • the light incidence section 2 may be configured by, for example, a slit member and an optical fiber that transmits the measured light L1 to the slit member.
  • the light incidence section 2 may be configured by, for example, a slit member and a lens that collects the measured light L1 from outside the slit member.
  • the diffraction grating 3 faces the light incidence section 2 in the Y-axis direction. Since the diffraction grating 3 is of a reflective type, it separates the light to be measured L1 into a direction opposite to the direction in which the light to be measured L1 is incident.
  • the diffraction grating 3 is composed of a plurality of grating grooves (not shown). The plurality of grating grooves are arranged along the X-axis direction, which is a direction perpendicular to the direction in which the light to be measured L1 is incident, and extend along the Z-axis direction, which is perpendicular to the direction in which they are arranged. There is.
  • the light to be measured L1 that has entered the diffraction grating 3 is separated into multiple wavelength components L2 along the X-axis direction, which is the direction in which the multiple grating grooves are lined up.
  • the photodetector 10 faces the diffraction grating 3 in the Y-axis direction.
  • the photodetector 10 has a photodetection element 13.
  • the photodetecting element 13 includes a light receiving region 13a that receives a plurality of wavelength components L2.
  • a spectral image having a wavelength axis in the X-axis direction is formed on the light receiving area 13a.
  • the light receiving region 13a has an elongated shape whose longitudinal direction is the X-axis direction, and has a plurality of light detection channels arranged along the X-axis direction (predetermined direction).
  • each wavelength component L2 enters different positions (different light detection channels) at regular intervals along the longitudinal direction of the light receiving region 13a.
  • Each photodetection channel is composed of a plurality of pixels along the Z-axis direction.
  • the photodetector 10 receives a spectral image over a predetermined exposure time in the light receiving area 13a, and outputs spectral data S of each wavelength component L2.
  • the photodetecting element 13 is, for example, a CCD image sensor or a CMOS image sensor formed on a semiconductor substrate.
  • the CCD image sensor may be of an interline type, frame transfer type, or full frame transfer type.
  • the photodetector 10 is arranged at the same position as the light incidence section 2 in the Y-axis direction.
  • the photodetector 10 is arranged at a certain distance from the light incidence section 2 in the Z-axis direction on the side where the plurality of wavelength components L2 are incident.
  • the photodetector 10 is offset with respect to the light incidence section 2 along the direction perpendicular to the wavelength axis (Z-axis direction) toward the side where the plurality of wavelength components L2 are incident.
  • the lens 5 is arranged between the light incidence section 2 and the photodetector 10, and the diffraction grating 3 in the Y-axis direction.
  • the lens 5 guides the measured light L1 incident from the light incidence section 2 to the diffraction grating 3, and forms a spectral image of a plurality of wavelength components L2 in the light receiving area 13a of the photodetector 10.
  • the lens 5 is a convex lens having a surface 5a and a convex surface 5b opposite to the surface 5a.
  • the surface 5a faces the light entrance section 2 and the photodetector 10.
  • the surface 5a is a flat surface, a concave surface, or a convex surface.
  • the convex surface 5b faces the diffraction grating 3 and is a convexly curved surface opposite to the surface 5a.
  • the analysis unit 6 generates spectrum data S of the light to be measured L1 based on the data acquired from the photodetector 10. The details of the analysis performed by the analysis unit 6 will be described later.
  • the analysis section 6 includes a storage section that stores data acquired from the photodetector 10, analysis results, and the like. Further, the analysis unit 6 may control the photodetector 4.
  • the analysis unit 6 may be a computer or a tablet terminal, which includes a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and a storage medium such as a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory). Further, the analysis unit 6 may be configured with a microcomputer or an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the light to be measured L1 entering from the light incidence section 2 enters the surface 5a at a constant angle of incidence.
  • the measured light L1 incident on the surface 5a is refracted at the surface 5a according to the difference between the refractive index of air and the refractive index of the lens 5, travels inside the lens 5, and exits from the convex surface 5b.
  • the measured light L1 emitted from the convex surface 5b is refracted by the convex surface 5b according to the difference between the refractive index of the lens 5 and the refractive index of air, and is guided to the diffraction grating 3 at the subsequent stage.
  • the plurality of wavelength components L2 separated by the diffraction grating 3 enter the lens 5.
  • the plurality of wavelength components L2 are incident on the convex surface 5b at a constant angle of incidence.
  • the plurality of wavelength components L2 incident on the convex surface 5b are refracted by the convex surface 5b according to the difference between the refractive index of air and the refractive index of the lens 5, travel within the lens 5, and exit from the surface 5a. do.
  • the plurality of wavelength components L2 emitted from the surface 5a are refracted at the surface 5a according to the difference between the refractive index of the lens 5 and the refractive index of air, and are imaged on the subsequent photodetector 4, which receives a spectral image. It is formed in the region 13a. [Configuration of photodetector]
  • the photodetector 10 further includes a package 11 and a window 12.
  • the package 11 includes a bottom wall 111, a side wall 112, and a top wall 113.
  • the bottom wall 111 has a flat plate shape.
  • the side wall 112 has a frame shape with a rectangular opening.
  • the ceiling wall 113 has a cap shape with a rectangular opening.
  • the side wall 112 is arranged on the bottom wall 111 and joined to the bottom wall 111.
  • the ceiling wall 113 is arranged on the side wall 112 and joined to the side wall 112. Thereby, a space SP is formed within the package 11.
  • the bottom wall 111, the side wall 112, and the top wall 113 are each made of metal.
  • a photodetection element 13 is arranged on the bottom wall 111.
  • the photodetecting element 13 is arranged in a space SP within the package 11.
  • the package 11 has an opening 11a formed therein.
  • the opening 11a is formed in the ceiling wall 113 so as to face the photodetecting element 13.
  • the inner edge of the top wall 113 forming the opening 11a is smaller than the inner edges of the side wall 112 and the top wall 113 forming the space SP.
  • the ceiling wall 113 has a step-like shape when viewed from the Z-axis direction so that the area of the inner edge decreases from the inner edge forming the space SP to the inner edge forming the opening 11a.
  • the opening 11a allows a plurality of wavelength components L2 to enter the package 11.
  • the window portion 12 is arranged on the ceiling wall 113 so as to close the opening 11a.
  • the window portion 12 faces the light receiving area 13a of the photodetecting element 13 arranged inside the package 11 in the Y-axis direction.
  • the window portion 12 includes a light transmitting member 121 and a linear variable filter coat 122.
  • the light transmitting member 121 includes a light entrance surface 121a and a light exit surface 121b that face each other in the Y-axis direction.
  • the light exit surface 121b of the window portion 12 is joined to the peripheral portion of the opening 11a in the ceiling wall 113, thereby ensuring airtightness of the space SP.
  • the light-transmitting member 121 When viewed from the Y-axis direction, the light-transmitting member 121 has a rectangular shape with a long side in the X-axis direction and a short side in the Z-axis direction.
  • the light transmitting member 121 is made of, for example, glass, quartz, silicon, germanium, plastic, or the like.
  • the linear variable filter coat 122 is formed on the light incidence surface 121a. Like the light transmitting member 121, the linear variable filter coat 122 has a rectangular shape with a long side in the X-axis direction and a short side in the Z-axis direction when viewed from the Y-axis direction. The outer edge of the linear variable filter coat 122 does not completely match the outer edge of the light transmitting member 121, and there is a portion 123 where the linear variable filter coat 122 and the light incidence surface 121a do not overlap.
  • the length of the short side of the linear variable filter coat 122 is the same as the length of the short side of the light transmitting member 121
  • the length of the long side of the linear variable filter coat 122 is the same as the length of the short side of the light transmitting member 121. It is shorter than the length of the long side of 121. Therefore, in the examples of FIGS. 2 and 3, one short side of the linear variable filter coat 122 coincides with one short side of the light transmitting member 121, but the other short side of the linear variable filter coat 122 is , located inside the other short side of the light transmitting member 121.
  • the linear variable filter coat 122 is formed by coating the light incident surface 121a with an insulating multilayer film by vapor deposition or the like, and is continuously formed without gaps.
  • the thickness of the linear variable filter coat 122 gradually increases in a slope shape from one short side along the X-axis direction.
  • the inner edge of the top wall 113 forming the opening 11a is larger than the outer edge of the photodetector element 13. Furthermore, the outer edge of the light transmitting member 121 is larger than the inner edge of the ceiling wall 113 forming the opening 11a. Further, a part of the outer edge of the photodetecting element 13 overlaps with a portion 123 where the linear variable filter coat 122 and the light incidence surface 121a do not overlap. Specifically, the other short side of the photodetecting element 13 is located outside the other short side of the linear variable filter coat 122.
  • the transmission wavelength of the linear variable filter coat 122 changes along the X-axis direction (predetermined direction). Specifically, the transmission wavelength gradually changes to a higher wavelength band as it moves away from the portion 123 where the linear variable filter coat 122 and the light incidence surface 121a do not overlap. In other words, the number of wavelength bands that are blocked is gradually increasing.
  • An example of the characteristics of the transmission wavelength of the linear variable filter coat 122 will be described using FIG. 4 as an example.
  • the transmittance starts to increase from about 430 nm, and the transmittance reaches about 0.9 at about 460 nm.
  • the cut-on wavelength (wavelength at which transmittance reaches 50%) is approximately 450 nm.
  • the transmittance starts to increase from about 780 nm, and the transmittance becomes about 0 at about 830 nm. .9, and the cut-on wavelength is approximately 810 nm.
  • the transmission wavelength of the linear variable filter coat 122 gradually changes to a higher wavelength band between T1 and T2.
  • the plurality of wavelength components L2 are incident along the direction in which the transmission wavelength of the linear variable filter coat 122 is changing. Therefore, in each wavelength component L2, while the primary light is transmitted, the secondary light is suppressed from entering the photodetecting element 13.
  • the plurality of wavelength components L2 include wavelength components having center wavelengths from ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 .
  • the orders ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 are all primary lights.
  • ⁇ 1 1 300 nm
  • ⁇ 1 2 450 nm
  • ⁇ 1 3 600 nm
  • ⁇ 1 4 750 nm
  • ⁇ 1 5 900 nm.
  • the diffraction angles of ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 increase in the above order, and they enter the linear variable filter coat 122 in the above order along the direction in which the transmitted wavelength changes.
  • the secondary light of ⁇ 1 1 is assumed to be ⁇ 2 1
  • the secondary light of ⁇ 1 2 is assumed to be ⁇ 2 2
  • the value of the center wavelength of ⁇ 2 1 is 300 nm, the same as ⁇ 1 1 , but the diffraction angle of ⁇ 2 1 is different from that of ⁇ 1 1 .
  • the diffraction angle of ⁇ 2 1 is the same as that of ⁇ 1 3 , which is twice the center wavelength of ⁇ 1 1 .
  • ⁇ 2 1 is also incident at the same position as the incident position of ⁇ 1 3 .
  • the secondary light ⁇ 2 2 (center wavelength 450 nm) of ⁇ 1 2 is incident at the same position as ⁇ 1 5 , which has a center wavelength twice as large as ⁇ 1 2 .
  • the linear variable filter coat 122 functions as a filter that transmits the primary light ( ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 ) of the plurality of wavelength components L2 and blocks the secondary light ( ⁇ 2 1 , ⁇ 2 2 ). Therefore, the window portion 12 allows the primary light of each wavelength component L2 to pass through, and the photodetector 10 detects the primary light.
  • the linear variable filter coat 122 functions as a long-pass filter because it transmits wavelength components equal to or higher than the center wavelength of the primary light.
  • the linear variable filter coat 122 is a linear variable long-pass filter coat whose cut-on wavelength changes along the X-axis direction (predetermined direction). Note that ⁇ 1 1 is incident on a portion 123 where the linear variable filter coat 122 and the light incident surface 121a do not overlap. This is because the center wavelength of ⁇ 11 is 300 nm, so it is blocked by the linear variable filter coat 122.
  • ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 are incident on the linear variable filter coat 122 so as to have corresponding transmission wavelengths.
  • the characteristic of the transmission wavelength corresponding to the incident position of ⁇ 1 3 is that while the primary light ⁇ 1 3 (center wavelength 600 nm) is transmitted, the secondary light ⁇ 2 1 (center wavelength 300 nm) is blocked.
  • the characteristic of the transmission wavelength corresponding to the incident position of ⁇ 1 5 is that while the primary light ⁇ 1 5 (center wavelength 900 nm) is transmitted, the secondary light ⁇ 2 2 (center wavelength 450 nm) is blocked.
  • the window 12 that closes the opening 11a of the package 11 has a transmission wavelength that changes along the light transmitting member 121 and the X-axis direction, which is the direction in which the measured light L1 is separated.
  • a linear variable filter coat 122 is included. Thereby, it is possible to suppress the secondary light ( ⁇ 2 1 , ⁇ 2 2 ) from entering the photodetector element 13 for each of the plurality of wavelength components L2 included in the light to be measured L1. Furthermore, in the photodetector 10, a linear variable filter coat 122 is formed on the light incident surface 121a of the light transmitting member 121.
  • the filter coat formed on the light entrance surface 121a and the light exit surface 121b of the light transmission member 121 may be subjected to multiple reflections between the filter coat and the filter coat formed on the filter coat.
  • the photodetector 10 can suppress the generation of stray light due to multiple reflections. As described above, according to the photodetector 10, it is possible to detect the primary light ( ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 ) of the spectrally divided light to be measured L1.
  • the linear variable filter coat 122 is formed on the light incident surface 121a. According to this, the package 11 and the window portion 12 can be joined more easily and reliably than when the linear variable filter coat 122 is arranged on the light exit surface 121b. Moreover, compared to the case where the linear variable filter coat 122 is arranged on the light emitting surface 121b, the light emitting surface 121b of the window portion 12 is easily joined to the surrounding area of the opening 11a in the ceiling wall 113, so that the space SP This makes it easier to ensure airtightness.
  • the light of the predetermined order is primary light ( ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 ).
  • the primary light ( ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 ) has a higher light intensity than the secondary light ( ⁇ 2 1 , ⁇ 2 2 ). Therefore, according to the photodetector 10, by making the linear variable filter coat 122 function as a secondary light cut filter for transmitting the primary light ( ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 ) of the light to be measured L1, the S/ Spectral data S excellent in N can be generated.
  • the linear variable filter coat 122 is a linear variable long-pass filter coat whose cut-on wavelength changes along the X-axis direction. According to this, since the transmission of the secondary light ( ⁇ 2 1 , ⁇ 2 2 ) is suppressed based on the primary light ( ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 ), the interference caused by the secondary light ( ⁇ 2 1 , ⁇ 2 2 ) is suppressed. It is possible to suppress the appearance of natural peaks in the spectrum data S.
  • the photodetector 10 can detect the primary light ( ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 ) of the spectroscopic light L1 to be measured.
  • stray light L3 may appear as an unnatural peak in the spectrum data, and therefore should be suppressed.
  • the linear variable filter coat 122 can reduce the cause of the generation of stray light L3.
  • the window portion 12a of the first comparative example will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
  • a filter coat 122a is formed on the light incident surface 121a of the light transmitting member 121
  • a filter coat 122b is formed on the light exit surface 121b of the light transmitting member 121.
  • the filter coat 122a and the filter coat 122b have a rectangular shape with a long side in the X-axis direction and a short side in the Z-axis direction when viewed from the Y-axis direction.
  • One short side of the filter coat 122a coincides with one short side of the light transmitting member 121 and one short side of the filter coat 122b.
  • the other short side of the filter coat 122a is located inside the other short side of the light transmitting member 121, and located outside the other short side of the filter coat 122b.
  • the filter coat 122a and the filter coat 122b each have different characteristics of a single transmission wavelength.
  • An example of transmission wavelength characteristics is as follows. Regarding the transmission wavelength characteristic T3 of the filter coat 122a, the transmittance starts to increase from about 420 nm, and the transmittance becomes about 0.9 at about 450 nm. The cut-on wavelength is approximately 440 nm.
  • the transmittance starts to increase from about 520 nm, and the transmittance becomes about 0.9 at about 570 nm.
  • the cut-on wavelength is approximately 550 nm.
  • the filter coat 122a and the filter coat 122b transmit the primary light ( ⁇ 1 1 to ⁇ 1 5 ) of the plurality of wavelength components L2 and block the secondary light ( ⁇ 2 1 , ⁇ 2 2 ).
  • stray light is generated due to various factors.
  • the other short side of the filter coat 122b is located inside the other short side of the filter coat 122a, the other short side of the filter coat 122b is an end face when viewed from the Z-axis direction. becomes. Any one of the plurality of wavelength components L2 may be scattered at the end face of the filter coat 122b, causing stray light L3. Further, any one of the plurality of wavelength components L2 may be multiple-reflected between the filter coat 122a and the filter coat 122b, causing stray light L3. All of these are stray lights L3 that cannot occur when the linear variable filter coat 122 of the embodiment is used as a part of the window section 12. Therefore, in the photodetector 10 of the embodiment, it is possible to suppress stray light L3 due to scattering and multiple reflections from entering the photodetecting element 13.
  • the window portion 12b of the second comparative example will be described.
  • a filter member 122c which is thicker than the filter coat, is arranged on the light incident surface 121a.
  • the filter member 122c and the light transmitting member 121 are combined to form a window portion 12b.
  • stray light L3 is generated due to various factors.
  • stray light L3 is generated by multiple reflections inside the filter member 122c or multiple reflections between the filter member 122c and the light entrance surface 121a or the light exit surface 121b. In other words, the number of locations where stray light can occur is significantly increased compared to the linear variable filter coat 122 of the embodiment.
  • the linear variable filter coat 122 may be a linear variable bandpass filter coat whose transmission wavelength band changes along the X-axis direction. In that case, the linear variable filter coat 122 functions as a filter that transmits only wavelength components within a certain range including the center wavelength of the primary light for each wavelength component L2. According to this, since the transmission of the secondary light is suppressed based on the primary light, it is possible to suppress the appearance of unnatural peaks in the spectrum data S due to the secondary light.
  • the spectrometer 1 of the embodiment is a Dyson optical system including a light incidence section 2, a diffraction grating 3, a photodetector 10, a lens 5, and an analysis section 6, a different optical system may be used. .
  • it may be a Czerny-Turner optical system.
  • the diffraction grating 3 may be a transmission type diffraction grating.
  • the linear variable filter coat 122 may be formed on the light exit surface 121b. Further, the light blocked by the linear variable filter coat 122 is not limited to secondary light.
  • the linear variable filter coat 122 may transmit light of an order other than the primary light (for example, light of the above-mentioned order) as a predetermined order, and may block the primary light.
  • the window portion 12 may further include a reflection reduction layer 124.
  • the window portion 12 shown in FIG. 10 includes a light transmitting member 121, a linear variable filter coat 122, and a reflection reducing layer 124.
  • the linear variable filter coat 122 is formed on the light incident surface 121a of the light transmitting member 121
  • the reflection reducing layer 124 is formed on the light exit surface 121b of the light transmitting member 121. ing.
  • the reflection reduction layer 124 is, for example, a single layer of magnesium fluoride (MgF 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), or the like. Alternatively, it is formed by laminating a plurality of these materials.
  • MgF 2 magnesium fluoride
  • SiO 2 silicon dioxide
  • TiO 2 titanium oxide
  • ZrO 2 zirconia
  • Ta 2 O 5 tantalum pentoxide
  • the reflection reduction layer 124 is formed on the entire surface of the light exit surface 121b. That is, when viewed from the Y-axis direction, the outer edge of the reflection reducing layer 124 coincides with the outer edge of the light transmitting member 121. However, the reflection reduction layer 124 may be formed on a part of the light exit surface 121b. For example, the reflection reduction layer 124 may be formed to overlap at least the linear variable filter coat 122 when viewed from the Y-axis direction. In that case, the outer edge of the reflection reduction layer 124 may coincide with the outer edge of the linear variable filter coat 122 when viewed from the Y-axis direction.
  • the reflection reduction layer 124 is, for example, an AR coating (Anti-Reflection coating).
  • AR coating Anti-Reflection coating
  • the reflected light L4 of the measured light L1 reflected by the light receiving area 13a enters the reflection reduction layer 124, the reflected light L4 is canceled by light interference in the reflection reduction layer 124.
  • the reflection reduction layer 124 the light reflected from the surface of the reflection reduction layer 124 on the light transmitting member 121 side and the light reflected from the surface of the reflection reduction layer 124 on the light receiving area 13a side interfere with each other, so that the reflected light L4 is canceled.
  • the reflection reduction layer 124 When the reflection reduction layer 124 is not formed, the reflected light L4 is reflected by the light emitting surface 121b of the light transmitting member 121, and can become stray light due to multiple reflections between the light emitting surface 121b and the light receiving area 13a. . In the window portion 12 shown in FIG. 10, the reflection reduction layer 124 is formed on the light exit surface 121b, so that stray light caused by the reflected light L4 can be reduced.
  • the reflection reduction layer 124 is not limited to an AR coat.
  • the reflection reduction layer 124 may be, for example, a multilayer film.
  • the refractive index of the reflection reducing layer 124 changes from layer to layer.
  • the refractive index of the reflection reducing layer 124 may change stepwise from the refractive index of the gap between the reflection reducing layer 124 and the light receiving region 13a (the refractive index of air) to the refractive index of the light transmitting member 121.
  • the reflected light L4 is not reflected at the light output surface 121b of the light transmitting member 121, but is emitted to the outside via the light transmitting member 121 and the linear variable filter coat 122.
  • the linear variable filter coat 122 may be formed on the light exit surface 121b of the light transmission member 121, and the reflection reduction layer 124 may be formed on the light entrance surface 121a of the light transmission member 121.
  • the reflection reduction layer 124 the light reflected on the surface of the reflection reduction layer 124 on the light transmission member 121 side and the light reflected on the surface of the reflection reduction layer 124 on the opposite side to the light transmission member 121 are separated. The reflected light L4 is canceled by the interference.

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Abstract

光検出器は、Ｘ軸方向に分光された被測定光のうち一次光を検出する。光検出器は、開口を有するパッケージと、開口を塞いでおり、一次光を透過させる窓部と、パッケージ内に配置されており、窓部と対向している受光領域を有し、一次光を検出する光検出素子と、を備える。受光領域は、Ｘ軸方向に配列された複数の光検出チャンネルを含む。窓部は、光入射面及び光出射面を有する光透過部材と、光入射面及び光出射面の一方に形成されており、Ｘ軸方向に沿って透過波長が変化しているリニアバリアブルフィルタコートと、を含む。

Description

光検出器及び分光測定装置
　本開示は、光検出器及び分光測定装置に関する。
　被測定光を入射させる光入射部と、光入射部から入射した被測定光を分光する回折格子と、回折格子によって分光された被測定光を検出する光検出器と、を備える分光測定装置が知られている。このような分光測定装置では、分光された被測定光のうち所定次数の光（例えば、一次光）を検出しようとしても、所定次数以外の光（例えば、二次光以上の高次光）が所定次数の光に重畳される場合がある。そこで、所定次数以外の光を除去するためのフィルタ部材が、光検出器の前段に配置される場合がある（例えば、特許文献１参照）。
特開第２０２０－７６７１２号公報
　しかしながら、光検出器の前段にフィルタ部材が配置されると、迷光が増えるおそれがある。例えば、被測定光が、フィルタ部材の内部にて多重反射したり、フィルタ部材と光検出器の窓部との間にて多重反射したりすることによって、迷光が増えるおそれがある。そのような迷光の影響を抑制することは、正確なスペクトルデータを生成する上で、極めて重要である。
　本開示は、分光された被測定光のうち所定次数の光を検出することができる光検出器及び分光測定装置を提供することを目的とする。
　本開示の一側面の光検出器は、［１］「所定方向に分光された被測定光のうち所定次数の光を検出する光検出器であって、開口を有するパッケージと、前記開口を塞いでおり、前記所定次数の光を透過させる窓部と、前記パッケージ内に配置されており、前記窓部と対向している受光領域を有し、前記所定次数の光を検出する光検出素子と、を備え、前記受光領域は、前記所定方向に配列された複数の光検出チャンネルを含み、前記窓部は、光入射面及び光出射面を有する光透過部材と、前記光入射面及び前記光出射面の一方に形成されており、前記所定方向に沿って透過波長が変化しているリニアバリアブルフィルタコートと、を含む、光検出器」である。
　上記［１］に記載の光検出器では、パッケージの開口を塞いでいる窓部が、光透過部材と、被測定光が分光される所定方向に沿って透過波長が変化しているリニアバリアブルフィルタコートと、を含んでいる。これにより、被測定光に含まれる複数の波長成分のそれぞれに対して、所定次数以外の次数の光が光検出素子に入射することを抑制することができる。また、上記［１］に記載の光検出器では、リニアバリアブルフィルタコートが光透過部材の光入射面及び光出射面の一方に形成されている。例えば、単一の透過波長のフィルタコートが光透過部材の光入射面及び光出射面のそれぞれに形成されている場合、光入射面に形成されているフィルタコートと光出射面に形成されているフィルタコートとの間で被測定光が多重反射し得る。しかし、上記［１］に記載の光検出器では、多重反射による迷光の発生を抑制することができる。以上により、上記［１］に記載の光検出器によれば、分光された被測定光のうち所定次数の光を検出することができる。
　本開示の一側面の光検出器は、［２］「前記リニアバリアブルフィルタコートは、前記光入射面に形成されている、上記［１］に記載の光検出器」であってもよい。当該［２］に記載の光検出器によれば、リニアバリアブルフィルタコートが光出射面に配置されている場合に比べ、パッケージと窓部とを容易に且つ確実に接合することができる。
　本開示の一側面の光検出器は、［３］「前記所定次数の光は、一次光である、上記［１］又は［２］に記載の光検出器」であってもよい。一次光は、二次光以上の高次光に比べ、光強度が高くなる。当該［３］に記載の光検出器によれば、リニアバリアブルフィルタコートを、被測定光のうち一次光を透過するための高次光カットフィルタとして機能させることによって、Ｓ／Ｎに優れたスペクトルデータを生成することができる。
　本開示の一側面の光検出器は、［４］「前記リニアバリアブルフィルタコートは、前記所定方向に沿ってカットオン波長が変化しているリニアバリアブルロングパスフィルタコート、又は前記所定方向に沿って透過波長帯が変化しているリニアバリアブルバンドパスフィルタコートである、上記［１］～［３］のいずれか一つに記載の光検出器」であってもよい。当該［４］に記載の光検出器によれば、所定次数の光を基準として高次光の透過が抑制されるため、当該高次光に起因する不自然なピークがスペクトルデータに現れることを抑制することができる。
　本開示の一側面の光検出器は、［５］「前記窓部は、前記光入射面及び前記光出射面の他方に形成されている反射低減層を更に含む、上記［１］～［４］のいずれか一つに記載の光検出器」であってもよい。当該［５］に記載の光検出器によれば、被測定光が光出射面と受光領域との間で多重反射することによって発生する迷光を低減することができる。
　本開示の一側面の分光測定装置は、［６］「被測定光を入射させる光入射部と、前記光入射部から入射した前記被測定光を分光する回折格子と、前記被測定光のスペクトルデータを生成する解析部と、上記［１］～［５］のいずれか一つに記載の光検出器と、を備える、分光測定装置」である。
　上記［６］に記載の分光測定装置によれば、光検出器において、分光された被測定光のうち所定次数の光を検出することができる。
　本開示によれば、分光された被測定光のうち所定次数の光を検出することができる光検出器及び分光測定装置を提供することが可能となる。
図１は、一実施形態の分光測定装置の構成を示す図である。 図２は、図１に示される光検出器の平面図である。 図３は、図２に示されるIII－III線に沿っての光検出器の断面図である。 図４は、図２に示されるリニアバリアブルフィルタコートの透過波長の特性を示す図である。 図５は、図２に示される窓部を一次光が透過する様子を示す図である。 図６は、図２に示される窓部において迷光が発生する様子を示す図である。 図７は、第１比較例の窓部に含まれるフィルタコートの透過波長の特性を示す図である。 図８は、図７に示される窓部を一次光が透過する様子、及び図７に示される窓部において迷光が発生する様子を示す図である。 図９は、第２比較例の窓部において迷光が発生する様子を示す図である。 図１０は、変形例の窓部において被測定光が透過する様子を示す図である。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［分光測定装置の構成］
　図１に示されるように、分光測定装置１は、光入射部２、回折格子３、光検出器１０、レンズ５、及び解析部６を備えている。分光測定装置１は、被測定光Ｌ１を分光することで、被測定光Ｌ１に含まれる複数の波長成分Ｌ２のスペクトルデータを生成する装置である。
　光入射部２、回折格子３、及びレンズ５は、被測定光Ｌ１を光検出器１０に含まれる光検出素子１３の受光領域１３ａに導くと共に、被測定光Ｌ１の複数の波長成分Ｌ２の分光像を、波長軸に沿って光検出器１０の受光領域１３ａ上に形成するための光学系（いわゆるダイソン光学系）を構成している。本実施形態では、回折格子３は、反射型回折格子である。被測定光Ｌ１は、回折格子３によって、被測定光Ｌ１が入射する方向と垂直な方向に分光される。ここで、被測定光Ｌ１が分光される方向（すなわち、波長軸に平行な方向）をＸ軸方向といい、Ｘ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向といい、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に垂直な方向をＺ軸方向という。また、光検出器１０は、被測定光Ｌ１のうち、二次光を遮断し、一次光を検出する。二次光は、スペクトルデータにおいて、不自然なピークとして現れることがある。このため所定次数の光（一次光）を取り出すために、二次光を遮断する必要がある。詳細は後述する。
　光入射部２は、被測定光Ｌ１を分光測定装置１内に入射させるように配置されている。光入射部２は、被測定光Ｌ１の入射量を調整する。光入射部２は、例えば、スリット部材である。スリット部材に形成されたスリットは、Ｙ軸方向から見た場合に、Ｘ軸方向を短辺、Ｚ軸方向を長辺とする長方形状に開口している。短辺の幅を広くすると被測定光Ｌ１の入射量が増えるため、解析部６では、雑音が少ないが、波長分解能の低いスペクトルデータが得られる。一方で、短辺の幅を狭くすると被測定光Ｌ１の入射量が少なくなるため、解析部６では、波長分解能が向上するが、雑音の多いスペクトルデータが得られる。光入射部２は、例えば、スリット部材、及び当該スリット部材に被測定光Ｌ１を伝送する光ファイバによって、構成されていてもよい。或いは、光入射部２は、例えば、スリット部材、及び当該スリット部材の外側から被測定光Ｌ１を集光するレンズによって、構成されていてもよい。
　回折格子３は、光入射部２とＹ軸方向において対向している。回折格子３は、反射型であるため、被測定光Ｌ１を、被測定光Ｌ１が入射する方向とは反対側に分光する。回折格子３は、複数のグレーティング溝（図示しない）によって構成されている。複数のグレーティング溝は、被測定光Ｌ１が入射する方向と垂直な方向であるＸ軸方向に沿って並んでいる状態で、当該並んでいる方向と垂直な方向であるＺ軸方向に沿って延在している。回折格子３に入射した被測定光Ｌ１は、複数のグレーティング溝が並んでいる方向であるＸ軸方向に沿って、複数の波長成分Ｌ２に応じて分光される。
　光検出器１０は、回折格子３とＹ軸方向において対向している。光検出器１０は光検出素子１３を有する。光検出素子１３は、複数の波長成分Ｌ２を受光する受光領域１３ａを含む。光検出器１０では、受光領域１３ａ上においてＸ軸方向に波長軸を有する分光像が形成される。受光領域１３ａは、Ｘ軸方向を長手方向とする長尺状であり、Ｘ軸方向（所定方向）に沿って配列された複数の光検出チャンネルを有する。つまり、複数の光検出チャンネルの配列された方向は、被測定光Ｌ１が分光される方向と一致している。そのため、各波長成分Ｌ２は、受光領域１３ａの長手方向に沿って、一定の間隔を空けて、異なる位置（異なる光検出チャンネル）に入射する。各光検出チャンネルには、Ｚ軸方向に沿って複数の画素から構成されている。光検出器１０は、受光領域１３ａにおいて所定の露光時間に亘って分光像を受光して各波長成分Ｌ２のスペクトルデータＳを出力する。光検出素子１３は、例えば半導体基板上に形成されたＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサである。ＣＣＤイメージセンサは、インターライン型、フレームトランスファー型及びフルフレームトランスファー型のいずれでもよい。
　本実施形態では、光検出器１０は、Ｙ軸方向において光入射部２と配置される位置が一致している。光検出器１０は、Ｚ軸方向において光入射部２との間に一定の距離をおいて、複数の波長成分Ｌ２が入射する側に配置されている。言い換えれば、光検出器１０は、光入射部２に対して、波長軸に垂直な方向（Ｚ軸方向）に沿って、複数の波長成分Ｌ２が入射する側にオフセットしている。
　レンズ５は、Ｙ軸方向において、光入射部２及び光検出器１０と、回折格子３との間に配置されている。レンズ５は、光入射部２から入射した被測定光Ｌ１を回折格子３に導光すると共に、複数の波長成分Ｌ２の分光像を光検出器１０の受光領域１３ａに形成する。レンズ５は、面５ａと、面５ａとは反対側の凸状面５ｂと、を有する凸レンズである。面５ａは、光入射部２及び光検出器１０と向かい合っている。面５ａは、平坦面、凹状面、又は凸状面である。凸状面５ｂは、回折格子３と向かい合っており、面５ａとは反対側に凸状に湾曲した面である。
　解析部６は、光検出器１０から取得したデータに基づいて被測定光Ｌ１のスペクトルデータＳを生成する。解析部６による解析の内容については後述する。解析部６は、光検出器１０から取得したデータや解析結果等を記憶する記憶部を含む。また、解析部６は、光検出器４を制御してもよい。解析部６は、例えばＣＰＵ（Central　Processing　Unit）等のプロセッサ及びＲＡＭ（Random　Access　Memory）やＲＯＭ（Read　Only　Memory）等の記憶媒体を備えるコンピュータやタブレット端末であってもよい。また、解析部６は、マイコンやＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）で構成されていてもよい。
　以上のように構成された分光測定装置１では、光入射部２から入射した被測定光Ｌ１が面５ａに対して一定の入射角を以って入射する。面５ａに入射した被測定光Ｌ１は、空気の屈折率とレンズ５の屈折率との差に応じて、面５ａで屈折して、レンズ５内を進み、凸状面５ｂから出射する。凸状面５ｂから出射した被測定光Ｌ１は、レンズ５の屈折率と空気の屈折率との差に応じて凸状面５ｂで屈折して、後段の回折格子３に導光される。
　回折格子３によって分光された複数の波長成分Ｌ２は、レンズ５に入射する。レンズ５は、複数の波長成分Ｌ２が凸状面５ｂに対して一定の入射角を以って入射する。凸状面５ｂに入射した複数の波長成分Ｌ２は、空気の屈折率とレンズ５の屈折率との差に応じて、凸状面５ｂで屈折して、レンズ５内を進み、面５ａから出射する。面５ａから出射した複数の波長成分Ｌ２は、レンズ５の屈折率と空気の屈折率との差に応じて面５ａで屈折して、後段の光検出器４に結像され、分光像を受光領域１３ａに形成する。
［光検出器の構成］
　図２及び図３に示されるように、光検出器１０は、パッケージ１１と、窓部１２と、を更に有する。パッケージ１１は、底壁１１１、側壁１１２及び天壁１１３によって構成されている。底壁１１１は、平板状を呈している。側壁１１２は、矩形状に開口を有する枠状を呈している。天壁１１３は、矩形状の開口を有するキャップ状を呈している。側壁１１２は、底壁１１１上に配置されており、底壁１１１に接合されている。天壁１１３は、側壁１１２上に配置されており、側壁１１２に接合されている。これにより、パッケージ１１内には、空間ＳＰが形成されている。一例として、底壁１１１、側壁１１２及び天壁１１３は、それぞれ、金属からなる。
　底壁１１１上には、光検出素子１３が配置されている。光検出素子１３は、パッケージ１１内の空間ＳＰに配置されている。パッケージ１１には、開口１１ａが形成されている。具体的には、開口１１ａは、光検出素子１３と向かい合うように天壁１１３に形成されている。Ｙ軸方向から見た場合に、開口１１ａを形成している天壁１１３の内縁は、空間ＳＰを形成している側壁１１２及び天壁１１３の内縁よりも小さい。つまり、天壁１１３は、空間ＳＰを形成している内縁から開口１１ａを形成している内縁にかけて、内縁の面積が小さくなるように、Ｚ軸方向から見た場合にステップ状の形状をしている。開口１１ａは、パッケージ１１内に複数の波長成分Ｌ２を入射させる。
　窓部１２は、開口１１ａを塞ぐように、天壁１１３上に配置されている。窓部１２は、パッケージ１１内に配置された光検出素子１３の受光領域１３ａとＹ軸方向において対向している。窓部１２は、光透過部材１２１と、リニアバリアブルフィルタコート１２２とを含む。光透過部材１２１は、Ｙ軸方向において互いに対向する光入射面１２１ａ及び光出射面１２１ｂを含む。本実施形態では、窓部１２の光出射面１２１ｂが、天壁１１３における開口１１ａの周囲部分と接合されることで、空間ＳＰの気密性が確保されている。光透過部材１２１は、Ｙ軸方向から見た場合に、Ｘ軸方向を長辺、Ｚ軸方向を短辺とする長方形状を呈している。光透過部材１２１は、例えば、ガラス、石英、シリコン、ゲルマニウム、プラスチック等からなる。
　リニアバリアブルフィルタコート１２２は、光入射面１２１ａに形成されている。リニアバリアブルフィルタコート１２２は、光透過部材１２１と同様に、Ｙ軸方向から見た場合に、Ｘ軸方向を長辺、Ｚ軸方向を短辺とする長方形状を呈している。リニアバリアブルフィルタコート１２２の外縁は、光透過部材１２１の外縁と完全には一致しておらず、リニアバリアブルフィルタコート１２２と光入射面１２１ａとが重なっていない部分１２３が存在する。具体的には、リニアバリアブルフィルタコート１２２の短辺の長さは、光透過部材１２１の短辺の長さと同じ長さであり、リニアバリアブルフィルタコート１２２の長辺の長さは、光透過部材１２１の長辺の長さよりも短い。そのため、図２及び図３の例では、リニアバリアブルフィルタコート１２２の一方の短辺は、光透過部材１２１の一方の短辺と一致しているが、リニアバリアブルフィルタコート１２２の他方の短辺は、光透過部材１２１の他方の短辺よりも内側に位置している。リニアバリアブルフィルタコート１２２は、光入射面１２１ａに絶縁多層膜を蒸着等によってコーティングしたものであり、隙間なく連続的に形成されている。例えば、リニアバリアブルフィルタコート１２２の厚さは、一方の短辺からＸ軸方向に沿って徐々にスロープ状に厚くなっている。
　Ｙ軸方向から見た場合に、開口１１ａを形成している天壁１１３の内縁は、光検出素子１３の外縁よりも大きい。更に、光透過部材１２１の外縁は、開口１１ａを形成している天壁１１３の内縁よりも大きい。また、光検出素子１３の外縁の一部は、リニアバリアブルフィルタコート１２２と光入射面１２１ａとが重なっていない部分１２３に重なっている。具体的には、光検出素子１３の他方の短辺は、リニアバリアブルフィルタコート１２２の他方の短辺よりも外側に位置している。
　リニアバリアブルフィルタコート１２２は、Ｘ軸方向（所定方向）に沿って透過波長が変化している。具体的には、リニアバリアブルフィルタコート１２２と光入射面１２１ａとが重なっていない部分１２３から離れるに従って、透過波長が徐々に高い波長帯に変化している。言い換えれば、遮断される波長帯が徐々に増えている。図４を一例として、リニアバリアブルフィルタコート１２２の透過波長の特性の一例を説明する。リニアバリアブルフィルタコート１２２と光入射面１２１ａとが重なっていない部分１２３に最も近い部分の透過波長の特性Ｔ１は、約４３０ｎｍから透過率が上昇し始め、約４６０ｎｍでは透過率が約０．９となり、カットオン波長（透過率５０％に到達する波長）は、約４５０ｎｍである。一方で、リニアバリアブルフィルタコート１２２と光入射面１２１ａとが重なっていない部分１２３から最も遠い部分の透過波長の特性Ｔ２は、約７８０ｎｍから透過率が上昇し始め、約８３０ｎｍでは透過率が約０．９となり、カットオン波長は、約８１０ｎｍである。リニアバリアブルフィルタコート１２２の透過波長は、Ｔ１とＴ２との間で、徐々に高い波長帯に変化する。本実施形態では、複数の波長成分Ｌ２が、リニアバリアブルフィルタコート１２２の透過波長が変化している方向に沿って入射される。そのため、各波長成分Ｌ２において、一次光が透過する一方で、二次光が光検出素子１３に入射することが抑制される。
　図５を参照して、各波長成分Ｌ２と透過波長との関係について更に詳細に説明する。図５に示されるように、複数の波長成分Ｌ２は、λ１１～λ１５の中心波長を有する波長成分を含むものとする。λ１１～λ１５の次数は全て一次光である。ここで、例えば、λ１１：３００ｎｍ、λ１２：４５０ｎｍ、λ１３：６００ｎｍ、λ１４：７５０ｎｍ、λ１５：９００ｎｍとする。λ１１～λ１５は、上記の順に回折角度が大きくなり、上記の順に、透過波長が変化している方向に沿ってリニアバリアブルフィルタコート１２２に入射する。ここで、λ１１の二次光をλ２１とし、λ１２の二次光をλ２２とする。λ２１の中心波長の値はλ１１と同じく３００ｎｍであるが、λ２１の回折角度は、λ１１の回折角度と異なる。λ２１の回折角度は、λ１１の倍の中心波長であるλ１３と同じ回折角度となる。つまり、λ１３の入射位置と同じ位置にλ２１も入射する。同様に、λ１２の二次光λ２２（中心波長４５０ｎｍ）は、λ１２の倍の中心波長であるλ１５と同じ位置に入射する。リニアバリアブルフィルタコート１２２は、複数の波長成分Ｌ２の一次光（λ１１～λ１５）を透過し、二次光（λ２１，λ２２）を遮断させるためのフィルタとして機能する。よって、窓部１２は、各波長成分Ｌ２のうち、一次光を通過させ、光検出器１０は、一次光を検出する。リニアバリアブルフィルタコート１２２は、一次光の中心波長以上の波長成分を透過させることから、ロングパスフィルタとして機能する。言い換えれば、リニアバリアブルフィルタコート１２２は、Ｘ軸方向（所定方向）に沿ってカットオン波長が変化しているリニアバリアブルロングパスフィルタコートである。なお、λ１１は、リニアバリアブルフィルタコート１２２と光入射面１２１ａとが重なっていない部分１２３に入射する。λ１１の中心波長は３００ｎｍであるため、リニアバリアブルフィルタコート１２２では遮断されてしまうためである。
　ここで、λ１１～λ１５は、それぞれに対応した透過波長となるように、リニアバリアブルフィルタコート１２２に入射する。例えば、λ１３の入射位置に対応する透過波長の特性は、一次光であるλ１３（中心波長６００ｎｍ）を透過する一方で、二次光であるλ２１（中心波長３００ｎｍ）を遮断する。また、λ１５の入射位置に対応する透過波長の特性は、一次光であるλ１５（中心波長９００ｎｍ）を透過する一方で、二次光であるλ２２（中心波長４５０ｎｍ）を遮断する。
［作用及び効果］
　光検出器１０では、パッケージ１１の開口１１ａを塞いでいる窓部１２が、光透過部材１２１と、被測定光Ｌ１が分光される方向であるＸ軸方向に沿って透過波長が変化しているリニアバリアブルフィルタコート１２２と、を含んでいる。これにより、被測定光Ｌ１に含まれる複数の波長成分Ｌ２のそれぞれに対して、二次光（λ２１，λ２２）が光検出素子１３に入射することを抑制することができる。また、光検出器１０では、リニアバリアブルフィルタコート１２２が光透過部材１２１の光入射面１２１ａに形成されている。例えば、単一の透過波長のフィルタコートが光透過部材１２１の光入射面１２１ａ及び光出射面１２１ｂのそれぞれに形成されている場合、光入射面１２１ａに形成されているフィルタコートと光出射面１２１ｂに形成されているフィルタコートとの間で被測定光Ｌ１が多重反射し得る。しかし、光検出器１０では、多重反射による迷光の発生を抑制することができる。以上により、光検出器１０によれば、分光された被測定光Ｌ１のうち一次光（λ１１～λ１５）を検出することができる。
　光検出器１０では、リニアバリアブルフィルタコート１２２は、光入射面１２１ａに形成されている。これによれば、リニアバリアブルフィルタコート１２２が光出射面１２１ｂに配置されている場合に比べ、パッケージ１１と窓部１２とを容易に且つ確実に接合することができる。また、リニアバリアブルフィルタコート１２２が光出射面１２１ｂに配置されている場合に比べ、窓部１２の光出射面１２１ｂが、天壁１１３における開口１１ａの周囲部分と接合され易くなることで、空間ＳＰの気密性を確保し易くすることができる。
　光検出器１０では、所定次数の光は、一次光（λ１１～λ１５）である。一次光（λ１１～λ１５）は二次光（λ２１，λ２２）に比べ、光強度が高くなる。そのため、光検出器１０によれば、リニアバリアブルフィルタコート１２２を、被測定光Ｌ１のうち一次光（λ１１～λ１５）を透過するための二次光カットフィルタとして機能させることによって、Ｓ／Ｎに優れたスペクトルデータＳを生成することができる。
　光検出器１０では、リニアバリアブルフィルタコート１２２は、Ｘ軸方向に沿ってカットオン波長が変化しているリニアバリアブルロングパスフィルタコートである。これによれば、一次光（λ１１～λ１５）を基準として二次光（λ２１，λ２２）の透過が抑制されるため、当該二次光（λ２１，λ２２）に起因する不自然なピークがスペクトルデータＳに現れることを抑制することができる。
　分光測定装置１によれば、光検出器１０において、分光された被測定光Ｌ１のうち一次光（λ１１～λ１５）を検出することができる。
［比較例］
　図６に示されるように、窓部１２に対して入射した被測定光Ｌ１の一部が光透過部材１２１の光出射面１２１ｂにて反射し、その後リニアバリアブルフィルタコート１２２の表面にて反射することによって、迷光Ｌ３となる場合がある。迷光Ｌ３は、スペクトルデータにおいて、不自然なピークとして現れることがあるため、抑制すべきものである。しかし、後述する比較例と比較すると、リニアバリアブルフィルタコート１２２は、迷光Ｌ３の発生原因を少なくすることができる。
　図７，図８を参照して、第１比較例の窓部１２ａについて説明する。図７（ａ）に示されるように、窓部１２ａには、光透過部材１２１の光入射面１２１ａにフィルタコート１２２ａが形成され、光透過部材１２１の光出射面１２１ｂにフィルタコート１２２ｂが形成されている。フィルタコート１２２ａ及びフィルタコート１２２ｂは、Ｙ軸方向から見た場合に、Ｘ軸方向を長辺、Ｚ軸方向を短辺とする長方形状を呈している。フィルタコート１２２ａの一方の短辺は、光透過部材１２１の一方の短辺及びフィルタコート１２２ｂの一方の短辺と一致している。フィルタコート１２２ａの他方の短辺は、光透過部材１２１の他方の短辺よりも内側に位置しており、フィルタコート１２２ｂの他方の短辺よりも外側に位置している。図７（ｂ）に示されるように、フィルタコート１２２ａ及びフィルタコート１２２ｂは、それぞれ異なる単一の透過波長の特性を有する。透過波長の特性の一例は、以下の通りである。フィルタコート１２２ａの透過波長の特性Ｔ３は、約４２０ｎｍから透過率が上昇し始め、約４５０ｎｍでは透過率が約０．９となる。カットオン波長は約４４０ｎｍである。一方、フィルタコート１２２ｂの透過波長の特性Ｔ４は、約５２０ｎｍから透過率が上昇し始め、約５７０ｎｍでは透過率が約０．９となる。カットオン波長は約５５０ｎｍである。
　図８を参照して、各波長成分Ｌ２と透過波長との関係について更に詳細に説明する。λ１１～λ１５のそれぞれの中心波長の値は、実施形態と同様である。フィルタコート１２２ａ及びフィルタコート１２２ｂは、リニアバリアブルフィルタコート１２２と同様に、複数の波長成分Ｌ２の一次光（λ１１～λ１５）を透過し、二次光（λ２１，λ２２）を遮断させるためのフィルタとして機能する。例えば、λ１３は、フィルタコート１２２ａ及び１２２ｂを通過するが、λ２１は、フィルタコート１２２ａによって遮断される。ここで、フィルタコート１２２ａ及びフィルタコート１２２ｂを用いた場合には、様々な要因で迷光が発生する。例えば、フィルタコート１２２ｂの他方の短辺は、フィルタコート１２２ａの他方の短辺よりも内側に位置していることから、フィルタコート１２２ｂの他方の短辺は、Ｚ軸方向から見た場合に端面となる。複数の波長成分Ｌ２のうちのいずれかの波長成分が、フィルタコート１２２ｂの端面において散乱し、迷光Ｌ３の原因となる場合がある。更に、複数の波長成分Ｌ２のうちのいずれかの波長成分が、フィルタコート１２２ａとフィルタコート１２２ｂとの間にて多重反射し、迷光Ｌ３の原因となる場合がある。いずれも、実施形態のリニアバリアブルフィルタコート１２２を窓部１２の一部として用いた場合には生じ得ない迷光Ｌ３である。そのため、実施形態の光検出器１０では、散乱や多重反射による迷光Ｌ３が光検出素子１３に入射することを抑制することができる。
　続いて、図９を参照して、第２比較例の窓部１２ｂについて説明する。窓部１２ｂでは、光透過部材１２１にフィルタコートを形成するのではなく、フィルタコートよりも厚みのあるフィルタ部材１２２ｃを光入射面１２１ａ上に配置したものである。フィルタ部材１２２ｃと光透過部材１２１とを合わせて窓部１２ｂとする。その場合、様々な要因で迷光Ｌ３が発生する。例えば、フィルタ部材１２２ｃの内部にて多重反射したり、フィルタ部材１２２ｃと光入射面１２１ａ又は光出射面１２１ｂとの間にて多重反射したりすることによって迷光Ｌ３が発生する。つまり、実施形態のリニアバリアブルフィルタコート１２２よりも迷光発生となり得る箇所が格段に増えることとなる。
［変形例］
　本開示は、上述した実施形態に限定されない。リニアバリアブルフィルタコート１２２は、Ｘ軸方向に沿って透過波長帯が変化しているリニアバリアブルバンドパスフィルタコートであってもよい。その場合、リニアバリアブルフィルタコート１２２は、各波長成分Ｌ２に対して、一次光の中心波長を含んだ一定範囲の波長成分のみを透過させるフィルタとして機能する。これによれば、一次光を基準として二次光の透過が抑制されるため、当該二次光に起因する不自然なピークがスペクトルデータＳに現れることを抑制することができる。また、実施形態の分光測定装置１は、光入射部２、回折格子３、光検出器１０、レンズ５、及び解析部６を備えたダイソン光学系であるが、異なる光学系であってもよい。例えば、ツェルニターナ光学系であってもよい。更に、ダイソン光学系とは異なる光学系を採用した場合に、回折格子３は透過型の回折格子であってもよい。また、リニアバリアブルフィルタコート１２２は、光出射面１２１ｂに形成されていてもよい。また、リニアバリアブルフィルタコート１２２にて遮断する光は、二次光に限られない。例えば、二次光以上の高次光（三次光や四次光等）を遮断してもよいし、マイナス次数の回折光を遮断してもよいし、反射光（ゼロ次光）遮断してもよい。一方で、リニアバリアブルフィルタコート１２２は、所定の次数として、一次光以外の次数の光（例えば、上述した次数の光）を透過させ、一次光を遮断してもよい。
　図１０に示されるように、窓部１２は、反射低減層１２４を更に含んでもよい。図１０に示される窓部１２は、光透過部材１２１と、リニアバリアブルフィルタコート１２２と、反射低減層１２４とを含む。図１０に示される窓部１２では、リニアバリアブルフィルタコート１２２は、光透過部材１２１の光入射面１２１ａに形成されており、反射低減層１２４は、光透過部材１２１の光出射面１２１ｂに形成されている。反射低減層１２４は、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）或いは五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）などの単層、若しくはこれらの複数の物質による積層によって形成されている。
　図１０に示される窓部１２では、反射低減層１２４は、光出射面１２１ｂの全面に形成されている。つまり、Ｙ軸方向から見た場合に、反射低減層１２４の外縁は、光透過部材１２１の外縁と一致している。ただし、反射低減層１２４は、光出射面１２１ｂの一部に形成されていてもよい。例えば、反射低減層１２４は、Ｙ軸方向から見た場合に、少なくともリニアバリアブルフィルタコート１２２と重なるように形成されていてもよい。その場合、反射低減層１２４の外縁は、Ｙ軸方向から見た場合に、リニアバリアブルフィルタコート１２２の外縁と一致していてもよい。
　反射低減層１２４は、例えば、ＡＲコート（Anti-Reflection　coating）である。その場合、受光領域１３ａで反射した被測定光Ｌ１の反射光Ｌ４が反射低減層１２４に入射すると、反射光Ｌ４は、反射低減層１２４において光の干渉によって打ち消される。例えば、反射低減層１２４では、反射低減層１２４における光透過部材１２１側の表面で反射した光と、反射低減層１２４における受光領域１３ａ側の表面で反射した光とが干渉することにより、反射光Ｌ４が打ち消される。反射低減層１２４が形成されていない場合、反射光Ｌ４は、光透過部材１２１の光出射面１２１ｂで反射し、光出射面１２１ｂと受光領域１３ａとの間で多重反射することで、迷光となり得る。図１０に示される窓部１２では、反射低減層１２４が光出射面１２１ｂに形成されていることによって、反射光Ｌ４に起因する迷光を低減することができる。
　反射低減層１２４は、ＡＲコートに限られない。反射低減層１２４は、例えば、多層膜であってもよい。その場合、反射低減層１２４の屈折率は、層毎に変化する。例えば、反射低減層１２４の屈折率は、反射低減層１２４と受光領域１３ａとの間の空隙の屈折率（空気の屈折率）から光透過部材１２１の屈折率まで段階的に変化してもよい。その場合、反射光Ｌ４は、光透過部材１２１の光出射面１２１ｂにおいて反射せず、光透過部材１２１及びリニアバリアブルフィルタコート１２２を介して、外部に出射する。
　リニアバリアブルフィルタコート１２２は、光透過部材１２１の光出射面１２１ｂに形成されており、反射低減層１２４は、光透過部材１２１の光入射面１２１ａに形成されていてもよい。この場合、例えば、反射低減層１２４では、反射低減層１２４における光透過部材１２１側の表面で反射した光と、反射低減層１２４における光透過部材１２１とは反対側の表面で反射した光とが干渉することにより、反射光Ｌ４が打ち消される。
　１…分光測定装置、２…光入射部、３…回折格子、１０…光検出器、６…解析部、１１…パッケージ、１１ａ…開口、１２…窓部、１３…光検出素子、１３ａ…受光領域、１２１…光透過部材、１２１ａ…光入射面、１２１ｂ…光出射面、１２２…リニアバリアブルフィルタコート、１２４…反射低減層、Ｌ１…被測定光、Ｓ…スペクトルデータ。

 

Claims (6)

  1. 　所定方向に分光された被測定光のうち所定次数の光を検出する光検出器であって、
    　開口を有するパッケージと、
    　前記開口を塞いでおり、前記所定次数の光を透過させる窓部と、
    　前記パッケージ内に配置されており、前記窓部と対向している受光領域を有し、前記所定次数の光を検出する光検出素子と、を備え、
    　前記受光領域は、前記所定方向に配列された複数の光検出チャンネルを含み、
    　前記窓部は、
    　光入射面及び光出射面を有する光透過部材と、
    　前記光入射面及び前記光出射面の一方に形成されており、前記所定方向に沿って透過波長が変化しているリニアバリアブルフィルタコートと、を含む、光検出器。
  2. 　前記リニアバリアブルフィルタコートは、前記光入射面に形成されている、請求項１に記載の光検出器。
  3. 　前記所定次数の光は、一次光である、請求項１に記載の光検出器。
  4. 　前記リニアバリアブルフィルタコートは、前記所定方向に沿ってカットオン波長が変化しているリニアバリアブルロングパスフィルタコート、又は前記所定方向に沿って透過波長帯が変化しているリニアバリアブルバンドパスフィルタコートである、請求項１に記載の光検出器。
  5. 　前記窓部は、前記光入射面及び前記光出射面の他方に形成されている反射低減層を更に含む、請求項１に記載の光検出器。
  6. 　被測定光を入射させる光入射部と、
    　前記光入射部から入射した前記被測定光を分光する回折格子と、
    　前記被測定光のスペクトルデータを生成する解析部と、
    　請求項１～５のいずれか一項に記載の光検出器と、を備える、分光測定装置。

     
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