JP2002062189A - 分光測定用検出器及びこれを用いた積分球測定器および分光光度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】積分球に取り付ける分光測定用検出器におい
て、応答速度が早いとともに、近赤外における広い波長
領域で感度特性に優れている分光測定用検出器を提供す
る。 【解決手段】分光感度特性の異なる複数の検出素子３
５、３６を基台１９の上に平面的に並べて載置し、側面
カバー２０により上方から受光するようにして、それぞ
れの検出素子に直接測定光が照射されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分光測定に用いる
検出器に関し、特に積分球を用いて広い波長領域を、高
感度かつ早い応答速度で測定を行うのに適した検出器に
関する。また、本発明は積分球を用いて測定を行う分光
光度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より分光測定の一手法として積分球
を用いた測定が行われている。積分球を使用して広波長
領域で分光測定を行う場合に短波長域、長波長域それぞ
れの測定に適した２以上の検出器を積分球に取り付ける
ことが行われている。このような検出器の組み合わせと
しては短波長側用に光電子増倍管（ＰＭ）を用い、長波
長側用にＰｂＳ検出器（ＰｂＳ）を使用したものがよく
知られている。

【０００３】図４は積分球を用いて透過率測定をする場
合の従来からの分光光度計の構成を示す図である。図に
おいて１は光源、２は光源からの光を波長ごとに分光す
るための分光器、３は分光された光が照射されて透過率
測定が行われる試料、４は試料を透過した試料光であ
る。試料光は積分球５に導かれる。積分球５には試料光
４を内部に導くための入射窓６と、積分球内で多重散乱
された光を光電子増倍管（ＰＭ）およびＰｂＳ検出器
（ＰｂＳ）に導くための出射窓７が形成されている。８
は出射窓のひとつに取り付けられた光電子増倍管（Ｐ
Ｍ）、９は他の出射窓に取り付けられたＰｂＳ検出器
（ＰｂＳ）である。１０は光電子増倍管（ＰＭ）又はＰ
ｂＳ検出器（ＰｂＳ）からの検出信号を増幅するための
アンプ、１１はＡ／Ｄ変換器、１２はいずれの検出器か
らの信号を外部に出力するかを切り換えるための切り換
えスイッチである。

【０００４】試料光４が入射窓６から積分球５に導入さ
れると積分球内面にて多重散乱されて出射窓７に至り、
これを光電子増倍管８、又はＰｂＳ９が受けることによ
り検出され、アンプ１０、Ａ／Ｄ１１を介して外部（後
段に接続されるデータ処理用パソコン等）に出力され
る。そして測定波長域に応じて切り換えスイッチ１２を
切り換えることにより、いずれか一方の検出器からの信
号を送り出すようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の検出器のうちＰ
ｂＳ９は、近赤外領域の検出器として使用されるもので
ある。ところでＰｂＳ９は近赤外領域の広い波長範囲で
使用できる点では都合がよいのであるが、分光感度特性
としてはその他の半導体素子を用いた近赤外検出器に比
べると劣っている。又、ＰｂＳ９は応答速度が比較的遅
い。したがって応答速度が早い測定には適していない。
そのため近赤外領域での感度向上を図ったり、応答速度
の高い測定を行うためにはＰｂＳ以外の別の検出器を用
いる必要がある。しかしながら、近赤外領域で広範な波
長域にわたって高い分光感度特性を有するような検出器
でしかも分光光度計に使用できるようなものは今のとこ
ろ適当なものがない。そこで近赤外の広範な波長域を高
感度に測定を行うためには、異なる分光感度特性を有す
る近赤外検出器を積分球に２個以上取り付けてこれらを
切り換えるようにして使用する必要がある。

【０００６】図２は２つの近赤外検出器を備えた積分球
を示す図である。図において図４と同じものは同符号を
付すことにより説明を省略する。この積分球５では近赤
外領域の検出器として第1検出器１５と第2検出器１６が
それぞれ出射窓７に取り付けられる。第1検出器１５に
は近赤外のうちの比較的短波長側に高感度領域を有する
第1の半導体素子３１が取り付けられ、第2検出器１６に
は第1検出器に用いられる素子よりも長波長側に高感度
領域を有する第2の半導体素子が取り付けられる。この
ような組み合わせとしては第1半導体素子にＳｉを、第2
半導体素子にＩｎＧａＡｓを用いたものが考えられる。
又、別の例として第1半導体素子３１、第2半導体素子３
２ともＩｎＧａＡｓを用いるがその組成比をかえること
により高感度波長領域を異なるようにしたものが考えら
れる。

【０００７】図２のものは応答速度や感度の点では優れ
たものとなる。しかしながら、積分球に近赤外用に２つ
の出射窓が必要となる。積分球の性能としては開口部と
なる窓が占める面積は小さくなるほど優れていることか
ら、窓数が増加することにより積分球としての性能は劣
ることとなる。もちろん、各窓の面積を小さくすること
ができればよいのであるが、検出器のパッケージを取り
付けて検出器に測定光を導かなければならないことから
１つ１つの窓面積を小さくすることにも限界がある。し
たがって、積分球としての性能を高くするためにはどう
しても出射窓の数を減らす必要があり、近赤外用検出器
も１つにする必要がある。

【０００８】そこで、図３に示すように透過型複合検出
器１７を検出器に用いることが考えられる。この透過型
複合検出器１７は第1の半導体検出素子３３と第2の半導
体検出素子３４とを積層してサンドイッチ構造としたも
ので、同一光路の光を２つの異なる種類の検出素子で検
出できるようにしたものである。例えば第1半導体素子
としてＳｉを、第2半導体素子としてＧｅ、ＩｎＧａＡ
ｓを用いられたものが市販されている。

【０００９】このものでは２つの素子の光路が同一とな
るので前面側の第1半導体検出素子を透過した光のみが
後面側の第2半導体検出素子まで到達して検出されるこ
とになる。つまり後面側の検出素子に関してみれば、た
とえ分光感度特性が良好な波長範囲の光が照射された場
合であっても、その波長の光が前面側の検出素子でも吸
収される光であるならば結局前面側で光量損失を受けて
から到達することになるので高感度測定は困難である。
即ち、両者の最大感度波長が接近すると第2の半導体素
子に至る光量の損失が生じ、有効な測定ができないこと
になる。したがって透過型複合検出器を有効に用いるこ
とができるためには、両者の最大感度波長が異なりかつ
離れていることが必要となる。最大感度波長が大きく離
れた２つの検出素子を組み合わせると当然の結果として
その中間の波長範囲に感度の低い領域が生じてしまう。
それゆえ、透過型複合検出器を使用したとしても近赤外
領域の広い波長範囲で高感度測定を行うことは困難であ
る。

【００１０】このように積分球としての性能を維持しつ
つ（即ち窓の数を増やさないで）、高感度測定すること
は従来の検出器の構造に起因して困難であった。そこで
本発明は、検出器の構造を工夫し、積分球としての性能
を維持しつつ高感度測定を可能とすることを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
になされた本発明の分光測定用検出器は、分光感度特性
の異なる複数の検出素子を、受光面となる基台上で平面
方向に並べるように配置し、これを受光窓を有する１つ
のパッケージ内に収納したことを特徴とする。

【００１２】ここで用いられる分光感度特性の異なる検
出素子としては、応答速度が早く、又小面積でも感度特
性に優れている点で半導体検出素子が適している。半導
体検出素子の組み合わせとしては半導体材料自体が異な
るものの組み合わせでもよいし、材料自体は同じである
が組成比が異なるものの組み合わせでもよい。なお、フ
ォトダイオードアレイ検出器（ＰＤＡ）のように分光感
度特性が同一の複数の検出素子を平面上に並べたものが
市販されているが、このようなものは本発明の検出器に
は含まれない。そもそもＰＤＡは光量の空間（位置）分
布を測定する目的で用いられるものであり、一つの光路
の光（例えば積分球の出射窓からの光）を検出するため
のものではないからである。

【００１３】2以上の検出素子は基台平面上に並べて配
置されており、外部からの不要な光を遮断し、一方向か
らの試料光のみを受光面となる基台に導くため、パッケ
ージに収納されている。検出素子が平面的に配置されて
いることによりいずれの検出素子にも直接試料光が受光
できるので、図3の透過型複合検出器の後面側の検出素
子での光量の損失の問題が生じないようになっている。

【００１４】そして、上記分光測定用検出器は積分球の
１つの出射窓に取り付けられ、積分球の出射窓からの測
定光のみが基台上に載置された２以上の検出素子にそれ
ぞれ直接照射されるようにしてある。

【００１５】したがって、試料光が積分球の入射窓から
積分球内部に入射すると、積分球内で多重散乱し、やが
て出射窓から各検出素子に照射されて電気信号に変換さ
れ検出信号を生じる。そこで測定波長域に応じて適当な
検出素子からの信号を選択して取り出すことにより積分
球を用いた高感度な分光測定が行われる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
を用いて説明する。図１は本発明の一実施例である積分
球測定器およびその積分球に取り付けられる分光測定用
検出器の構成を示す図である。

【００１７】最初に分光測定用検出器の構成について説
明する。図１の右側に平面図および正面図として示した
分光測定用検出器１８は、円盤状の基台１９の上面に第
1半導体検出素子３５、第2半導体検出素子３６が載置さ
れている。この２つの半導体検出素子は分光感度特性が
異なるものであり、例えば第1半導体検出素子３５には
近赤外のうちの短波長側に分光感度特性を有するＳｉ、
第2半導体検出素子３６にはこのＳｉよりも長波長側に
分光感度特性を有するＩｎＧａＡｓが使用される。ある
いはＩｎＧａＡｓのような半導体検出素子はその組成比
により分光感度特性が変化することから同一材料で組成
比が異なるものを使用することも可能である。例えば第
1半導体検出素子３５には０．９〜１．７μｍに分光感
度特性を有する第1のＩｎＧａＡｓを、第2半導体検出素
子３６には１．２〜２．６μｍに分光感度特性を有する
ＩｎＧａＡｓを用いるようにしてもよい。このように分
光感度特性において最大感度波長が近接して感度領域が
一部重なるような２種類の検出素子を用いる（感度領域
が完全に分離したものであれば合成した感度特性には凹
凸ができ、中間部分に感度の低い領域ができて定量的な
測定が困難になるから）のが好適である。

【００１８】第1半導体検出素子３５、第2半導体検出素
子３６からアノード、カソードを含む必要なリード線２
１（アノード、カソード以外には筐体アース線、冷却素
子を具備する場合には冷却素子用のリード線と、場合に
よっては冷却素子の温度を測定する測温素子用のリード
線）が基台２１を貫通して下面側に突出するように取り
付けられている。

【００１９】また、基台１９の上面には第1半導体検出
素子３５、第2半導体検出素子３６を囲むように円筒形
状の側面カバー１８が取り付けられ、基台１９と側面カ
バー１８とによりパッケージされている。これにより側
面方向からの迷光は遮断され検出器としての受光窓口と
なる上方からの光のみが半導体検出素子３５、３６に至
るようになっている。

【００２０】なお、第1半導体検出素子３５、第2半導体
素子３６のパッケージは上記のような円筒形状の側面カ
バーに限るものではない。特定方向からの光のみが導入
される入射窓を有し、そこから入射した光が平面的に配
置された複数の検出素子に直接かつ均等に照射されるよ
うに構成されていればその形状は問われない。

【００２１】次に上記分光測定用検出器１８が取り付け
られる積分球測定器について説明する。図１の左側に示
した積分球測定器は積分球５（積分球本体）に検出器が
取り付けられたものである。積分球５には試料光４が導
入されるための入射窓６、積分球５内で多重散乱反射し
た後の測定光を出射するための２つの出射窓７が形成さ
れている。この出射窓７に位置を合わせるようにして光
電子増倍管８および上記の分光測定用検出器１８が取り
付けられる。本発明では積分球５には光電子増倍管８を
取り付けるための出射窓７以外に１つの出射窓７のみが
形成されている。そして光電子増倍管８以外に取り付け
る近赤外領域測定用の分光測定用検出器の数は１つだけ
にしている。出射窓の数を減らすことにより、積分球内
壁の有効反射面積ができるだけ多く取れるようにしてあ
る。

【００２２】なお、本発明とは関係が薄いので詳細説明
を省くが、入射窓６から入射した光が積分球５内で最初
に反射する入射窓と反対側の位置には反射測定用窓が形
成されており、反射測定をする際にはこの位置に反射測
定用試料を取り付けるようにしてある。透過測定の際に
はこの位置には標準白板を取り付けるようにしてある。
もちろん透過測定のみで反射測定を行わない場合はこの
反射測定用窓を設けない方が好ましいことは言うまでも
ない。

【００２３】この積分球を使用する分光光度計の全体構
成は、図４においてＰｂＳ９の変わりに上記説明のよう
な分光測定用検出器１８が取り付けられたものとなる。
そして第1半導体素子３５、第2半導体素子３６それぞれ
のリード線２１に対してアンプ１０、Ａ／Ｄ１１を結線
し、切り換えスイッチ１２はこれら２つの信号と光電子
増倍管８からの信号との計３つの信号を切り換えること
ができるものにしてある。

【００２４】なお、図４はシングルビーム分光光度計を
示しているが、ダブルビーム分光光度計であっても本発
明を同様に用いることができることは言うまでもない。
なお、本発明の分光測定用検出器は、主として積分球測
定用に使用するものであるが、積分球の出射窓に取り付
ける場合のみならず、積分球の出射窓と同様の小孔から
漏れ出てくるような測定光についての近赤外領域の測定
を行う場合にも同様に適用できる。

【００２５】以下に本発明の実施態様をまとめておく。 （１） Ｓｉを母材とする半導体検出素子とＩｎＧａＡ
ｓを母材とする半導体検出素子とを受光面となる基台上
で平面方向に並べるように配置し、これを１つのパッケ
ージ内に収納したことを特徴とする分光測定用検出器又
は積分球測定用検出器。 （２） 組成比の相違に起因して分光感度特性が異なる
複数のＩｎＧａＡｓ半導体検出素子を受光面となる基台
上で平面方向に並べるように配置し、これを１つのパッ
ケージ内に収納したことを特徴とする分光測定用検出器
又は積分球測定用検出器。 （３）分光感度特性の異なる複数の半導体検出素子を、
受光面となる基台上で平面方向に並べるように配置し、
これらの素子に対して所定の方向からのみの光が受光さ
れるようにするためのカバーを取り付け、１つのパッケ
ージ内に収納したことを特徴とする分光測定用又は積分
球測定用の検出器。 （４） 上記（１）又は（２）又は（３）に記載の積分
球測定用検出器を積分球の１つの出射窓に取り付けたこ
とを特徴とする積分球測定器。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば１つのパッケージ内に分
光感度特性が異なる複数の検出素子を取り付けた分光測
定用検出器を用いているので、１つの検出素子を用いて
近赤外領域を測定する場合よりも広い波長範囲での測定
が可能である。しかも従来から存在する透過型複合検出
器で生じていた光量損失の問題も生じないのでＳＮ比を
向上させることができ、又異なる分光感度特性を有する
検出素子の組み合わせの選択を考える際にも感度特性の
重なりを考慮することなく自由に選択できる。

【００２７】そして、積分球に取り付ける場合の積分球
の出射窓の数を増やさずに検出素子を増やすことができ
るので積分球測定器としての性能を向上させることが可
能である。

【００２８】さらにはＰｂＳを用いた場合に比較して近
赤外領域での感度の向上とともに応答速度の向上を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である積分球測定器およびそ
れに使用する分光測定検出器の構成を示す図。

【図２】従来からの積分球測定器および従来からの分光
測定検出器の構成を示す図。

【図３】従来からの積分球測定器および従来からの分光
測定検出器の構成を示す図。

【図４】積分球を用いた分光光度計の全体構成を示す
図。

【符号の説明】

１：光源 ２：分光器 ３：試料 ５：積分球（積分球本体） ６：入射窓 ７：出射窓 ８：光電子増倍管 １２：切り換えスイッチ １８：分光測定用検出器 １９：基台 ２０：側面カバー ２１：リード線 ３５：第1半導体検出素子 ３６：第2半導体検出素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G020 AA03 AA04 CA02 CB04 CB05 CB42 CB43 CD04 CD11 CD23 CD24 2G059 EE01 EE12 HH01 HH02 JJ16 KK02 KK03 2G065 AA04 AA13 AB02 AB04 BA02 BA14 BA17 BA32 BB42 DA08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】分光感度特性の異なる複数の検出素子を、
   受光面となる基台上で平面方向に並べるように配置し、
   これを受光窓を有する１つのパッケージ内に収納したこ
   とを特徴とする分光測定用検出器。
2. 【請求項２】請求項１に記載の分光測定用検出器を積分
   球の出射窓に取り付けたことを特徴とする積分球測定
   器。
3. 【請求項３】分光感度特性の異なる複数の検出素子を積
   分球測定器用の検出器として使用し、測定波長域に応じ
   て前記検出器の検出素子を切り換えて測定を行う積分球
   を用いた分光光度計において、前記分光感度特性の異な
   る複数の検出素子は、受光窓を有する１つのパッケージ
   内に収納され、このパッケージ内において受光面となる
   基台上に平面方向に並べるように配置されるようにした
   ことを特徴とする分光光度計。