JP2009236642A - Ultraviolet light detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、紫外線検知装置に関するものであり、特に、回折格子を用いるものに関する。 The present invention relates to an ultraviolet detector, and more particularly to an apparatus using a diffraction grating.
近年、オゾン層の破壊の影響で、太陽光線中の紫外線量が多くなり、それが人体等生物に及ぼす弊害が懸念されている。オゾン層は、地球上に降り注ぐ太陽光中の紫外線の大部分を吸収し、地上の生物を守る働きをしているものである。しかし、工場等から大気中に放出される特定フロン等の化学物質がこのオゾン層を破壊している。特定フロン等は、化学的に安定な物質であるため、工場等から大気中に放出されると対流圏ではほとんど分解されずに成層圏に達し、そこで強い太陽紫外線を受けて分解され、塩素原子を放出する。この塩素原子が、オゾン分子を次々に破壊し、オゾン量を減少させている。 In recent years, due to the destruction of the ozone layer, the amount of ultraviolet rays in sunlight has increased, and there is concern about the harmful effects that it has on living organisms such as human bodies. The ozone layer absorbs most of the ultraviolet rays in the sunlight that falls on the earth, and works to protect living organisms on the ground. However, chemical substances such as specified chlorofluorocarbons released from the factory into the atmosphere destroy this ozone layer. Specified chlorofluorocarbons, etc. are chemically stable substances, so when released into the atmosphere from factories etc., they reach the stratosphere without being almost decomposed in the troposphere, where they are decomposed by strong solar ultraviolet rays and release chlorine atoms. To do. These chlorine atoms destroy ozone molecules one after another, reducing the amount of ozone.
かかるオゾン層の破壊により、従来では地上まで到達しなかったような紫外線も地上に到達する可能性が多くなっている。ここで、紫外線とは光（電磁波）の一種で、波長３８０ｎｍ以下のものをいう。化粧品などの分野で頻繁に用いられるＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂなどの分類を初め、波長帯ごとに分類がなされている（ＵＶ−Ａ：波長３２０〜３８０ｎｍ，ＵＶ−Ｂ：波長２８０〜３２０ｎｍ，ＵＶ−Ｃ：波長２００〜２８０ｎｍ）。 Due to the destruction of the ozone layer, there is an increased possibility that ultraviolet rays that did not reach the ground conventionally reach the ground. Here, the ultraviolet ray is a kind of light (electromagnetic wave) and means a wavelength of 380 nm or less. Classification such as UV-A and UV-B, which are frequently used in the field of cosmetics, etc., has been made for each wavelength band (UV-A: wavelength 320 to 380 nm, UV-B: wavelength 280 to 320 nm, UV-C: wavelength 200 to 280 nm).
このような紫外線の人体への悪影響としては、皮膚への影響、目への影響、免疫への影響などが知られている。皮膚への影響としては、皮膚がん（有棘細胞癌や悪性黒色腫など）やしみ・そばかすの発生の原因となりこと、また目への影響としては、白内障や緑内障の原因となること、免疫への影響としては、長時間の紫外線を浴びると免疫が低下することなどである。 As such adverse effects of ultraviolet rays on the human body, effects on the skin, effects on the eyes, effects on immunity, and the like are known. The effects on the skin may be skin cancer (squamous cell carcinoma, malignant melanoma, etc.), spots and freckles, and the effects on the eyes may be cataracts and glaucoma. The effects on the body include a decrease in immunity when exposed to ultraviolet rays for a long time.
このように紫外線の影響が、人体にとって非常に危険なものであるにもかかわらず、紫外線自体は、目に見えないものであり、人体の五感で照射強度を判定できないものである。近年では、衣類や、帽子、日傘などに紫外線対策がなされた製品が市場にでている状況である。 Thus, although the influence of ultraviolet rays is very dangerous for the human body, the ultraviolet rays themselves are invisible, and the irradiation intensity cannot be determined by the five senses of the human body. In recent years, products with UV countermeasures on clothing, hats, parasols, etc. are on the market.
従来の紫外線検知装置としては、例えば、市販されている紫外線センサがある（非特許文献１を参照）。このような従来の紫外線検知装置は、通常、固定装置を前提としており、人が衣類やカバン等に付けて、ウェアラブルに持ち歩くようなものではない。
しかしながら、上述のような状況下、ウェアラブルに持ち歩くことができるような紫外線検知装置が求められている（例えば、特許文献１を参照）。
As a conventional ultraviolet detection device, for example, there is a commercially available ultraviolet sensor (see Non-Patent Document 1). Such a conventional ultraviolet ray detection device is normally based on a fixing device, and is not intended to be worn by a person in a wearable manner by attaching it to clothing or a bag.
However, there is a demand for an ultraviolet detection device that can be carried around in a wearable manner under the above-described circumstances (see, for example, Patent Document 1).
また、単に紫外線の量を示すだけではなく、どのような紫外線がどれだけ存在するのか、どれだけ照射を受けたのかを検知すべく、異なる波長領域の紫外線を同時に分離して精度よく安定して測定可能であり、小さく簡便な構成で低コストの紫外線検知装置が求められている（例えば、特許文献２を参照）。 In addition to simply indicating the amount of ultraviolet light, it is possible to simultaneously separate ultraviolet rays in different wavelength regions and accurately and stably detect what kind of ultraviolet rays exist and how much irradiation has been received. There is a demand for a low-cost ultraviolet detection device that can be measured and has a small and simple configuration (see, for example, Patent Document 2).
前述の紫外線センサには、以下のような改善すべき点がある。現在市販されている紫外線センサは、測定時に、太陽等の光源に向けて測定する必要があり、太陽光からの直接の紫外線、もしくは受光部分から入射する一定方向の紫外線しか測定できない。紫外線は散乱光が多く、全体の５０〜６０％は散乱光として存在するため、一方向しか測定できない現在市販されているものは、全紫外線量を測定できない。 The aforementioned ultraviolet sensor has the following points to be improved. The currently marketed UV sensor needs to measure toward a light source such as the sun at the time of measurement, and can only measure UV directly from sunlight or UV in a certain direction incident from the light receiving portion. Ultraviolet rays have a large amount of scattered light, and 50 to 60% of the total exists as scattered light, and those currently on the market that can measure only in one direction cannot measure the total amount of ultraviolet rays.
また、紫外線量は波長によって人体に対する影響が違うため、波長別に測定する必要がある。現在市販されている紫外線センサは、特定波長域の部分測定か、若しくは、波長別にセンサ受光部を交換する必要がある。さらに、現在市販されている紫外線センサは、受光部分の劣化があり多くは保障期間が１年未満のものが多い。さらに、小型・モバイル型で、分光可能な紫外線センサは、現状では市販されていない。 Moreover, since the amount of ultraviolet rays has a different influence on the human body depending on the wavelength, it is necessary to measure the amount of each ultraviolet ray. The currently marketed ultraviolet sensors require partial measurement in a specific wavelength region or replacement of the sensor light receiving unit for each wavelength. Furthermore, the currently marketed UV sensors have a deteriorated light receiving portion, and many have a warranty period of less than one year. Furthermore, a small-sized, mobile type and spectroscopic UV sensor is not commercially available at present.
また、上記特許文献１に開示された技術では、紫外線の種別毎に検知することが不可能である。 In addition, with the technique disclosed in Patent Document 1, it is impossible to detect each type of ultraviolet ray.
また、上記特許文献２に開示された技術では、紫外線受光素子が２つ積層されてなる構成とされており、先に受光する一方の紫外線受光素子が特定波長の紫外光を検出し、その紫外線受光素子を透過した紫外線を他の紫外線受光素子を検出するものであるため、後の紫外線受光素子の検知感度が悪くなるという問題点がある。 Further, the technique disclosed in Patent Document 2 has a configuration in which two ultraviolet light receiving elements are stacked, and one ultraviolet light receiving element that receives light first detects ultraviolet light of a specific wavelength, and the ultraviolet light. Since the ultraviolet light transmitted through the light receiving element is detected by another ultraviolet light receiving element, there is a problem that the detection sensitivity of the subsequent ultraviolet light receiving element is deteriorated.
このような状況に鑑み、本発明は、異なる波長領域の紫外線を同時に分離し、簡易かつ確実に紫外線を検知することができるウェアラブルな小型の紫外線検知装置の提供を目的とする。 In view of such a situation, an object of the present invention is to provide a wearable and compact ultraviolet detection device that can simultaneously and reliably detect ultraviolet rays in different wavelength regions and detect ultraviolet rays easily and reliably.
（１）本発明に係る紫外線計測装置は、光を集光する集光手段と、集光された光を平行光に調整する平行光調整手段と、該平行光が垂直に入射される入射面を有する回折格子と、該回折格子により分光された紫外線を受光する紫外線受光素子とを備える構成される。
かかる構成によれば、ウェアラブルに持ち歩いた場合に、種々の方向から入射する太陽光を集光でき、それら光を回折格子面に対して垂直に入射でき、紫外光を特定波長毎に分光できることから、太陽光を浴びた中に含まれる紫外線を、その種別（ＵＶ−Ａ，ＵＶ−Ｂ，ＵＶ−Ｃ）毎に感度よく測定できる。
ここで、平行光調整手段は、光を平行に調整し、平行に調整した光を入射光として回折格子に入射でき、回折格子により多くの入射光を入射することができるものである。
また、集光手段によれば、光を集光した上で回折格子手段に入射することから、より多くの光を回折格子手段に入射することができる。
(1) An ultraviolet ray measuring apparatus according to the present invention includes a light collecting means for collecting light, a parallel light adjusting means for adjusting the collected light to parallel light, and an incident surface on which the parallel light is vertically incident. And a UV light receiving element that receives UV light dispersed by the diffraction grating.
According to such a configuration, when being carried in a wearable manner, sunlight incident from various directions can be collected, the light can be incident perpendicularly to the diffraction grating surface, and ultraviolet light can be separated for each specific wavelength. The ultraviolet rays contained in sunlight can be measured with high sensitivity for each type (UV-A, UV-B, UV-C).
Here, the parallel light adjusting means adjusts the light in parallel, can input the light adjusted in parallel to the diffraction grating as incident light, and can enter a large amount of incident light through the diffraction grating.
Further, according to the condensing means, the light is condensed and then incident on the diffraction grating means, so that more light can be incident on the diffraction grating means.
（２）ここで、平行光調整手段は、回折格子の入射面側に配置され、貫通するスリットを有するスリット手段を有し、該スリットは回折格子の入射面に対して垂直に形成されていることが好ましい態様である。
かかる構成によれば、入射面に対して垂直に形成されたスリットを介して回折格子に入射光を入射することから、確実に回折格子手段に対して垂直に入射光を入射することができる。
(2) Here, the parallel light adjusting means has slit means that is disposed on the incident surface side of the diffraction grating and has a slit that passes therethrough, and the slit is formed perpendicular to the incident surface of the diffraction grating. Is a preferred embodiment.
According to such a configuration, since the incident light is incident on the diffraction grating via the slit formed perpendicular to the incident surface, the incident light can be reliably incident on the diffraction grating means.
（３）また、本発明に係る紫外線検知装置における平行光調整手段は、光を入射するバイナリーレンズを有する構成とされる。かかる構成によれば、バイナリーレンズによって光を平行に調整することから、より確実に光を平行に調整することができる。 (3) Moreover, the parallel light adjusting means in the ultraviolet ray detection apparatus according to the present invention is configured to have a binary lens that enters light. According to this configuration, since the light is adjusted in parallel by the binary lens, it is possible to adjust the light in parallel more reliably.
（４）ここで、バイナリーレンズ手段は、ガラス部材の内部に形成されているのが好ましい態様である。ガラス部材の内部にバイナリーレンズを形成することで、容易にバイナリーレンズを配置することができ、また、取り扱いの利便性が向上できる。 (4) Here, the binary lens means is preferably formed inside the glass member. By forming the binary lens inside the glass member, the binary lens can be easily arranged and the convenience of handling can be improved.
（５）ここで、集光手段は、光を集光するためのピンホールを有することが好ましい態様である。ピンホールを用いることによって、容易に光を集光することができる。 (5) Here, it is a preferable aspect that the light condensing means has a pinhole for condensing light. By using a pinhole, light can be easily collected.
（６）ここで、集光手段は、光を集光するための全方位集光レンズを有する。全方位集光レンズを用いることによって、多くの光を容易に集光することができる。
（７）また、全方位集光レンズは、具体的には、球状レンズ若しくは半球状レンズを用いる。
(6) Here, the condensing means has an omnidirectional condensing lens for condensing light. By using an omnidirectional condenser lens, a lot of light can be easily condensed.
(7) Further, as the omnidirectional condenser lens, specifically, a spherical lens or a hemispherical lens is used.
（８）また、以下のａ）〜ｄ）の４層構造を備えた紫外線検知装置とすることが好適である。
ａ）集光手段として球状レンズ若しくは半球状レンズを用い、平行光調整手段としてバイナリーレンズを用い、球状レンズ若しくは半球状レンズとバイナリーレンズを石英ガラスに形成した集光・並行調整層
ｂ）回折格子を形成した回折格子層
ｃ）紫外線受光素子を２次元アレイ状に並置した受光素子層
ｄ）回折格子層と受光素子層の間に設けられた空間により形成されるスペーサー層
４層構造を備えたことを特徴とする紫外線検知装置。
かかる４層構造とすることで、異なる波長領域の紫外線を同時に分離し、簡易かつ確実に紫外線を検知することができるウェアラブルな小型の紫外線検知装置を得ることができる。
(8) Moreover, it is suitable to set it as the ultraviolet-ray detection apparatus provided with the 4 layer structure of the following a) -d).
a) A condensing / parallel adjusting layer in which a spherical lens or a hemispherical lens is used as a condensing means, a binary lens is used as a parallel light adjusting means, and a spherical lens or a hemispherical lens and a binary lens are formed on quartz glass b) a diffraction grating A diffraction grating layer c) a light receiving element layer in which ultraviolet light receiving elements are juxtaposed in a two-dimensional array d) a spacer layer formed by a space provided between the diffraction grating layer and the light receiving element layer An ultraviolet detector characterized by that.
By adopting such a four-layer structure, it is possible to obtain a wearable and compact ultraviolet detection device that can simultaneously and reliably detect ultraviolet rays in different wavelength regions and detect ultraviolet rays easily and reliably.
（９）各層の具体的なスケールは、各種仕様設計が可能であるが、現状の最も小型なものは、集光・並行調整層が５ｍｍであり、回折格子層が２ｍｍであり、スペーサー層が１４ｍｍであり、受光素子層が１ｍｍで構成される。 (9) The specific scale of each layer can be designed in various specifications, but the most compact one at present is that the condensing / parallel adjustment layer is 5 mm, the diffraction grating layer is 2 mm, and the spacer layer is 14 mm, and the light receiving element layer is 1 mm.
（１０）また、本発明に係る紫外線検知装置は、検知した紫外線の量を計測する紫外線計測手段を有する構成とされる。
かかる構成によれば、検知した紫外線の量を計測することができる。
(10) Moreover, the ultraviolet-ray detection apparatus which concerns on this invention is set as the structure which has an ultraviolet-ray measurement means which measures the quantity of the detected ultraviolet-ray.
According to this configuration, the amount of detected ultraviolet light can be measured.
（１１）また、上述した紫外線受光素子は、窒化ガリウムを含む受光素子を有することが好ましい態様である。回折格子によって分光された紫外線を、窒化ガリウムを含む受光素子によって受光する構成とすることで、ＵＶ−Ａ，ＵＶ−Ｂ，ＵＶ−Ｃの紫外光の受光感度に優れた紫外線受光素子を容易に製作することが可能である。 (11) Moreover, it is a preferable aspect that the ultraviolet light receiving element described above has a light receiving element containing gallium nitride. By adopting a configuration in which the ultraviolet light dispersed by the diffraction grating is received by a light receiving element containing gallium nitride, an ultraviolet light receiving element excellent in UV-A, UV-B and UV-C ultraviolet light receiving sensitivity can be easily obtained. It is possible to produce.
（１２）本発明に係る紫外線検知方法は、紫外線を含む光を集光し、集光した光を平行光に調整し、平行光に調整した光を入射光として回折格子の入射面に入射し、回折格子により分光された紫外線を受光する工程を備える。
かかる工程により、確実に回折格子手段によって紫外線を分光することができる。
(12) The ultraviolet ray detection method according to the present invention condenses light containing ultraviolet light, adjusts the collected light to parallel light, and enters the light adjusted to parallel light as incident light on the incident surface of the diffraction grating. And a step of receiving the ultraviolet rays separated by the diffraction grating.
With this process, the ultraviolet rays can be reliably dispersed by the diffraction grating means.
（１２）また、本発明に係る紫外線調整方法では、集光した光をガラス部材の内部に構成されたバイナリーレンズに入射し、該バイナリーレンズを透過した光をバイナリーレンズの中心軸と平行な方向に貫通するスリットに入射する工程を備える。
かかる工程により、確実に光を平行に調整することができる。
(12) In the ultraviolet ray adjusting method according to the present invention, the collected light is incident on a binary lens configured inside the glass member, and the light transmitted through the binary lens is parallel to the central axis of the binary lens. And a step of entering the slit penetrating the slit.
With this process, it is possible to reliably adjust the light in parallel.
ここで、「平行」とは、完全に平行な場合はもちろん、平行に等しい場合も含む概念である。また、「垂直」とは、完全に垂直な場合はもちろん、垂直に等しい場合も含む概念である。 Here, “parallel” is a concept including not only completely parallel but also equal to parallel. “Vertical” is a concept that includes not only the case of being completely vertical but also the case of being equal to vertical.
本発明の紫外線検知装置によれば、異なる波長領域の紫外線を同時に分離し、簡易かつ確実に紫外線を検知することができるウェアラブルな小型の紫外線検知装置の提供できるといった効果を有する。 According to the ultraviolet detection device of the present invention, there is an effect that it is possible to provide a wearable and compact ultraviolet detection device that can simultaneously and reliably detect ultraviolet rays in different wavelength regions and detect ultraviolet rays easily and reliably.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明における紫外線計測装置１の概要を図１に基づき説明する。紫外線計測装置１では、ピンホール３５によって所定の範囲の自然光を集光し、集光した自然光をバイナリーレンズ３７によって平行光に調整し、平行光に調整した光を、ニッケル膜に形成したスリット４１を介して、回折格子５の入射面に入射光として垂直に入射し、回折格子５により分光された紫外線ＵＶ−Ａ（ＵＶ−Ａ１、ＵＶ−Ａ２）、ＵＢ−Ｂ、ＵＶ−Ｃを受光する。紫外線計測装置１を用いることによって、回折格子５を用いて容易に自然光から紫外線ＵＶ−Ａ、ＵＢ−Ｂ、ＵＶ−Ｃを分光することができる。 The outline | summary of the ultraviolet-ray measuring device 1 in this invention is demonstrated based on FIG. In the ultraviolet ray measuring apparatus 1, natural light within a predetermined range is condensed by the pinhole 35, the condensed natural light is adjusted to parallel light by the binary lens 37, and the light adjusted to the parallel light is slit 41 formed in the nickel film. , And incident on the incident surface of the diffraction grating 5 as incident light, and receives ultraviolet rays UV-A (UV-A1, UV-A2), UB-B, and UV-C separated by the diffraction grating 5. . By using the ultraviolet ray measuring apparatus 1, the ultraviolet rays UV-A, UB-B, and UV-C can be easily separated from natural light using the diffraction grating 5.
（紫外線計測装置の構成）
紫外線計測装置１の構成を図２に基づき説明する。紫外線量計測装置１は、コリメート・ユニット３、回折格子５、紫外線センサ７、及び紫外線計測回路９を有している。コリメート・ユニット３は、外部から自然光を集光し、集光した自然光をコリメートする。スリット膜４は、コリメートされた自然光の一部を通過させる。回折格子５は、コリメートされた自然光を分光する。紫外線センサ７は、分光によって得られた紫外線を検知する。紫外線量計測回路９は、検知され紫外線の量を、所定の周波数毎に計測する。
以下において、コリメート・ユニット３、スリット膜４、回折格子５、及び紫外線センサ７の構成について説明する。
(Configuration of UV measuring device)
The configuration of the ultraviolet ray measuring apparatus 1 will be described with reference to FIG. The ultraviolet ray measuring device 1 includes a collimating unit 3, a diffraction grating 5, an ultraviolet sensor 7, and an ultraviolet ray measuring circuit 9. The collimating unit 3 collects natural light from the outside and collimates the condensed natural light. The slit film 4 allows a part of the collimated natural light to pass through. The diffraction grating 5 separates the collimated natural light. The ultraviolet sensor 7 detects ultraviolet rays obtained by spectroscopy. The ultraviolet ray amount measuring circuit 9 measures the amount of the detected ultraviolet ray for each predetermined frequency.
Below, the structure of the collimating unit 3, the slit film | membrane 4, the diffraction grating 5, and the ultraviolet sensor 7 is demonstrated.
（コリメート・ユニットの構成）
コリメート・ユニット３の構成を図２及び図３に基づき説明する。コリメート・ユニット３は、石英ガラス板３１、金属膜３３、ピンホール３５、及びバイナリーレンズ３７を有している。
石英ガラス板３１の厚さｔ３１は、本実施例では、１ｍｍである。
金属膜３３は、本実施例では、例えばニッケル膜により構成される。金属膜３３は、石英ガラス板３１の表面に形成される。 金属膜３３の厚さｔ３３は、本実施例では、０．２ｍｍである。
ピンホール３５は、金属膜３３内に形成される。なお、ピンホール３５の直径は、本実施例では、直径５μｍある。ピンホール３５を矢印ａ１側から見た顕微鏡写真を図３Ａに示す。
(Configuration of collimator unit)
The configuration of the collimating unit 3 will be described with reference to FIGS. The collimating unit 3 includes a quartz glass plate 31, a metal film 33, a pinhole 35, and a binary lens 37.
In this embodiment, the thickness t31 of the quartz glass plate 31 is 1 mm.
In the present embodiment, the metal film 33 is made of, for example, a nickel film. The metal film 33 is formed on the surface of the quartz glass plate 31. The thickness t33 of the metal film 33 is 0.2 mm in this embodiment.
The pinhole 35 is formed in the metal film 33. The diameter of the pinhole 35 is 5 μm in this embodiment. A photomicrograph of the pinhole 35 viewed from the arrow a1 side is shown in FIG. 3A.
バイナリーレンズ３７は、石英ガラス板３１の内部に形成される。バイナリーレンズ３７は、石英ガラス３１の内部に周期構造をしたリング状の屈折率変化領域を形成したものである。石英ガラス板３１の内部にバイナリーレンズ３７を形成することによって、石英ガラスにレンズ機能を付加することができる。バイナリーレンズ３７の直径は、本実施例では、直径１２０μｍある。バイナリーレンズ３７は、フェムト秒レーザーを用いて石英ガラス板３１の内部に形成される。なお、バイナリーレンズ３７の中心軸を軸ＡＸ１とする。軸ＡＸ１は、図２に示す光学系の中心軸に該当する。石英ガラス板３１の内部に形成されたバイナリーレンズ３７を矢印ａ１側から見た顕微鏡写真を図３Ｂに示す。 The binary lens 37 is formed inside the quartz glass plate 31. The binary lens 37 is formed by forming a ring-shaped refractive index change region having a periodic structure inside the quartz glass 31. By forming the binary lens 37 inside the quartz glass plate 31, a lens function can be added to the quartz glass. The diameter of the binary lens 37 is 120 μm in this embodiment. The binary lens 37 is formed inside the quartz glass plate 31 using a femtosecond laser. Note that the central axis of the binary lens 37 is defined as an axis AX1. The axis AX1 corresponds to the central axis of the optical system shown in FIG. FIG. 3B shows a photomicrograph of the binary lens 37 formed inside the quartz glass plate 31 as viewed from the arrow a1 side.
（スリット膜の構成）
スリット膜４の構成を図２に基づき説明する。スリット膜４は、ニッケル膜による構成されている。スリット膜４は、回折格子５の入射面Ｐ１上に配置される。スリット膜４は、回折格子５の入射面Ｐ１まで貫通するスリット４１を一つ有している。
図４に示すように、スリット４１は、長方形上の孔により形成されており、幅１００μｍ、深さ２ｍｍ、長さ５００μｍである。なお、スリット５１における深さとは、コリメートされた自然光の進行方向（矢印ＡＸ１）に沿う方向の上記の孔の長さをいう。
(Structure of slit film)
The configuration of the slit film 4 will be described with reference to FIG. The slit film 4 is composed of a nickel film. The slit film 4 is disposed on the incident surface P <b> 1 of the diffraction grating 5. The slit film 4 has one slit 41 that penetrates to the incident surface P 1 of the diffraction grating 5.
As shown in FIG. 4, the slit 41 is formed by a rectangular hole and has a width of 100 μm, a depth of 2 mm, and a length of 500 μm. The depth in the slit 51 refers to the length of the hole in the direction along the traveling direction of the collimated natural light (arrow AX1).
長方形の孔を形成する面Ｐ４１〜Ｐ４４は、回折格子５の入射面Ｐ１に対して垂直に形成されている。つまり、スリット４１は、回折格子５の入射面Ｐ１に対して、垂直に形成されている。回折格子５の入射面Ｐ１上にスリット膜４を配置することによって、スリット４１を通過するコリメートされた自然光を回折格子の入射面Ｐ１に垂直に当てることができる。 Surfaces P <b> 41 to P <b> 44 that form rectangular holes are formed perpendicular to the incident surface P <b> 1 of the diffraction grating 5. That is, the slit 41 is formed perpendicular to the incident surface P <b> 1 of the diffraction grating 5. By disposing the slit film 4 on the incident surface P1 of the diffraction grating 5, collimated natural light passing through the slit 41 can be applied perpendicularly to the incident surface P1 of the diffraction grating.
なお、スリット膜４は、例えば、ニッケルのＣＶＤによって形成し、スリット５１は、 例えば、リソグラフィにより形成する。 The slit film 4 is formed by nickel CVD, for example, and the slit 51 is formed by lithography, for example.
（回折格子の構成）
回折格子５の構成を図２に基づき説明する。回折格子５は、コリメート・ユニット３によってコリメートされる自然光の進行方向（軸ＡＸ１に沿う矢印ａ１方向）に対して、当該自然光が入射する入射面Ｐ１が垂直となるように配置される。このように、コリメートされた自然光の進行方向に対して、回折格子５を垂直に配置することによって、ひいては回折格子５内部の回折格子を垂直に配置することによって、自然光の分光が可能となる。
本実施例における紫外線計測装置１では、回折格子５において、波長２００ｎｍ〜４００ｎｍの紫外線を約３０ｎｍピッチで分光することが可能であり、自然光から紫外線ＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂ、ＵＶ−Ｃを分光することが可能となっている。なお、本実施例における回折格子５の内部に形成する回折格子は、図５に示すように、格子周期ｄ５１が５００ｎｍ、開口径ｄ５３が２５０ｎｍである。
また、回折格子５は、例えば、石英ガラス板の表面に形成された紫外線硬化樹脂にレーザーの干渉光を照射し、干渉光が照射された紫外線硬化樹脂だけを硬化させる方法によって生成される。
(Configuration of diffraction grating)
The configuration of the diffraction grating 5 will be described with reference to FIG. The diffraction grating 5 is arranged such that the incident surface P1 on which the natural light is incident is perpendicular to the traveling direction of natural light collimated by the collimating unit 3 (the direction of the arrow a1 along the axis AX1). As described above, by disposing the diffraction grating 5 perpendicularly to the traveling direction of the collimated natural light, and thus arranging the diffraction grating inside the diffraction grating 5 perpendicularly, the natural light can be dispersed.
In the ultraviolet ray measuring apparatus 1 according to the present embodiment, the diffraction grating 5 can split ultraviolet rays having a wavelength of 200 nm to 400 nm at a pitch of about 30 nm, and spectrally separate ultraviolet rays UV-A, UV-B, and UV-C from natural light. It is possible to do. As shown in FIG. 5, the diffraction grating formed inside the diffraction grating 5 in this embodiment has a grating period d51 of 500 nm and an aperture diameter d53 of 250 nm.
The diffraction grating 5 is generated by, for example, a method of irradiating an ultraviolet curable resin formed on the surface of a quartz glass plate with laser interference light and curing only the ultraviolet curable resin irradiated with the interference light.
（紫外線センサの構成）
図２における紫外線センサ７は、窒化ガリウムを含む受光素子（窒化ガリウム系受光素子）によって構成されている。窒化ガリウムは、３００ｎｍ付近に受光のピークが存在することから、紫外線センサ７において、紫外線のうち２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長を有するものを効率よく受光させることができる。
(Configuration of UV sensor)
The ultraviolet sensor 7 in FIG. 2 includes a light receiving element (gallium nitride based light receiving element) containing gallium nitride. Since gallium nitride has a light reception peak in the vicinity of 300 nm, the ultraviolet sensor 7 can efficiently receive light having a wavelength of 200 nm to 400 nm among ultraviolet rays.
また、窒化ガリウム系受光素子は、特性の劣化が少なく、耐久性がよいという特徴がある。このため、窒化ガリウム系受光素子を用いた紫外線計測装置１は、長期間の使用に十分に耐えることができる。 Further, the gallium nitride-based light receiving element is characterized by little deterioration in characteristics and good durability. For this reason, the ultraviolet ray measuring apparatus 1 using the gallium nitride-based light receiving element can sufficiently withstand long-term use.
なお、窒化ガリウムとその他の物質（例えば、アルミニウム）を混合することによって、紫外線センサ７が受光する紫外線のピーク波長を調整することができる。例えば、アルミニウムを混合することによって、受光波長のピークをより短波長側にさせることができる。紫外線計測装置１では、紫外線センサ７において、紫外線ＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂ、ＵＶ−Ｃを受光させるように、窒化ガリウムとその他の物質との混合比率を調整している。 The peak wavelength of the ultraviolet light received by the ultraviolet sensor 7 can be adjusted by mixing gallium nitride and another substance (for example, aluminum). For example, by mixing aluminum, the peak of the received light wavelength can be made shorter. In the ultraviolet ray measuring apparatus 1, the mixing ratio of gallium nitride and other substances is adjusted so that the ultraviolet ray sensor 7 receives ultraviolet rays UV-A, UV-B, and UV-C.
（分光確認）
紫外線計測装置１における紫外線ＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂ、ＵＶ−Ｃの分光確認試験をおこなった。日本においては、自然光が少ないことから、分光をより確実に確認できるように、紫外線ＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂ、ＵＶ−Ｃを比較的多く含むキセノンランプ（Ｘｅランプ）を光源とするＸｅランプ・ビーム光を用いている。
実験に用いた紫外線計測実験装置５１の構成を図６に示す。紫外線計測実験装置５１では、ニッケル膜４を光の入射面Ｐ１に有する回折格子５を所定の支持台６１の上に配置し、回折格子５の下に窒化ガリウム系受光素子を複数配置した紫外線センサ７を配置している。Ｘｅランプ・ビーム光は矢印ａ６方向から、回折格子５に入射する。
(Spectral confirmation)
The ultraviolet ray UV-A, UV-B, and UV-C spectral confirmation tests in the ultraviolet ray measuring apparatus 1 were performed. In Japan, since there is little natural light, a Xe lamp with a xenon lamp (Xe lamp) containing a relatively large amount of ultraviolet rays UV-A, UV-B, and UV-C as a light source can be confirmed more reliably. Beam light is used.
The configuration of the ultraviolet ray measurement experimental apparatus 51 used for the experiment is shown in FIG. In the ultraviolet ray measuring experimental apparatus 51, an ultraviolet sensor in which a diffraction grating 5 having a nickel film 4 on a light incident surface P1 is arranged on a predetermined support base 61 and a plurality of gallium nitride-based light receiving elements are arranged under the diffraction grating 5. 7 is arranged. The Xe lamp beam light enters the diffraction grating 5 from the direction of the arrow a6.
図６における領域Ｒ１の拡大図を図７に示す。図７には、紫外線計測実験装置５１における主要な実測値を示す。スリット４１を有するニッケル膜４の厚さは１ｍｍ、回折格子５の厚さは３ｍｍである。また、紫外線センサ７は、回折格子５の下面から８ｍｍの位置に配置される。
スリット４１は、照射されるＸｅランプ・ビーム光の中心から２ｍｍずれた位置に設けられる。スリット４１の幅ｄ１は、１００μｍである。
An enlarged view of the region R1 in FIG. 6 is shown in FIG. FIG. 7 shows main actual measurement values in the ultraviolet ray measurement experimental apparatus 51. The thickness of the nickel film 4 having the slits 41 is 1 mm, and the thickness of the diffraction grating 5 is 3 mm. The ultraviolet sensor 7 is disposed at a position 8 mm from the lower surface of the diffraction grating 5.
The slit 41 is provided at a position shifted by 2 mm from the center of the irradiated Xe lamp / beam light. The width d1 of the slit 41 is 100 μm.
図７における光学系では、紫外線センサ７において、波長２００ｎｍの紫外線をスリット４１の中心から１．４ｍｍの位置に、波長４００ｎｍの紫外線をスリット４１の中心から３．１ｍｍの位置に、それぞれ分光する。
紫外線計測実験装置５１を用いた実験により得られた結果を図８に示す。図８Ａは、横軸に検出した波長（紫外域）を、縦軸にそのカウント数を示す。また図８Ｂは、横軸に検出した波長（紫外域）を、縦軸にその相対感度を示す。
In the optical system in FIG. 7, the ultraviolet sensor 7 separates ultraviolet light having a wavelength of 200 nm at a position 1.4 mm from the center of the slit 41 and ultraviolet light having a wavelength of 400 nm at a position 3.1 mm from the center of the slit 41.
The result obtained by the experiment using the ultraviolet ray measurement experimental apparatus 51 is shown in FIG. FIG. 8A shows the detected wavelength (ultraviolet region) on the horizontal axis and the count number on the vertical axis. FIG. 8B shows the detected wavelength (ultraviolet region) on the horizontal axis and the relative sensitivity on the vertical axis.
このことから、紫外線計測事件装置５１と同様の構成を有する紫外線計測装置１は、自然光から紫外線ＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂ、ＵＶ−Ｃを分光することが可能であることが確認できる。 From this, it can be confirmed that the ultraviolet ray measuring device 1 having the same configuration as the ultraviolet ray measuring event device 51 can split ultraviolet rays UV-A, UV-B, and UV-C from natural light.
（ａ）光の集光に関して
前述の実施例１においては、自然光を集光するに当たって、ピンホール３５を用いたが、光を集光できるものであれば、例示のものに限定されない。例えば、全方位集光レンズを用いるようにしてもよい。全方位集光レンズの一例を図９に示す。図９に示すように、全方位集光レンズ３９は、球形のレンズであり、例えば、直径１〜２ｍｍのものを用いることができる。
また、図１０に示すように、全方位集光レンズは、半球状のレンズであり、例えば、直径１〜２ｍｍのものを用いることができる。
(A) Concentration of light In the above-described first embodiment, the pinhole 35 is used for condensing natural light. However, the present invention is not limited to the example as long as the light can be condensed. For example, an omnidirectional condenser lens may be used. An example of the omnidirectional condenser lens is shown in FIG. As shown in FIG. 9, the omnidirectional condenser lens 39 is a spherical lens, and for example, a lens having a diameter of 1 to 2 mm can be used.
Also, as shown in FIG. 10, the omnidirectional condenser lens is a hemispherical lens, and for example, a lens having a diameter of 1 to 2 mm can be used.
（ｂ）スリットに関して
前述の実施例１においては、バイナリーレンズ３７を用いて自然光を平行光に調整したとしても、完全な平行光にできなかった自然光を除去するためにスリット４１を用いたが、完全な平行光による分光に対する影響が問題とならない程度であるならば、スリット４１を用いなくともよい。
(B) Regarding the slit In the above-described first embodiment, the slit 41 is used to remove the natural light that could not be converted into the parallel light even if the binary light 37 was used to adjust the natural light to the parallel light. If the effect of the parallel light on the spectrum is not a problem, the slit 41 need not be used.
（ｃ）バイナリーレンズに関して
前述の実施例１においては、石英ガラス板３１の内部に形成したバイナリーレンズ３７を用いて自然光を平行光に調整したが、自然光を平行光に調整できるものであれば、例示のものに限定されない。例えば、バイナリーレンズ３７以外のレンズを用いた光学系を用いてもよい。
(C) Regarding the binary lens In the above-described first embodiment, natural light is adjusted to parallel light using the binary lens 37 formed inside the quartz glass plate 31, but if natural light can be adjusted to parallel light, It is not limited to the example. For example, an optical system using a lens other than the binary lens 37 may be used.
（ｄ）石英ガラス
前述の実施例１においては、バイナリーレンズ３７及び回折格子５は石英ガラスを用いて生成したが、紫外線を透過できるものであれば、これに限定されない。例えば、サファイアを用いて、バイナリーレンズ、回折格子を生成するようにしてもよい。また、紫外線を透過する特殊樹脂を用いるようにしてもよい。
(D) Quartz glass In Example 1 described above, the binary lens 37 and the diffraction grating 5 are generated using quartz glass, but the invention is not limited to this as long as it can transmit ultraviolet rays. For example, binary lenses and diffraction gratings may be generated using sapphire. Moreover, you may make it use the special resin which permeate | transmits an ultraviolet-ray.
（ｅ）検知紫外線
前述の実施例１においては、回折格子５によって紫外線ＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂ、ＵＶ−Ｃを分光するとしたが、例示の紫外線に限定されない。
(E) Detection Ultraviolet In the above-described first embodiment, the ultraviolet rays UV-A, UV-B, and UV-C are spectrally separated by the diffraction grating 5, but are not limited to the exemplified ultraviolet rays.
本発明に係る皮膚の透明感評価装置は、幼児期から成人時期まで長期間使用でき、波長別、被爆累積量を表示できる紫外線センサに用いることができる。また、気象庁、公的機関向けの高感度、長寿命の紫外線測定器に用いることもできる。 The skin transparency evaluation apparatus according to the present invention can be used for a long time from an infant period to an adult period, and can be used for an ultraviolet sensor capable of displaying a cumulative amount of exposure by wavelength. It can also be used for high-sensitivity, long-life UV measuring instruments for the Japan Meteorological Agency and public institutions.
１ 紫外線計測装置
３ コリメート・ユニット
３１ 石英ガラス板
３３ 金属膜
３５ ピンホール
３７ バイナリーレンズ
３９ 全方位集光レンズ
４ ニッケル膜
４１ スリット
５ 回折格子
７ 紫外線センサ
９ 紫外線量計測回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultraviolet measuring device 3 Collimating unit 31 Quartz glass plate 33 Metal film 35 Pinhole 37 Binary lens 39 Omnidirectional condensing lens 4 Nickel film 41 Slit 5 Diffraction grating 7 Ultraviolet sensor 9 Ultraviolet quantity measuring circuit
Claims (13)
光を集光する集光手段と、
集光された光を平行光に調整する平行光調整手段と、
前記平行光が垂直に入射される入射面を有する回折格子と、
前記回折格子により分光された紫外線を受光する紫外線受光素子と、
を備えたことを特徴とする紫外線検知装置。 An ultraviolet detector that detects ultraviolet rays,
A light collecting means for collecting the light;
Parallel light adjusting means for adjusting the collected light to parallel light;
A diffraction grating having an incident surface on which the parallel light is incident vertically;
An ultraviolet light receiving element for receiving ultraviolet light dispersed by the diffraction grating;
An ultraviolet detection device comprising:
前記回折格子の入射面側に配置され、貫通するスリットを有するスリット手段、
を有し、
前記スリットは、前記回折格子の入射面に対して垂直に形成されていること、
を特徴とする請求項１の紫外線検知装置。 The parallel light adjusting means includes:
Slit means disposed on the incident surface side of the diffraction grating and having a slit therethrough;
Have
The slit is formed perpendicular to the incident surface of the diffraction grating;
The ultraviolet detection device according to claim 1.
光を入射するバイナリーレンズを有すること、
を特徴とする請求項１の紫外線検知装置。 The parallel light adjusting means includes:
Having a binary lens for incident light;
The ultraviolet detection device according to claim 1.
を特徴とする請求項３の紫外線検知装置。 The binary lens is formed inside a glass member;
The ultraviolet detection device according to claim 3.
光を集光するためのピンホールを有すること、
を特徴とする請求項１に記載の紫外線検知装置。 The light collecting means includes
Having a pinhole to collect the light,
The ultraviolet detection device according to claim 1.
光を集光するための全方位集光レンズを有すること、
を特徴とする請求項１に記載の紫外線検知装置。 The light collecting means includes
Having an omnidirectional condensing lens for condensing light,
The ultraviolet detection device according to claim 1.
を特徴とする請求項６に記載の紫外線検知装置。 The omnidirectional condenser lens is a spherical lens or a hemispherical lens;
The ultraviolet detection device according to claim 6.
前記平行光調整手段としてバイナリーレンズを用い、
前記球状レンズ若しくは半球状レンズと前記バイナリーレンズを石英ガラスに形成した集光・並行調整層と、
前記回折格子を形成した回折格子層と、
前記紫外線受光素子を２次元アレイ状に並置した受光素子層と、
前記回折格子層と前記受光素子層の間に設けられた空間により形成されるスペーサー層と、
４層構造を備えたことを特徴とする紫外線検知装置。 Using a spherical lens or a hemispherical lens as the condensing means,
Using a binary lens as the parallel light adjusting means,
A condensing / parallel adjustment layer in which the spherical lens or hemispherical lens and the binary lens are formed on quartz glass;
A diffraction grating layer forming the diffraction grating;
A light receiving element layer in which the ultraviolet light receiving elements are juxtaposed in a two-dimensional array;
A spacer layer formed by a space provided between the diffraction grating layer and the light receiving element layer;
An ultraviolet detector having a four-layer structure.
前記回折格子層が２ｍｍ以下であり、
前記スペーサー層が１４ｍｍ以下であり、
前記受光素子層が１ｍｍ以下で構成されることを特徴とする請求項８に記載の紫外線検知装置。 The condensing / parallel adjustment layer is 5 mm or less,
The diffraction grating layer is 2 mm or less,
The spacer layer is 14 mm or less,
The ultraviolet detection device according to claim 8, wherein the light receiving element layer is configured to be 1 mm or less.
を有する請求項１〜請求項９に係るいずれかの紫外線検知装置。 UV measuring means to measure the amount of detected UV,
The ultraviolet detection device according to claim 1, comprising:
窒化ガリウムを含む受光素子を有すること、
を特徴とする請求項１０の紫外線検知装置。 The ultraviolet light receiving element is
Having a light receiving element containing gallium nitride;
The ultraviolet detection device according to claim 10.
紫外線を含む光を集光し、
集光した光を平行光に調整し、
平行光に調整した光を入射光として回折格子の入射面に入射し、
回折格子により分光された紫外線を受光すること、
を特徴とする紫外線検知方法。 An ultraviolet detection method for detecting ultraviolet rays,
Condenses light including ultraviolet rays,
Adjust the collected light to parallel light,
The light adjusted to parallel light is incident on the incident surface of the diffraction grating as incident light,
Receiving ultraviolet rays dispersed by a diffraction grating;
A method for detecting ultraviolet rays.
集光した光をガラス部材の内部に構成されたバイナリーレンズに入射し、
前記バイナリーレンズを透過した光を、
前記バイナリーレンズの中心軸と平行な方向に貫通するスリットに入射すること、
を特徴とする紫外線調整方法。
An ultraviolet adjustment method for adjusting condensed light to parallel light,
The condensed light is incident on a binary lens configured inside the glass member,
The light transmitted through the binary lens,
Incident on a slit penetrating in a direction parallel to the central axis of the binary lens;
A method for adjusting ultraviolet rays.
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