(57)【要約】【課題】  冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長１．８μｍ以上に拡大したＩｎＰ系フォトダイオードを用いて、水分を高感度で検出することができる水分検出装置等を提供する。【解決手段】  受光層３がＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造を有し、ｐｎ接合１５は、不純物元素を受光層内に選択拡散して形成したものであり、受光層における不純物濃度が、５×１０１６／ｃｍ３以下であり、検出装置は、波長３μｍ以下の水の吸収帯に含まれる、少なくとも１つの波長の光を受光して、水分を検出することを特徴とする。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｎ接合を受光層に含む受光素子またはその受光素子のアレイを備え、検査対象物の水分を検出する装置であって、
前記受光層がＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造を有し、
前記ｐｎ接合は、不純物元素を受光層内に選択拡散して形成したものであり、
前記受光層における前記不純物濃度が、５×１０１６／ｃｍ３以下であり、
前記検出装置は、検査対象物から反射された光のうち、第１波長域１．３５μｍ以上１．８μｍ未満、第２波長域１．８μｍ以上２．０μｍ未満、および第３波長域２．５μｍ以上３．０μｍ未満の、３つの波長域のうち、少なくとも２つの波長域の光に対して感度を有しており、当該感度を有する波長域のうちの１つ以上の波長域の光を用いて、水分を検出することを特徴とする、水分検出装置。
【請求項２】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造はＩＩＩ−Ｖ族半導体基板上に形成されたものであり、前記基板と反対側の前記受光層の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の拡散濃度分布調整層を備え、その拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギが、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板のバンドギャップエネルギより小さいことを特徴とする、請求項１に記載の水分検出装置。
【請求項３】
前記拡散濃度分布調整層内において、前記不純物元素の濃度が、前記受光層と接する面と反対の面側における１×１０１８／ｃｍ３〜３×１０１９／ｃｍ３から前記受光層側における５×１０１６／ｃｍ３以下に低下することを特徴とする、請求項２に記載の水分検出装置。
【請求項４】
前記受光層を構成する多重量子井戸構造がタイプＩＩの量子井戸構造であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の水分検出装置。
【請求項５】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造はＩｎＰ基板上に形成されており、前記受光層がＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造、またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造であることを特徴とする、請求項４に記載の水分検出装置。
【請求項６】
前記ＩｎＰ基板は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に、５°〜２０°傾斜したオフアングル基板であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の水分検出装置。
【請求項７】
前記不純物元素が亜鉛（Ｚｎ）であり、前記拡散濃度分布調整層がＩｎＧａＡｓから形成されていることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１つに記載の水分検出装置。
【請求項８】
前記拡散濃度分布調整層の上にＩｎＰ窓層を備えることを特徴とする、請求項２〜７のいずれか１つに記載の水分検出装置。
【請求項９】
検査対象物の前または後に位置して光を分光する分光部と、前記分光された波長に応じて位置する複数の前記受光素子または受光素子アレイと、前記受光素子または受光素子アレイで受光した結果に基づき演算をして水分を算出する制御部とを備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の水分検出装置。
【請求項１０】
前記受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、該撮像装置により前記検査対象物の水分布像を形成することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の水分検出装置。
【請求項１１】
人工の光源を備えないことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の水分検出装置。
【請求項１２】
光源に、スーパーコンティニウム光源（ＳＣ光源）または発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の水分検出装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の水分検出装置を備え、生体中の水分を検出することを特徴とする、生体中水分検出装置。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の水分検出装置を備え、自然産物中の水分を検出することを特徴とする、自然産物中水分検出装置。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の水分検出装置を備え、産業活動の対象となる、原料、中間製品、製品、廃棄物などの製品・材料中の水分を検出することを特徴とする、製品・材料中水分検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水分検出装置、生体中水分検出装置、自然産物中水分検出装置、および製品・材料中水分検出装置に関し、より具体的には、冷却なしで近赤外域の長波長域にまで高い感度をもつ受光素子を用いた、水分検出装置、生体中水分検出装置、自然産物中水分検出装置、および製品・材料中水分検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水分、生体成分、医薬品、環境関連物質等は、近赤外域に吸収帯を持つので、近赤外分光法は、非侵襲の分析法として注目され、研究および実用化が急速に進んでいる。また、昼夜を問わず地表に到達する宇宙光は、近赤外域に複数の発光帯を持つので、その地表物体からの反射光の撮像法が民生および軍事の用途に研究と実用化が進行している。上記の近赤外分光による分析では、出力信号に、必要な情報と、受光素子に起因する大きなノイズが含まれている。このため、センサ（受光素子）の性能向上に全面的に頼らずに、出力信号について必要な情報を抽出するために、分光学的方法またはケモメトリックスなどが重要な手法として用いられてきた。
【０００３】
上記センサ（受光素子）は、近赤外域では、電子管タイプと固体素子のフォトダイオード（ＰＤ）とに、大別される。このなかで、ＰＤは、小型で、一次元アレイおよび二次元アレイなどの高集積化が容易なので、多くの研究開発が行われている。本発明は、ＰＤを用いた水分検出装置を対象にする。現在、次のようなＰＤ、またはＰＤアレイが用いられている。
（１）赤外域にまで受光感度を持ち、近赤外域にも受光感度をもつＰＤ、またはそのアレイ。このようなフォトダイオードには、たとえばゲルマニウム（Ｇｅ）系ＰＤ、硫化鉛（ＰｂＳ）系ＰＤ、ＨｇＣｄＴｅ系ＰＤ、またはその一次元アレイ、二次元アレイがある。
（２）ＩｎＰ系ＰＤ、そのＩｎＰ系ＰＤの範疇に入るＩｎＧａＡｓ系ＰＤ、またはそのアレイ。これらは、近赤外域の波長１．７μｍ以下に受光感度を持つ。ここで、ＩｎＰ系ＰＤとは、ＩｎＰ基板に形成されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の受光層を含むＰＤをいい、ＩｎＧａＡｓ系ＰＤも含まれる。
【０００４】
上記のフォトダイオードのうち、（１）は、ノイズを抑制するため冷却する場合が多く、たとえば液体窒素温度（７７Ｋ）やペルチエ素子で稼動させるものが多い。このため民生用の装置としては大掛かりになり、ハンディ型やショルダー型のポータブル近赤外分光計、またはデジタルカメラ等には不適である。しかし、中には硫化鉛（ＰｂＳ）のように、室温で稼動可能なセンサもある。ただし、硫化鉛を用いても、常温では受光可能な波長域が限定される。（２）一方、ＩｎＰ系ＰＤの短所は、（Ｉ）ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓは暗電流が低いが、受光感度が近赤外域の１．７μｍ以下の波長域に限定されること、および（ＩＩ）受光可能な波長域を２．６μｍまで拡大したｅｘｔｅｎｄｅｄ−ＩｎＧａＡｓでは暗電流が大きく、冷却する必要があること、である。したがって、ＩｎＰ系ＰＤでは、水の大きな吸収帯の１．９μｍ付近の光を用いることができないか、または用いるためにはセンサを冷却する必要がある。
【０００５】
これまでの水分検出において、どのような受光素子を用いているかを以下に示す。
（Ｃ１）常温で硫化鉛（ＰｂＳ）を用いて、水の吸収帯のうち、波長１．８μｍ〜１．９５μｍの吸収帯を、水分含有率の測定に用いる方法が開示されている（特許文献１、２）。
（Ｃ２）赤外線撮像素子によって、波長１．２μｍ〜２μｍの光によって画像を形成する方法が開示されている（特許文献３、４）。この方法では、赤外線撮像素子の内容は明記していないが、液体窒素またはペルチエ素子によって冷却されたＰｂＳ系ＰＤの二次元アレイが用いられていると考えられる。
（Ｃ３）ＩｎＧａＡｓＰＩＮフォトダイオードを用いた測定装置を用いたものもある（特許文献５、６）。また、使用する波長域からＩｎＧａＡｓＰＩＮフォトダイオードと推定される水分検出方法の提案もある（特許文献７）。
（Ｃ４）赤外線検出器にどのような素子を用いているか、明確な記述がないものも多い（特許文献８〜１１）。この場合、赤外線センサまたは赤外線検出器という名称を受光部（赤外線を受けて電圧を発生する素子）に用いていること、および測定に用いる波長から、（Ｃ１）の硫化鉛またはそれに類似のものである可能性が高い。
【０００６】
ＩｎＧａＡｓＰＩＮフォトダイオードについては、受光感度を近赤外の長波長側まで拡大する課題がある。しかし、受光感度を波長１．７μｍ以上に拡大した上で、ノイズや暗電流を抑制するという点で、まだ満足できる段階にいたっていない（非特許文献１、２、および特許文献１２、１３）。
【非特許文献１】T.Murakami, H.Takahashi, M.Nakayama, Y.Miura, K.Takemoto, D.Hara,"InxGa1-xAs/InAsyP1-y  detector  for near infrared(1-2.6μm)", Conference Proceedings  of  Indium  Phosphide  and Related  Materials  1995, May, Sapporo, pp.528-531
【非特許文献２】R.Sidhu,"A Long-Wavelength Photodiode  on  InP Using  Lattice-Matched  GaInAs-GaAsSb Type-II  Quantum  Wells, IEEE  Photonics  Technology  Letters,  Vol.17, No.12(2005),  pp.2715-2717
【特許文献１】特開平６−８６９０２号公報
【特許文献２】特開２００３−３４４２７９号公報
【特許文献３】特開平５−３４２８１号公報
【特許文献４】特開２００１−１１６６８９号公報
【特許文献５】特開平８−８６７４９号公報
【特許文献６】特開２００７−３４４２７９号公報
【特許文献７】特開平１１−９８９７号公報
【特許文献８】特開平７−２６０６８０号公報
【特許文献９】特開平７−１５９３１４号公報
【特許文献１０】特開２００３−３４４２７８号公報
【特許文献１１】特開平１０−１１８１０８号公報
【特許文献１２】特開平９−２１９５６３号公報
【特許文献１３】特開２００１−１４４２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
液体窒素またはペルチエ素子による冷却が不要で、近赤外域の長波長側に受光感度を有する受光素子および受光素子アレイは、上記説明を省略した文献（特許文献１１、１２、非特許文献１，２）に示すように、いくつかの候補はある。しかし、結晶性の低さ、高い暗電流、製造の困難性等に阻まれ、実用上克服すべき困難な課題が多く、開発途上にある。このため、冷却機構を設けないフォトダイオードを用いた測定では、ノイズが多くなり、精度良く測定することが困難である。特に微量の水分量の検知において問題となる。
【０００８】
上記引用文献にあげた水分の分析方法において、受光素子自体の感度を問題にしたものはなく、すべて、水分が含まれている対象物の性状に応じて、どのような分析をするのがよいかという提案がなされている。しかしながら、受光素子自体の性能を向上させて、その性能向上の内容に応じて、検査対象物にとって適切な水分検出装置を得ることは、意義の高いことである。すなわち、冷却機構なしで暗電流を抑制したフォトダイオードを用いて近赤外分光が行えるようになれば、簡単に有用な情報を高感度で得ることができることになり、その多くの利用分野の発展を促すことができる。
【０００９】
本発明は、冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長１．７μｍ以上に拡大したＩｎＰ系フォトダイオードを用いて、水分を高感度で検出することができる水分検出装置、それを用いた、生体中水分検出装置、自然産物中水分検出装置、および製品・材料中水分検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の水分検出装置は、ｐｎ接合を受光層に含む受光素子またはその受光素子のアレイを備えた、検査対象物の水分の検出装置である。この装置は、受光層がＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造を有し、ｐｎ接合は、不純物元素を受光層内に選択拡散して形成したものであり、受光層における不純物濃度が、５×１０１６／ｃｍ３以下であり、検出装置は、検査対象物から反射された光のうち、第１波長域１．３５μｍ以上１．８μｍ未満、第２波長域１．８μｍ以上２．０μｍ未満、および第３波長域２．５μｍ以上３．０μｍ未満の、３つの波長域のうち、少なくとも２つの波長域の光に対して感度を有しており、当該感度を有する波長域のうちの１つ以上の波長域の光を用いて、水分を検出することを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によって、近赤外域に対応したバンドギャップエネルギを有する多重量子井戸構造を、不純物濃度を５×１０１６／ｃｍ３以下に低くすることにより多重量子井戸構造を破壊されず、すなわち結晶性を損なわずに、形成することができる。そして、受光素子のｐｎ接合形成のための不純物が選択拡散され、すなわち周縁部から内側に平面的に周囲限定されて、個々の受光素子に分離されるように導入される。このため、各受光素子を高精度で形成しやすく、素子分離溝を設ける必要がないので、暗電流の低い受光素子を形成することができる。
【００１２】
このため、波長１μｍ〜３μｍにわたって、冷却なしで高い感度の受光をすることができる。このため、水の近赤外域の吸収帯のうち、第１の吸収帯（１．４μｍ付近に吸収のピークを持つ）、第２の吸収帯（１．９μｍ付近に吸収のピークを持つ）、および第３の吸収帯（２．９μｍ付近にピークを持ち、２．３μｍ〜３μｍ以上にわたっている広大な吸収帯）のうちの、どの吸収帯の波長でも用いることができる。ここで、検出とは、あらかじめ検量線（水濃度と、その波長での光の強度または吸収度との関係）を作成しておいて、水濃度または水含有率を求めることをいう。
【００１３】
なお、上記のｐｎ接合は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層内において、不純物元素が選択拡散で導入される側と反対の面側の領域の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）であり、上記拡散導入された不純物領域と当該ｉ領域との間に形成される接合をも含むものである。すなわち上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合またはｎｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合またはｎｉ接合におけるｐ濃度またはｎ濃度が非常に低い場合も含むものである。
【００１４】
上記の水分検出装置は、第１波長域１．３５μｍ以上１．８μｍ未満、第２波長域１．８μｍ以上２．０μｍ未満、および第３波長域２．５μｍ以上３．０μｍ未満の、３つの波長域のうち、１つ以上波長域の光を用いて、水分を検出することができる。これによって、たとえば検査対象物の構成材料によっては、その構成材料の吸収帯と重なって精度の高い測定ができない場合、そのほかの場合などに、高精度測定のために適切な波長域を選んで、水分の検出をすることができる。
【００１５】
上記のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造はＩＩＩ−Ｖ族半導体基板上に形成されたものであり、基板と反対側の受光層の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の拡散濃度分布調整層を備え、その拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギを、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板のバンドギャップエネルギより小さくするのがよい。これによって、拡散濃度分布調整層の受光層側の厚み範囲の不純物濃度を低くしても、バンドギャップエネルギが小さいために電気抵抗がＩＩＩ−Ｖ族半導体基板のバンドギャップエネルギをもつ材料を用いた場合よりも大きくならないようにできる。
【００１６】
ここで、基板のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギの拡散濃度分布調整層のより具体的な特性およびその特性とした理由は、次のとおりである。
（１）ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により近赤外域用の受光層を形成したとき、その受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを窓層に用いる場合があり、その場合、格子整合性等も考慮して、半導体基板と同じ材料が用いられることが多い。拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギは、窓層のバンドギャップエネルギより小さく、受光層のバンドギャップエネルギより大きいことを前提としている。受光層のバンドギャップエネルギより小さい場合には、エピタキシャル層表面を入射面とする構造を採用したとき、拡散濃度分布調整層が対象とする光を吸収し、受光層の受光感度を低下させるからである。
（２）窓層に通常用いられる大きなバンドギャップエネルギの材料よりも小さいバンドギャップエネルギの材料を用いることにより、不純物濃度を低くしても電気抵抗増大の程度、または電気伝導度の低下の程度を小さくすることができる。この結果、上記のように電圧印加状態において応答速度の低下を抑制できる。
【００１７】
上記の拡散濃度分布調整層内において、不純物元素の濃度を、受光層と接する面と反対の面側における１×１０１８／ｃｍ３〜３×１０１９／ｃｍ３から受光層側における５×１０１６／ｃｍ３以下に低下するようにできる。これによって、表面トップ側に位置する電極の界面抵抗を抑えながら、またはオーミック接触を可能にしながら、かつ多重量子井戸構造の良好な結晶性を確保することができる。拡散濃度分布調整層内の部分における低い不純物濃度に起因する電気抵抗の増大または電気伝導度の低下の問題は、上記のように、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをＩｎＰ相当のそれよりも小さくすることにより軽減することができる。
【００１８】
上記の受光層を構成する多重量子井戸構造を、タイプＩＩの量子井戸構造とすることができる。これにより、近赤外域の長波長側に受光感度を持つ受光素子を、適切な２つのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を選ぶことによって、実現することが容易化される可能性が出る。
【００１９】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造はＩｎＰ基板上に形成しており、受光層をＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造、またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造とすることができる。これにより、これまで蓄積した材料および技術を用いて、容易に、結晶性に優れ、暗電流の低い受光素子を得ることができる。
【００２０】
上記のＩｎＰ基板を、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に、５°〜２０°傾斜したオフアングル基板とすることができる。これによって、欠陥密度が小さく結晶性に優れた多重量子井戸構造の受光層を含む積層体を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光層を得ることができる。
【００２１】
上記の不純物元素を亜鉛（Ｚｎ）とし、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓで形成することができる。これにより、電気抵抗の不純物濃度依存性が小さく、不純物濃度が低くても電気抵抗はそれほど高くならない材料で、拡散濃度分布調整層を形成することができる。電気抵抗の増大抑制は、応答速度の劣化を防止する。また、不純物の亜鉛は、これまでの選択拡散の実績が豊富であり、高い精度で拡散領域を形成することができる。このため、拡散濃度分布調整層内で、拡散導入側の上側で高い濃度の不純物を、受光層側の下側で低い濃度としながら、その下側での電気抵抗を高めないようにできる。このため量子井戸構造を有する受光層内に、高い不純物濃度の領域を形成しないようにできる。この結果、応答性を低下させずに、結晶性の良好な量子井戸構造の受光素子を得ることができる。なお、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップエネルギは０．７５ｅＶである。
【００２２】
拡散濃度分布調整層の上にＩｎＰ窓層を備えることができる。ＩｎＰによる窓層の形成は、内部の半導体積層構造の結晶性を損なわないことから、エピタキシャル層を入射面側とする構造を採用した場合、受光層より入射側での近赤外光の吸収などを防止しながら、暗電流の抑制にも有効に作用する。また、ＩｎＰの結晶表面にパッシベーション膜を形成する技術は、他の結晶表面に形成する場合、たとえばＩｎＧａＡｓの表面にパッシベーション膜を形成する技術よりも蓄積があり、技術的に確立されており、表面での電流リークを容易に抑制することができる。
【００２３】
ここで、受光素子アレイは、受光素子が、複数、半導体積層構造を共通にし、かつ不純物元素が受光素子ごとに受光層内に選択拡散されて形成されており、一次元または二次元配列されている。この構成によれば、受光素子が個々の不純物拡散領域で形成されるため、素子分離溝を設ける必要がない。このため、高精度で形成しやすく、暗電流を低くできる受光素子アレイを形成することができる。
【００２４】
上記の検査対象物の前または後に位置して光を分光する分光部と、分光された波長に応じて位置する複数の受光素子または受光素子アレイと、受光素子または受光素子アレイで受光した結果に基づき演算をして水分を算出する制御部とを備えることができる。これによって、多波長同時検出などを、迅速に、かつ精度よく行うことができる。分光部は、回折格子などで形成するのが好ましい。また、制御部には、当然、記憶部、外部からの入力部などが含まれており、対象波長の検量線などがあらかじめ入力され、記憶されていてもよい。
【００２５】
上記の受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、その撮像装置により検査対象物の水分布像を形成することができる。これによって、感覚的に理解しやすい検査対象物の水分布像を得ることができる。
【００２６】
上記の水分検出装置は、人工の光源を備えなくてもよい。この水分検出装置に用いられる受光部は、ノイズが小さく感度が良いので、たとえばＳＷＩＲ宇宙光を光源に用いることができる。ＳＷＩＲ宇宙光は、昼夜を問わず、常時、宇宙から地球に照射されている。したがって、被検出物によっては、ＳＷＩＲ宇宙光を光源に用いて、人工の光源をとくに備えなくてもよい場合がある。  
【００２７】
また、光源に、ＳＣ光源またはＬＥＤを用いることができる。通常ハロゲンランプが光源として用いられる。ハロゲンランプは発熱するため、照射することで水分の蒸発を伴うために、水分量の測定には適さない。これに対して、ＳＣ光源やＬＥＤは発熱しないことから水分量の測定用光源に適している。
【００２８】
本発明の生体中水分検出装置は、上記のいずれか１つの水分検出装置を備え、生体中の水分を検出することを特徴とする。これによって、生体中水分を高精度で検出することが可能となる。生体は、ヒトを含む動物、魚類、鳥類、昆虫、爬虫類など、生物全般またはその生物を構成している部分をさす。
【００２９】
本発明の自然産物中水分検出装置は、上記のいずれか１つの水分検出装置を備え、自然産物中の水分を検出することを特徴とする。自然産物は、上記の生体に含まれるものであるが、とくに生体のなかでも、農林水産物など、農林水産活動の結果、生まれるものを指すこととする。これによって、農林水産活動によって生み出される自然産物中の水分を精度よく検出することが可能となる。
【００３０】
本発明の製品・材料中水分検出装置は、上記のいずれか１つの水分検出装置を備え、産業活動の対象となる、原料、中間製品、製品、日用品、廃棄物などの製品・材料中の水分を検出することを特徴とする。これによって、産業活動の対象となるすべての製品・材料中の水分を精度よく検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長１．７μｍ以上に拡大したＩｎＰ系フォトダイオードを用いて、水分を高感度で検出することができる水分検出装置、それを用いた、生体中水分検出装置、自然産物中水分検出装置、および製品・材料中水分検出装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（実施の形態１−半導体受光素子アレイの構造−）
図１は、本発明の実施の形態における受光素子１０を示す断面図である。図１によれば、受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造（エピタキシャルウエハ）を有する。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓＳｂとの多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５から多重量子井戸構造の受光層３にまで届くように位置するｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。受光素子１０の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるということは、上記ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６を用いて拡散することによって達せられる。
【００３３】
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。この場合、ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。ＩｎＰ基板１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用することもできるようになっている。
【００３４】
多重量子井戸構造の受光層３には、上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５×１０１５／ｃｍ３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置１５は、多重量子井戸の受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。すなわち図２に示す位置となる。
【００３５】
拡散濃度分布調整層４内では、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから選択拡散されたｐ型不純物の濃度が、ＩｎＰ窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層３内では、Ｚｎ濃度は５×１０１６／ｃｍ３以下の不純物濃度を容易に実現することができる。図２では、受光層３内のＺｎ濃度は、より低い１×１０１６／ｃｍ３程度以下が実現されている。
【００３６】
本発明が対象とする受光素子１０は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、窓層には、受光層３のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰが用いられる。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。
【００３７】
（本実施の形態の受光素子アレイのポイント）
本実施の形態における特徴は、次の要素で構成される点にある。
１.多重量子井戸構造は、選択拡散で不純物を高濃度に導入した場合、その構造が破壊されるため、選択拡散による不純物導入を低く抑える必要がある。通常、上記の拡散導入するｐ型不純物の濃度を５×１０１６／ｃｍ３以下とする必要がある。
【００３８】
２.上記の低いｐ型不純物の濃度を、実生産上、再現性よく安定して得るために、ＩｎＧａＡｓによる拡散濃度分布調整層４を、受光層３の上に設ける。この拡散濃度分布調整層４において、受光層側の厚み範囲が、上記のような低い不純物濃度になると、その低い不純物濃度の範囲の電気伝導性は低下し、または電気抵抗は増大する。拡散濃度分布調整層４における低不純物濃度範囲の電気伝導性が低下すると、応答性が低下して、たとえば良好な動画を得ることができない。しかしながら、ＩｎＰ相当のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギの材料、具体的には１．３４ｅＶ未満のバンドギャップエネルギを持つＩＩＩ−Ｖ族半導体材料によって拡散濃度分布調整層を形成した場合には、不純物濃度が低くても、電気伝導性は非常に大幅には低下しない。上記拡散濃度分布調整層の要件を満たすＩＩＩ−Ｖ族半導体材料として、たとえばＩｎＧａＡｓを挙げることができる。
【００３９】
拡散濃度分布調整層にバンドギャップエネルギの狭い材料を用いると、不純物濃度が低くても電気抵抗の増加を抑制することができる。逆バイアス電圧印加等に対する応答速度は、容量および電気抵抗によるＣＲ時定数で決まると考えられるので、電気抵抗Ｒの増大を、上記のように抑制することにより応答速度を短くすることができる。
【００４０】
３.本実施の形態では、多重量子井戸構造をタイプＩＩとする。タイプＩの量子井戸構造では、バンドギャップエネルギの小さい半導体層を、バンドギャップエネルギの大きい半導体層で挟みながら、近赤外域に受光感度を持たせる受光素子の場合、小さいバンドギャップエネルギの半導体層のバンドギャップにより受光感度の波長上限（カットオフ波長）が定まる。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、小さいバンドギャップエネルギの半導体層内で行われる（直接遷移）。この場合、カットオフ波長をより長波長域まで拡大する材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体内で、非常に限定される。これに対して、タイプＩＩの量子井戸構造では、フェルミエネルギを共通にして異なる２種の半導体層が交互に積層されたとき、第１の半導体の伝導帯と、第２の半導体の価電子帯とのエネルギ差が、受光感度の波長上限（カットオフ波長）を決める。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、第２の半導体の価電子帯と、第１の半導体の伝導帯との間で行われる（間接遷移）。このため、第２の半導体の価電子帯のエネルギを、第１の半導体の価電子帯より高くし、かつ第１の半導体の伝導帯のエネルギを、第２の半導体の伝導帯のエネルギより低くすることにより、１つの半導体内の直接遷移による場合よりも、受光感度の長波長化を実現しやすい。
【００４１】
４.上述のように、選択拡散マスクパターンを用いて選択拡散により、受光素子の周縁部より内側に、平面的に周囲限定してｐ型不純物を拡散導入するので、上記のｐｎ接合は受光素子の端面に露出しない。この結果、光電流のリークは抑制される。
【００４２】
図３は、上記の受光素子１０を、共通のＩｎＰ基板を含むエピタキシャルウエハに複数個配列した受光素子アレイ５０を示す断面図である。受光素子１０が複数個、素子分離溝なしに配列されている点に特徴を持つ。上述の４.で述べたように、各受光素子の内側にｐ型領域６が限定され、隣接する受光素子とは、確実に区分けされている。受光層３が多重量子井戸構造で形成されており、受光層３の上に拡散濃度分布調整層４が配置されて、受光層３内のｐ型不純物濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下とされている点などは、図１の受光素子１０と同じである。
【００４３】
次に、図１に示す受光素子１０の製造方法について説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、２μｍ厚みのＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２を成膜する。次いで、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造の受光層３を形成する。単位量子井戸構造を形成するＩｎＧａＡｓ層（またはＧａＩｎＮＡｓ層）またはＧａＡｓＳｂ層の厚みは５ｎｍであり、ペア数（単位量子井戸の繰り返し数）は３００である。次いで、受光層３の上に、Ｚｎ拡散導入の際の拡散濃度分布調整層４として、厚み１μｍのＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長し、次いで、最後に厚み１μｍのＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長する。上記の受光層３および拡散濃度分布調整層４は、ともにＭＢＥ(Molecular  Beam  Epitaxy)法によってエピタキシャル成長するのがよい。また、ＩｎＰ窓層５は、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長してもよいし、拡散濃度調整層４を成長させた後、ＭＢＥ装置から取り出して、ＭＯＶＰＥ(Metal  Organic  Vapor  Phase  Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。
【００４４】
ＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２は、ノンドープでもよいし、Ｓｉなどｎ型ドーパントを１×１０１７／ｃｍ３程度ドーピングしてもよい。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造の受光層３、ＩｎＧａＡｓの拡散濃度分布調整層４、およびＩｎＰ窓層５は、ノンドープが望ましいが、Ｓｉなどｎ型ドーパントを極微量（たとえば２×１０１５／ｃｍ３程度）ドーピングしてもよい。また、ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１×１０１８／ｃｍ３程度ドープしたｎ側電極を形成するための高濃度のｎ側電極形成層を挿入してもよい。また、ＩｎＰ基板１は、Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板であってもよい。この場合は、その半絶縁性ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１×１０１８／ｃｍ３程度ドープしたｎ側電極形成層を挿入する。
【００４５】
上述のＩｎＰ基板１を含む積層構造（エピタキシャルウエハ）を用いて、光デバイスを製造する。ＩｎＰ窓層５の表面５ａに形成したＳｉＮマスクパターン３６を用いて、その開口部からＺｎを選択拡散してＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３内に届くようにｐ型領域６を形成する。ｐ型領域６のフロント先端部がｐｎ接合１５を形成する。このとき、Ｚｎ濃度が１×１０１８／ｃｍ３程度以上の高濃度領域は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内に限定される。すなわち、上記高濃度不純物分布は、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから深さ方向に、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内にまで連続し、さらに拡散濃度分布調整層４内のより深い位置で５×１０１６／ｃｍ３以下に低下する。そして、ｐｎ接合１５の近傍におけるＺｎ濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。
【００４６】
受光素子１０の一次元または二次元配列、すなわち図３に示す受光素子アレイは、素子分離用のメサエッチングをすることなくＺｎの選択拡散（受光素子の周縁部の内側になるように平面的に周囲限定した拡散）によって、隣り合う受光素子どうし分離する。すなわち、Ｚｎ選択拡散領域６が１つの受光素子１０の主要部となり、１つの画素を形成するが、Ｚｎが拡散していない領域が、各画素を分離する。このため、メサエッチングに付随する結晶の損傷などを受けることがなく、暗電流を抑制することができる。
【００４７】
不純物の選択拡散によってｐｎ接合を形成する場合、拡散が深さ方向だけでなく横方向（深さ直交方向）にも進行するので、素子間隔を一定以上、狭くすることができない懸念が、上記特許文献２に表明されている。しかしながら、実際にＺｎの選択拡散を行ってみると、最表面にＩｎＰ窓層５があり、その下にＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が配置された構造では、横方向の拡散は、深さ方向と同程度またはそれ以下に収まることが確認された。すなわち、Ｚｎの選択拡散において、Ｚｎはマスクパターンの開口径よりも横方向に広がるが、その程度は小さく、図１、図３などに模式的に示すように、マスクパターン開口部よりも少し広がるだけである。
【００４８】
図４は、本発明とは異なる参考例１における受光素子１１０を示す断面図である。参考例１の受光素子１１０では、次の積層構造を有する。
（ＩｎＰ基板１０１／ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓバッファ層１０２／（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層１０３／ＩｎＰ窓層１０５）
本発明の実施の形態における積層構造と比較して、拡散濃度分布調整層がないことが相違点である。すなわち、ＩｎＰ窓層１０５の直下に、多重量子井戸構造の受光層１０３が配置されている。
【００４９】
拡散濃度分布調整層がないと、図５に示すように、たとえばＺｎ濃度分布は多重量子井戸構造の受光層１０３まで高い濃度となる。すなわち、多重量子井戸構造内において、５×１０１６／ｃｍ３を超えて１×１０１８／ｃｍ３の高い不純物濃度領域が形成される。多重量子井戸構造に高濃度不純物が導入されると、その構造が破壊され、暗電流が大きく増大する。逆に、このような高濃度不純物領域が、多重量子井戸構造内に形成されないようにするために、拡散濃度分布調整層を設けて選択拡散を行うのである。
【００５０】
しかしながら、Ｚｎの選択拡散において、次のような考え方が成立する余地がある。
（１）拡散導入時間を短時間に限定して、高濃度領域が多重量子井戸構造１０３内にかからないようにする。
（２）ＩｎＰ窓層１０５の厚みを厚くして、拡散濃度分布調整層の役割をＩｎＰ窓層１０５に分担させる。
図６は、上記の（１）および（２）の場合を検討するための参考例２における受光素子１１０を示す断面図である。参考例２の受光素子１１０では、参考例１の受光素子とほぼ同じ積層構造を有するが、ＩｎＰ窓層１０５の厚みは、参考例１よりも厚くしており、上記（２）の場合に対応するが、（１）の場合も検討することは可能である。図６の積層構造において、多重量子井戸構造１０３内にＺｎの高濃度領域を形成しないように選択拡散を行った結果、得られたのが図７に示すＺｎ濃度分布である。図７に示すＺｎ濃度分布の場合、ＩｎＰ窓層１０５内において、Ｚｎ濃度は、高濃度から低濃度へと急峻に低下し、受光層側のＩｎＰ窓層１０５内において、１×１０１６／ｃｍ３程度の低濃度不純物領域が形成される。
【００５１】
ＩｎＰ窓層１０５内において、１×１０１６／ｃｍ３程度の低濃度不純物領域が形成されると、その領域では、繰り返し説明してきたように電気抵抗が高くなり、応答速度が低下する。このため、窓層を形成するほどバンドギャップエネルギが大きい材料に、具体的にはその典型材料であるＩｎＰ窓層１０５に、拡散濃度分布調整層の役割を果たさせることはできない。このことは、上記（１）および（２）の場合について同じである。よって、拡散濃度調整層には、バンドギャップエネルギがＩｎＰ相当以下、具体的には１．３４ｅＶ未満を満たす材料を用いるのがよい。すなわち、低濃度不純物領域でも、電気伝導度の低下が比較的小さく、電気抵抗の増加が比較的小さいＩｎＧａＡｓのような材料を用いる必要がある。
【００５２】
（実施の形態２−水分布の画像表示（イメージング）−）
１．水分検出装置における撮像装置（水分布像形成装置）の構造
図８は本発明の実施の形態２における水分検出装置に含まれる撮像装置（受光素子アレイ）の概要を示す図である。レンズなどの光学部品は省略してある。図９は、上記の撮像装置の受光素子アレイを説明するための図である。図１０は、図９の受光素子アレイ５０のうちの１つの受光素子を示す図である。図８において、この撮像装置７０は、共通のＩｎＰ基板５１の上に形成された受光素子１０がエピタキシャル層側を、実装基板の機能を有するマルチプレクサ７１に向けて、いわゆるエピダウン実装されている。各受光素子１０のエピタキシャル層のｐ型領域６と電気的に接続されるｐ側電極１１と、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１（１）に設けられるｎ側電極１２とは、マルチプレクサ７１に接続され、電気信号をマルチプレクサに送り、マルチプレクサ７１では各受光素子における電気信号を受けて、対象物の全体像を形成する処理を行う。ｎ側電極１２およびｐ側電極１１は、それぞれはんだバンプ１２ｂ，１１ｂを介在させてマルチプレクサ７１と電気的に接続される。入射光は、ＩｎＰ基板５１の裏面に形成したＡＲ(Anti-Reflection)膜３５を通して導入され、ｐ型領域６と受光層３との界面であるｐｎ接合１５で受光される。ｐ型領域６は、保護膜を兼ねるＳｉＮのＺｎ拡散マスク３６の開口部から導入される。Ｚｎ拡散マスクパターン３６は、その上に形成された保護膜のＳｉＯＮ膜パターン４３とともにそのまま残される。受光素子アレイおよび各受光素子の構造については、図９および図１０を用いて、次に詳しく説明する。
【００５３】
図９において、受光素子アレイ５０の受光素子１０は、共通のＩｎＰ基板５１（１）に設けられている。各受光素子でＳＷＩＲ帯の宇宙光を受光することにより生じた電流信号は、上述のように実装基板を兼ねたマルチプレクサ７１に送られ、画像形成の処理がなされる。各受光素子のサイズやピッチ、アレイの大きさを変えながら、画素数を変化させる。図９に示す受光素子アレイ５０は９万画素のものである。図１０に示す受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に形成された複数のエピタキシャル膜を有し、また、ｐ型領域６を形成する際に用いた、ｐ型不純物導入用の拡散マスク３６を残している。ｐ型領域６にはｐ部電極１１が接続され、はんだバンプなどによりマルチプレクサ７１など実装基板の配線などへと接続される。
【００５４】
図１１は、図８に示したエピダウンの受光素子と異なり、エピアップ実装の受光素子を説明する断面図である。本発明においては、撮像装置内の受光素子はエピダウン実装でもエピアップ実装でも、どちらでもよい。この受光素子１０は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、下から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５／拡散マスク３６／反射防止膜（ＡＲ膜:Anti-Reflection）３５が位置している。ｐ型領域６は、ＩｎＰ窓層５から拡散濃度分布調整層４を経て受光層３内のｐｎ接合１５まで形成されている。また、ｎ側電極１２がｎ型ＩｎＰ基板の裏面に位置し、ｐ側電極１１は、ｐ型領域６のＩｎＰ窓層５の表面に位置し、配線電極２７に電気的に接続されている。本実施の形態においては、受光層３は、波長１．０μｍ〜３．０μｍの範囲の光を受光する。具体的には、受光層３は、上述のタイプＩＩの多重量子井戸構造によって形成される。
【００５５】
図１１に示す受光素子は、上記したようにエピアップ実装され、エピタキシャル層すなわちＩｎＰ窓層５の側から光を入射される。本実施の形態における受光素子は、上述のように、エピアップ実装でもエピダウン実装でもよく、図１２に示すように、エピダウン実装され、ＩｎＰ基板１の裏面側から光を入射されるタイプでもよい。図１２のエピダウン実装の受光素子１０の場合、ＩｎＰ基板１の裏面にＡＲ膜３５が施される。拡散濃度調整層４、ＩｎＰ窓層５、ｐ側電極１１および保護膜を兼ねるＳｉＮの拡散マスク３６は、エピアップ実装の場合と同様に設けられる。図１２に示すエピダウン実装の場合、ＩｎＰ基板などＩｎＰはＳＷＩＲ帯光に透明なので、ＳＷＩＲ帯光は吸収されることなく、受光層３のｐｎ接合１５に到達する。図１２の構造においても、受光層は、上述のタイプＩＩの多重量子井戸構造によって形成される。以後の本発明例においても、とくに断らない限り、同様である。
【００５６】
ｐ側電極１１と、ｎ側電極１２とは、図１１に示すようにＩｎＰ基板１を間に挟んで対向する位置に配置してもよいし、図１２に示すようにＩｎＰ基板１の同じ側の位置に配置してもよい。図１２に示す構造の場合、図９に示す受光素子アレイ５０の各受光素子１０と集積回路とはフリップチップ実装により電気的に接続される。図１１および図１２の構造の受光素子において、ｐｎ接合１５に到達した光は吸収され、電流信号を生じ、上述のように、集積回路を通して各々一画素の像に変換される。
【００５７】
ＩｎＰ基板１は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に５度〜２０度傾斜したオフアングル基板とするのがよい。より望ましくは、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に１０度〜１５度傾斜させる。このような大きなオフ角基板を用いることにより、欠陥密度が小さく結晶性に優れたｎ型ＩｎＰバッファ層２、タイプＩＩの量子井戸構造の受光層３、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光層を得ることができる。このため、微弱なＳＷＩＲ帯の宇宙光を受光して撮像する装置の性能を大きく向上させる受光層を得ることができる。すなわち上記オフアングル基板を用いて形成された受光素子の有する作用は、宇宙光を受光して撮像する撮像装置の品質向上にとくに有用である。
【００５８】
上記のような大きなオフ角は、ＩｎＰ基板について提唱されたことはなく、本発明者らによってはじめて確認されたものであり、ＩｎＰ基板上に良好な結晶性のエピタキシャル膜を成長させる場合の重要な要素である。たとえば、非常に長波長域の発光及び受光が可能であるとする、上記の量子井戸構造の受光層３中に、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓが含まれる場合、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、実際には、実用に耐える、良好なエピアキシャル層として形成されることは不可能である。すなわち、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓは暗電流を抑制し、暗点を減らした受光層になることはない。この結果、微弱なＳＷＩＲ帯の宇宙光を用いて鮮明な画像を得ることができない。上記例としてあげたＧａＩｎＮＡｓだけでなく、ＧａＩｎＮＡｓＰおよびＧａＩｎＮＡｓＳｂにおいてもＩｎＰ基板のオフ角は、上記のような大きい角度範囲が、良好な結晶性を得るのに必要であるという点で同じである。
【００５９】
図１１および図１２に示す受光素子１０では、受光層３を覆うように位置するＩｎＧａＡｓ拡散濃度調整層４およびＩｎＰ窓層５を備える。受光層３の格子定数がＩｎＰ基板１の格子定数と同じであるため、受光層３の上に、暗電流を小さくすることで定評があるＩｎＧａＡｓ拡散濃度調整層４およびＩｎＰ窓層５を形成することができる。このため、暗電流を抑制し、素子信頼性を向上させることができる。  
【００６０】
２．自然産物中水分検出装置（水分布像形成装置）
（１）実施の形態３−メロン表皮の水分布像形成装置−
マスクメロン、夕張メロン、アンデスメロンのように、表皮に縞（ネット）を有するネット系メロンにおいては、出荷に際し、メロンの外観の評価を行う。従来は、メロンをカラーカメラで撮影し、そのカラー画像の色情報に基づいて表皮の地の部分と縞の部分とを識別することで評価していた。この方法に従う評価方法では、個体差に起因する着色度の差異や照明むらの影響を受けやすいので、識別精度が低いという欠点があった。そこで、メロンにおける表皮の地と縞では、水分の含有量に差異があることに着目して、近赤外光を用いて識別する方法が提案されている。この方法は、メロンの表皮の地の部分は水分量が多く、縞の部分は、水分量が少ないことを利用する。
【００６１】
図１３は、水の吸収スペクトルを示す図である。図１３によれば、波長１．４μｍ付近および１．９μｍ付近に吸収のピークがある。また、波長２．５μｍにおいても、ピーク波長ではないが、大きな吸収を示している。これら２つのピーク波長付近の光、２．５μｍの光を用い、図８に示す撮像装置７０を用いることで、縞と地とを高精度で識別することができる。図１４は、本発明の実施の形態３における自然産物中水分検出装置（メロン表皮の水分布像形成装置）１００を示す図である。ここでは、メロン表皮の水分布を検出する。近赤外光を含む光を出射する光源７３を配置して、メロンＭに光を照射する。メロンＭから反射された光を受光する撮像装置７０の前に、１．４μｍ付近、１．９μｍ付近、または２．５μｍ付近の光のみを透過させるフィルタ７２を配置する。撮像装置７０によって撮像された画像データは、制御部８５に含まれる、画像処理用コンピュータ８５ｂで処理され、画像表示装置８５ｃに画像が表示される。
【００６２】
メロンＭの地の部分では水の含有量が多いので、１．４μｍ付近または１．９μｍ付近の光は、乾いた縞の部分より、吸収されやすく、したがって反射光は弱くなる。このため、図１５に示すように、メロンＭの水分布像において、縞の部分は明るく、かつ地の部分は暗く表示される。また、縞と地の部分の他に、評価の対象になるツルの部分および割れの部分も鮮明に識別することができる。それは、図８に示す撮像装置７０、また図１に示す受光素子１０の暗電流が低く、波長１．４μｍおよび１．９μｍにおいて、当該波長の光の強弱を敏感に検出することができるからである。上記のような、地、縞、ツル、割れの識別は、個体差に起因する着色度の相違があっても、明確に行うことができる。
【００６３】
本発明の水分検出装置１００の受光部は、１．４μｍ付近の光も、１．９μｍ付近の光も、また２．５μｍ付近の光も、感度よく、高いＳ／Ｎ比で検出する。このため、上記の３種の波長の光における画像を得て、それらを比較して取捨選択してもよい。また、統計処理により、妥当性の高い画像を得てもよい。上記のような、メロン表皮の外観評価方法は、人間の知覚に適合しやすい方法である。たとえば、メロン表皮をスキャンして水濃度の変化を一次元データで得る方法よりも、人間にとって的確に評価しやすい。従来は、近赤外域において、暗電流が低く鮮明な画像を得ることができず、このため、上記のような水分布の画像を得ることができなかった。しかし、上述の受光素子アレイを用いることによって、Ｓ／Ｎ比が高く、鮮明な画像を得ることができ、本実施の形態に示す水分布の鮮明な画像を得ることが可能になった。
【００６４】
（２）実施の形態４−水分検出装置による籾混入率の測定−
籾摺りロールで籾摺りし風選した後の摺落米（混合米）や、揺動選別による選別された状態や、玄米揚穀機から取り出された玄米などについて、籾混入率を高精度で知ることは重要である。従来は、光学センサによって穀粒表面の色彩差によって、籾と玄米とを判別することによって、籾混入率を測定していた。しかし、籾は籾殻に水分を含まず、籾から籾殻をはぎ取られ籾摺りされた玄米は、籾殻に比較して、表面に多くの水分を含んでいる。このため、たとえば波長１．４５μｍの光を、一粒の籾および一粒の玄米に照射して反射光をフォトダイオード（ＰＤ）で受光すると、図１６に示すような、発生電圧の相違を生じる。すなわち、籾の反射像は明るく、玄米の反射像は暗い。そこで、籾のＰＤ発生電圧と、玄米のＰＤ発生電圧との間に、しきい値を設け、２値判断することで、籾と玄米とを明確に識別することができる。これは、青米であっても、籾殻の水分量とその中身の水分量とは、大きく相違するので、光学センサによる方法のように、判別誤差を生じない。着色米についても同様である。
【００６５】
図１７は、本発明の実施の形態４における自然産物中水分検出装置１００を示す図である。図１７に示すように、揺動選別板２１１の板面に分布している穀粒群に、光源７３から、波長１．４μｍ〜２．５μｍを含む波長域の光を照射する。光源としてはスーパーコンティニウム光源（ＳＣ光源）または発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いるのがよい。通常光源として用いられるハロゲンランプの場合発熱が大きく、照射された玄米が乾燥して判別精度が悪くなる場合がある。
撮像装置７０を含む水分検出装置１００は、フィルタ７２をかけた穀粒群からの反射光に基づき、その制御部８５の画像処理用コンピュータ８５ｂによって水分布像を形成し、その像を表示装置８５ｃに表示する。揺動選別板２１１上の穀粒群の水分布像において、籾は明るく、玄米や青米は暗い。しきい値をかけているので、この明暗は強調される。このため、制御部８５の画像処理用コンピュータ８５ｂは、面積占有率などを簡単に演算することができ、画像の統計処理によって、揺動選別板上の穀粒群の籾混入率を迅速に求めることができる。しかも、使用する波長については、図１３に示す水の吸収スペクトルのうちのどの波長を用いてもよい。たとえば、１．４μｍ付近の光、および１．９μｍ付近の光を用いることができる。
【００６６】
従来は、近赤外域において、暗電流が高く鮮明な画像を得ることができず、このため、上記のような水分布の画像を得ることができなかった。しかし、上述の受光素子アレイを用いることによって、Ｓ／Ｎ比が高く、鮮明な画像を得ることができ、本実施の形態に示す水分布の鮮明な画像を得ることが可能になった。また、上記の実施の形態では、自然産物として、メロン、米をあげたが、他の果物、穀類、海藻、海苔、魚介類、乳製品などに適用できる。
【００６７】
３．生体中水分検出装置
ここでは、特定の課題を解決するのではなく、生体中とくに光に敏感な眼における水分布の検出に、本発明に係る生体中水分検出装置または水分布イメージング装置が有用であることを提唱する。
（１）実施の形態５−眼の水分布像−
図１８は、本発明の実施の形態５における生体中水分検出装置（眼の水分布像形成装置）１００を示す図である。眼の不具合には、乾き眼、なみだ眼、など水分と関連した症状が多い。このような症状が出たとき、図１８に示すように、角膜Ｃだけでなく、眼Ｅの前面すべての水分布イメージをとることで、その症状を評価することができる。たとえば涙腺に対応する箇所で、水濃度が異常に高いなどを検出することが可能である。凹面鏡７６は近赤外光に対する反射率が大きいものを用いるのがよく、たとえば金（Ａｕ）で形成したものを用いる。凹面鏡７６は、眼の正面ではなく傍らに位置して、眼の各部から出た光を反射して、眼の各部の像を撮像装置７０に結像させるようにする。フィルタ７２は、水の吸収帯に属する１．４μｍ付近の光または１．９μｍの付近の光を透過させるものがよい。制御部８５のマイクロコンピュータ８５ｂは、撮像装置７０の画素の出力信号に基づいて、眼Ｅにおける水分布像を形成し、表示装置８５ｃに表示する。本発明に係る撮像装置７０は、たとえば図８に示すものを用いるのがよい。暗電流が低く、長波長側にまで感度が高いため、Ｓ／Ｎ比の高い、鮮明な水分布像を得ることができる。このため、眼における水の果たす作用、水の動きなどの理解に役立つ。
【００６８】
眼は光に対して非常に敏感に反応するので、できれば光源７３は使用しないことが好ましい。図１９は、ＳＷＩＲ宇宙光の強度分布を示す図である。たとえば、このＳＷＩＲ宇宙光のスペクトルのピークＩを、光源に用いることができる。ピークＩの波長は、１．４μｍ付近にあり、水の吸収帯に属する波長である、このため、図１８において、光源７３を除いて、ＳＷＩＲ宇宙光で代用することができる。または、人工の光源７３を用いるにしても、光を近赤外域に限定して、しかもそのピーク値をＳＷＩＲ宇宙光のピーク強度のたとえば２倍とすることでもよい。上記ＳＷＩＲ宇宙光を光源にすることでアイセーフが確実に実現される。上記のように、ＳＷＩＲ宇宙光を用いたり、強度レベルの低い光源を用いることができるのは、本発明に係る撮像装置７０の暗電流を低くできるからである。すなわち微弱な信号でも、鮮明な画像を形成することができるからである。
【００６９】
（２）実施の形態６−角膜矯正手術における角膜水分布検出−
ＡｒＦエキシマレーザを用いて、角膜を蒸散させ、精密な角膜矯正手術を行う方法が知られている。このような角膜矯正手術は、矯正量の制御性がよい、手術が自動化されている、安定性に優れる、術後の感染性副作用が少ない、角膜の強度低下が少ない等の利点を有している。しかしながら、上記の角膜矯正手術は、弱度近視と中程度近視に対する臨床試験結果は有効であるのに対し、ＡｒＦエキシマレーザによる角膜中央部へのレーザ照射回数を増加させると、生体液の角膜表面への浸出が顕著になり、角膜の蒸散が進まなくなる。このため、強度近視に対して予定した矯正量を得ることができず、手術の成功率が悪くなるという問題があった。角膜にＡｒＦエキシマレーザを照射したとき、蒸散時に角膜表面から発生するキノコ状の噴霧を取り除くために窒素ガスを吹き付けると、表面が乾燥して蒸散面の平滑化が悪化するという問題があった。
【００７０】
上記のように、術中における角膜表面の湿潤状態は、蒸散の良否を左右する重要な要因となっており、術中の角膜表面の湿潤状態をモニタする必要がある。ＡｒＦエキシマレーザの照射による角膜蒸散のとき、主にコラーゲンがレーザを吸収して蒸散し、角膜の約８０％を占める組織液は、残存角膜から浸出し、その部分の組成が変化してＡｒＦエキシマレーザの吸収が変化する。コラーゲンの蒸散に費やされたＡｒＦエキシマレーザは、コラーゲンの分子の振動、回転に変換され、温度上昇が生じる。このため、温度の４乗に比例した強度の赤外光が放射される。この赤外光をモニタすることで、角膜の湿潤状態を検出することができるとの提案がなされている（特許文献１１）。この方法では、１つの角膜Ｃの全体に対して、赤外線の波形が一つ対応するだけなので、角膜全体の平均的な湿潤状態についての情報が得られるだけである。しかし、実際は、組織液の浸出は、１つの角膜のなかで、島状に分かれて生じるため、角膜の各位置の湿潤状態の情報があったほうが好ましい。
【００７１】
本発明に係る撮像装置７０または受光素子二次元アレイ５０を用いることによって、角膜の各位置における湿潤状態の情報を明確に得ることが可能である。組織液には多量の水分が含まれており、術中に過渡的に浸出が生じるときの、水分の角膜全体にわたる分布推移を検出することができる。このような検出は、角膜の湿潤状態に貴重な情報をもたらすことは明らかである。この場合、上記パルスレーザのパルス幅は１０ｎｓのオーダであり、その後の数ｍｓ〜１０００ｍｓの間の水分布を検出することが重要である。ＡｒＦエキシマレーザショット後、１０ｎｓ程度で、角膜蒸散のキノコ雲状の噴霧が発生するが、この噴霧の影響をなるべく受けないように、角膜表面の水分布を数ｍｓ〜数十ｍｓのオーダで追跡して検出する必要がある。
【００７２】
図２０および図２１は、本発明の実施の形態６における、手術中の角膜の水分布を検出する装置を説明するための図である。光源７３は、図示しないＡｒＦエキシマレーザの出射部と重ならないように配置する。図２０において、光学系は、角膜の像を、撮像装置７０または受光素子二次元アレイ５０に結像するように構成されている。角膜の水分が多い箇所は画素または受光素子の出力電圧は小さく（暗く）、また水分が少ない箇所では出力電圧は高く（明るく）なる。ＡｒＦエキシマレーザショットの直後、撮像装置７０または受光素子二次元アレイ５０、の各画素の出力電圧の波形（時間推移）は、制御部８５に含まれる処理装置８５ｂに入力され、記憶される。撮像装置７０の画素または二次元アレイの受光素子１０は、図２１に示すように、細かく区分けされた角膜Ｃの各位置に対応づけられる。
【００７３】
図２２に、ＡｒＦエキシマレーザショット直後における想定される各画素の出力電圧波形を示す。図２２（ａ）は第３画素の波形であり、たとえば１５ｍｓ経過時点で電圧Ｖ３とする。また、図２２（ｂ）は第７画素の波形であり、１５ｍｓ経過時点で電圧Ｖ７とする。Ｖ７＞Ｖ３であることから、第３画素の位置の水濃度が高いことが分かる。これより、第３画素に対応する位置の角膜では、組織液の比率が高く、コラーゲンの比率が低下することが分かる。この結果、第３画素に対応する位置での、ＡｒＦエキシマレーザの吸収率が低下することが予想される。
【００７４】
本発明に係る撮像装置７０は、角膜の各位置の湿潤状態を医学的に把握するのに十分すぎるほどの密度で画素を形成することができる。そして、隣接する画素間でのクロストークも小さく、暗電流も非常に小さくすることができる。また、上述のように、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓで形成することで応答時間を短くすることが可能である。このため、各画素において出力電圧波形を、高い追随性をもって高精度で得ることができる。このような画素の波形をすべて集めて角膜の地図上で水分濃度をプロットすれば、ＡｒＦエキシマレーザショット直後における角膜全体での浸出状況を把握することができる。
【００７５】
（３）実施の形態７−顔面の水分布像−
顔面の水分布像が、医学的または美容的に、どのような利用価値をもつか明確にすることはできない。しかし、本発明に係る撮像装置７０を用いれば、図２３に示すように、顔面の鮮明な水分布像を得ることができる。また、上述のように、顔面の水分布像の撮像には、アイセーフが問題とされる。本発明に係る撮像装置７０は、微弱な信号でも鮮明な像を得ることができるので、光源を用いずにＳＷＩＲ宇宙光を用いることができる。また、光源を用いる場合でも、発光強度の低い光源を用いることができる。このため、アイセーフの問題を克服するのが容易である。
【００７６】
（４）実施の形態８−生体の水分検出−
図２４は、本発明の実施の形態における、ツメ、毛髪、皮膚Ｓなど生体の各部の水分検出装置１００を示す装置を示す図である。図２４では、反射光を検出に用いることを想定しているが、透過光を用いてもよい。光源７３は１．４μｍ付近および１．９μｍ付近の光を含む光を出射する。投光用光ファイバ８１を経て、上記の生体各部Ｓに照射され、反射された光は受光用光ファイバ８２を経て、分光検出装置９１に入力される。分光検出装置９１では、回折格子などの分光器で分光し、たとえば一次元受光素子アレイ５０によって波長域ごとに受光して、反射光の強度を測定する。制御部８５では、予め記憶された検量線をもとに、演算部８５ｂにおいて波長域ごとの反射光の強度をもとに水分を求め、その結果を表示部８５ｃに表示し、また記録媒体８６に記録する。
【００７７】
図２４に示す水分検出装置１００では、連続した波長の光を生体各部に照射するので、水以外の生体成分を同時に検出することができる。たとえば、化粧品のクリームに含まれる尿素は、皮膚に浸透して、肌荒れやざらつきを治療し、また保湿効果を高める。このため、尿素の浸透性を評価するために、尿素塗布後の所定時間経過時に、尿素および水分を同時に測定することが行われる。水の検出は、たとえば１．８５μｍ〜１．９５μｍの光により、また尿素の検出は１．９５μｍ〜２．０μｍの光で行う。分光検出装置９１において分光された波長域ごとの光に対応するように、複数の受光素子（個別の複数の受光素子１０、または一次元アレイ５０）を配置する。これによって、多くの波長の光に対して、雑音の少ない出力電圧を得ることができ、標準サンプルを用いた検量線の作成においても、また検査対象の水分検出時の測定においても、高精度のデータを得ることができる。これによって、検査対象物について、精度の高い定量的な水分検出をすることができる。上記の実施の形態では、眼、顔、皮膚、つめ、毛髪をあげたが、他の身体部、などに適用できる。またヒトに限定されず、他の生物にも適用できることはいうまでもない。
【００７８】
４．製品・材料中水分検出装置
（１）実施の形態９−自動排油装置への適用−
図２５は、自動排油装置を説明する図である。この自動排油装置は、油水分離器内の油を自動的に排出するために用いられる。図２５において、原水入口５０４から油水分離器５１１へと油と水が流入する。油は水よりも軽いので液面５１２の近傍には、主として油が存在する。液面より少し下に排油入口５１３があり、この排油入口５１３から流入する油と水が、センサ入口５０８と、オンラインセンサ（水分検出装置）１００内に設置したポンプ５１４とを経て、原水入口５０４に接続したセンサ出口５０９へ送られる。
【００７９】
図２６は、本発明の実施の形態９における水分検出装置（オンラインセンサ）１００の構成を示す図である。図２５のポンプ５１４から送られた油は、フローセル５１５を経て図２５のセンサ出口５０９へ送られる。フローセル５１５は、石英でできており、光源７３から出射された光が透過する。油と水とを透過した光のうち、所定の波長の光は、吸収される。この光は、油水の情報を含んでいる。フローセル５１５の後段に、分光器９１を配置し、その後段に、分光された波長域ごとに１個の受光素子１０を配置する。個々の受光素子ではなく、一次元または二次元受光素子５０を配置してもよい。受光素子１０において、上記フローセル５１５内の油水のうち、水によって吸収された、１．４μｍ、１．９μｍ付近の光は、その分、低い出力電圧をもたらす。
【００８０】
受光素子１０または受光素子アレイ５０から出力された電気信号は、制御部８５のＣＰＵ８５ｂへ送られ、水分濃度が算出され、必要に応じて表示装置８５ｃに表示し、またプリンタ８５ｐに打ち出す。上記の水比率がある値以下（たとえば２０％以下）であれば、電気信号を、図２５に示す排油弁５０６を開いて、油を排油口５０７から排出する。また、水比率がそれより高い場合は、油水分離器５１１内の水を処理水出口５０５から排出する。
【００８１】
上記の水分検出装置１００によれば、油水混合液中の水の比率を精度よく、与えることができる。とくに複数の波長の光について、水による吸収をへた光の受光をするので、これらを統計処理することで、より高精度の水分比率を求めることができる。
【００８２】
（２）実施の形態１０−紙製品中の水分とセルロースの検出−
図２７は、本発明の実施の形態１０における紙製品中の水分とセルロースを検出する装置を示す図である。図２７に示す装置では、３つの波長の光Ａ、Ｂ、Ｃを用いる。
Ａ：水分にもセルロースにも吸収を受けない光。たとえば波長１．８μｍの光
Ｂ：水分の吸収を受ける波長域の光。たとえば波長１．９４μｍの光
Ｃ：セルロースの吸収を受ける波長域の光。たとえば波長２．１μｍの光
【００８３】
光源７３は、上記のＡ、Ｂ、Ｃの光を含む光を出射する。集光レンズ８７で平行光線とされて、検査対象物の紙製品Ｐに照射される。紙製品Ｐを透過した透過光は、分光器９１たとえば回折格子で分光されて、それぞれの波長を担当する受光素子１０によって受光される。複数の受光素子１０は、個別の受光素子から構成されても、一次元アレイ５０であってもよい。各受光素子１０では信号電圧を出力し、サンプルホールド回路８４でこれを保持して、記憶部、演算回路等を含む制御部８５に入力する。制御部８５では、予め入力されている水分およびセルロースの検量線および秤量値と合わせて、水分含有率およびセルロース含有率を算出する。この結果、紙製品の物性を知り、銘柄などを判別することができる。
【００８４】
上記の製品・原料中水分検出装置１００によれば、複数の波長を同時に検査対象に照射して、迅速に受光して情報を出力することができる。このとき、暗電流等が低いので、Ｓ／Ｎ比の高い信号を出力することができる。また、たとえば受光素子１０を一次元アレイで構成した場合でも、各受光素子は、ｐ型不純物の選択拡散によってｐｎ接合を形成され、隣接する受光素子とは分離されている。すなわち、メサエッチングによる分離溝を設けていないので、ノイズが低い信号を出力することができる。また、上記の受光素子は、長波長側は３μｍまで感度をもつので、上記Ｃの光を余裕をもって高感度で受光することができる。さらに、上記のＡ，Ｂ、Ｃの波長に限定されず、３μｍまでの範囲で、適切な波長の光を選ぶ自由度をもつ。
【００８５】
（３）実施の形態１１−汚泥の脱水ケーキの水分検出装置−
図２８は、本発明の実施の形態１１における製品・原料中水分検出装置１００を示す図である。汚泥には多くの種類があり、たとえば下水汚泥を例にしても初沈汚泥、余剰汚泥、消火汚泥、およびこれらの混合汚泥などのように処理工程によって数種類の汚泥が発生する。さらに脱水処理工程に送られる汚泥は、刻一刻と変化する。この場合、脱水ケーキの性状によっては、水の吸収帯の波長の光に重なる吸収をもつものが現れる。このとき、脱水ケーキの性状の変化に応じて、一方の水の吸収波長から他方の水の吸収波長へと、重なる部分が変わる場合などが普通に生じる。このため、脱水ケーキの性状に応じて、水分量を求める波長を適切に選択する必要がある。
【００８６】
図２８は、本発明の実施の形態における製品・原料水分検出装置１００を示す図である。本実施の形態の水分検出装置１００では、６つの波長の光Λ１〜Λ６を用いる。
Λ１：１３２０ｎｍ（水分と油脂とによる吸収（Ｓ１，Ｘ１））
Λ２：１３６０ｎｍ（参照光（Ｒ））
Λ３：１４５０ｎｍ（水分による吸収（Ｓ２））
Λ４：１５４０ｎｍ（水分と蛋白質とによる吸収（Ｓ３，Ｘ２））
Λ５：１５９０ｎｍ（水分と蛋白質とによる吸収（Ｓ４，Ｘ３））
Λ６：１７６０ｎｍ（油脂による吸収（Ｘ４））
検査対象物について、上記の波長の電圧信号が得られる。各波長に付したＳ１などの符号は、Ｓ１〜Ｓ４は水分検出用データとして用い、Ｘ１〜Ｘ４は性状判別用データとして用いることを示す。
【００８７】
図２８によれば、光源７３は、上記の波長Λ１〜Λ６を含む光を出射する。反射板８８で反射された光は、検査対象物の汚泥の脱水ケーキＹに照射される。脱水ケーキＹから反射された光は、集光レンズ８７で平行光線とされ、回折格子などの分光器９１で、上記の波長域に分光される。分光された波長ごとに受光素子１０を、複数、配置して、各波長の光を受光して電気信号に変換する。この複数の受光素子１０は、一次元アレイ７０であってもよい。各波長の電気信号は、マイクロコンピュータ８５のアナログ入力部８５ａに入力される。次いで、記憶部をもつ演算部８５ｂで演算されて、水分比率を算出され、表示部８５ｃで表示される。
【００８８】
上記の光→電気信号→信号処理の内容の詳細な説明は、省略するが、概要はつぎのとおりである。まず、上記のＸ１〜Ｘ４の電圧信号データをもとにして、検査対象物の性状を判定する。その判定結果に対応して、回帰式の係数がすでに決まっており、その回帰式に、上記のＳ１〜Ｓ４の電圧信号データを入力すると、水分比率を求めることができる。水分算出の回帰式が数種類あって、検査対象物の性状に応じて、水分算出回帰式が選択されるというのが、全体のスキームである。これによって、汚泥ケーキについて、常に妥当な水分含有率を得ることができる。
【００８９】
上記の受光素子１０または一次元アレイ５０は、暗電流が低く、隣接する受光素子との間のクロストークも生じない。このため、高いＳ／Ｎ比の電気信号を得ることができ、上記の水分算出の精度を高めることができる。また、波長の感度上限が３μｍまであるので、上記の汚泥ケーキＹの性状判別に用いる波長をより長波長に拡大することができ、本水分測定方法のスキームにおける波長選択の自由度を広げることができる。
【００９０】
（４）実施の形態１２−石炭中の水分検出−
図２９は、本発明の実施の形態１２における石炭中の水分検出装置を示す図である。光源７３からの光は、石炭Ｇに反射されて集光レンズ８７によって平行光線とされ、分光器９１によって分光される。石炭Ｇは、石炭粉末を押し固めたものであり、石炭の反射光ではなく、透過光を用いてもよい。分光された光を、波長別に受光するために配置された受光素子１０または受光素子アレイ５０が出力する電気信号は、制御部８５に読み出される。電気信号は、制御部８５の入力インターフェイス８５ａに入力される。制御部８５のスペクトル形成部８５ｊでは、受光素子１０または受光素子アレイ５０の出力信号に基づき近赤外域スペクトルを形成する。制御部８５は、中央演算処理装置８５ｂ、入力装置８５ｄ、回帰モデル記憶装置８５ｆ、表示装置８５ｃを、主要部として構成されている。その他、回帰モデル記憶装置のインターフェイス（メモリ駆動回路）、出力装置のインターフェイスなども含んでいる。
【００９１】
制御部（石炭水分推定処理装置）８５は、入力装置８５ｄによって、予め、所定の回帰モデルを打ち込んで、回帰モデル記憶装置８５ｆに記憶させておく。回帰モデルは、上記近赤外域スペクトルと水分値との対応関係を数値化したものである。スペクトル形成部で形成される上記近赤外域スペクトルは、必要に応じて、平均化処理、一次微分、二次微分等の前処理を行うのが好ましい。このような処理が施された近赤外域スペクトルのピーク値から、水分値を求めるために、重回帰式（モデル）が、上述のように、予め形成されている。そのために、水分値が知られた石炭の標準サンプルについて、重回帰式を求めておく。この重回帰式に、測定したピーク波長のピーク値を代入して演算することで、検査対象の石炭の水分値を求めることができる。その水分検出結果は、インターフェイスを経て、表示装置８５ｃに表示される。
【００９２】
上記の受光素子１０または受光素子アレイ５０は、暗電流が低く、クロストークもないので、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得ることができる。このため、水分値が既知の標準サンプルについて重回帰式を作成するに際し、信頼性の高い受光信号データに基づいて、高信頼性の重回帰式を求めることができる。そして、検査対象の石炭についても、雑音が低い信頼性の高い近赤外域スペクトルを採取することができる。このため、石炭の水分を高精度で検出することができる。
【００９３】
（５）実施の形態１３−乾燥中の衣類の水分検出装置−
図３０は、衣類乾燥機６１０で乾燥中の衣類Ｌの水分検出装置１００を示す図である。この衣類乾燥機６１０における、外槽や送風機等は省略してある。洗濯を終えた衣類Ｌは湿った状態で、衣類収納ドラム６０３に収納され、回転される。衣類収納ドラム６０３の外側には内槽６０２が位置し、さらにその外側に、図示を省略された外槽が位置している。乾燥中の衣類Ｌの水分検出装置１００では、近赤外光の光源７３として、発光ダイオードＬＥＤ(Light  Emitting  Diode)などを用いるのが、限定的なスペースを活用する上で好ましい。ＬＥＤの光の波長は、１．４μｍ付近または１．９μｍ付近の光を発光するものがよい。  
回転する衣類収納ドラム６０３には、フィルタの窓６１４，６１５が設けられていて、回転中のある瞬間に、光源７３→窓６１４→窓６１５→受光素子１０が、一直線に並ぶようにする。  
【００９４】
図３１は、受光素子１０で受光したとき、電気信号を読み出して、駆動モータのスイッチ等の制御に用いる制御部８５を示す図である。制御部８５は、プリント基板上に実装するのがよい。受光素子１０からの電気信号は、インターフェイス８５ａに読み出され、水分検出・乾燥度演算部８５ｂにおいて、水分および乾燥度が算出される。そして、その乾燥度をもとにして、制御部８５ｋは、図示しない駆動モータなどのスイッチのオンオフ制御を行う。これによって、乾燥機で乾燥中の衣類の水分を検出することができ、乾燥機による乾燥の時間を必要最小限にして、時間や電力の無駄をなくすことができる。また、衣類の過剰乾燥処理による損傷を防止することができる。
【００９５】
上記の受光素子１０は、波長１．９５μｍにおいて、高い受光感度をもち、かつ暗電流が低いので、弱い光であっても、大きなＳ／Ｎ比の電気信号を出力することができる。このため、回転する衣類収納ドラム６０３に収納された衣類の乾燥状態または水分状態を検知するのに適した位置で、透過光を受光することで、乾燥状態を知ることができる。
上記の実施例では、油水、石炭、汚泥ケーキ、紙製品、衣類、についての例をあげたが、これらに限定されず、フィルム、樹脂、おむつ等への適用も可能である。
【実施例】
【００９６】
−半導体受光素子アレイの構造についての実施例−
本発明の受光素子アレイの素子間隔または画素ピッチをどの程度まで小さくできるか、図３２に示す受光素子アレイを用いた実施例によって検証した。受光素子間隔または画素ピッチは、図３２に示すように、ＳｉＮ選択拡散マスクパターン３６の非開口部の幅である。Ｚｎの選択拡散の後に、ｐ側電極１１はＡｕＺｎにより、またｎ側電極１２はＡｕＧｅＮｉにより、それぞれ形成した。図３の場合、ＩｎＰ基板１にＦｅドープの半絶縁性基板を用いているので、高濃度不純物のバッファ層２にｎ側電極１２を設けているが、図１に示すようにｎ型ＩｎＰ基板を用いる場合には、基板裏面にｎ側電極を設けてもよいし、または基板表面側に基板と隣接するｎ型半導体層（たとえばバッファ層２）にｎ側電極を設けてもよい。本実施例では、図３の受光素子アレイのｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に５Ｖの逆バイアス電圧を印加して、暗電流を測定した。ＩｎＰ窓層５の厚みは０．６μｍと１．６μｍの２種類について、また素子間隔は３μｍ〜２０μｍの範囲にわたって７種類の素子間隔について、それぞれ受光素子アレイを製造して、暗電流を測定した。拡散濃度分布調整層４の厚みは１μｍとした。
【００９７】
結果を図３３に示す。図３３によれば、ＩｎＰ窓層５の厚みが０．６μｍと薄い場合、素子間隔または画素ピッチを５μｍまで小さくしても、暗電流は１×１０−１０Ａ（アンペア)とすることができる。ＩｎＰ窓層５の厚みが１．６μｍの場合には、上述したように、横方向へのＺｎの拡散が広がり、素子間隔７μｍを超えないと、１×１０−１０Ａとすることができない。しかし、本実施例によって、ＩｎＰ窓層５の厚みを０．６μｍと薄くし、かつ拡散濃度分布調整層を配置することによって、素子間隔５μｍとすることができることを確認した。
【００９８】
拡散濃度分布調整層４の作用については、Ｚｎの深さ方向濃度分布をＳＩＭＳ(Secondary  Ion  Mass  Spectroscopy)分析によって検証した。図３４に、Ｚｎの深さ方向濃度分布を示す。図３４によれば、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４と受光層３との界面において、Ｚｎのパイルアップのピーク値は５×１０16ｃｍ-3以下に抑制されている。このため、受光層３のｎ型キャリア濃度のバックグラウンドと、Ｚｎ濃度との交差位置（図中○印）に形成されるｐｎ接合において、Ｚｎ濃度は確実に低くすることができ、結晶性等の劣化を防止することができる。そして、この拡散濃度分布調整層４の配置によって、受光層の多重量子井戸構造にその本来の作用を奏させることが可能になる。
【００９９】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、ＩｎＰ系ＰＤの画期的な性能向上によって、既存の水分検出装置に対して、高精度で、感覚的にわかりやすい検出を可能にする変革をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の実施の形態１における受光素子を示す断面図である。
【図２】図１の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における受光素子アレイを示す断面図である。
【図４】本発明と異なる参考例１の受光素子の断面図である。
【図５】図４の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図６】本発明と異なる参考例２の受光素子の断面図である。
【図７】図６の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２における撮像装置の概要を示す図である。
【図９】図８の撮像装置の受光素子アレイを示す図である。
【図１０】図９の受光素子アレイにおける一つの受光素子を示す図である。
【図１１】エピアップ実装の受光素子の断面図である。
【図１２】エピダウン（フリップチップ）実装の受光素子の断面図である。
【図１３】水の吸収スペクトルを示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態３における自然産物中水分検出装置（水分布イメージング装置）を示す図である。
【図１５】メロンの水分布像を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態４における自然産物中水分検出装置（籾混入率測定装置）を説明するための図である。
【図１７】本発明の実施の形態４における籾混入率測定装置を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態５における生体中水分検出装置（眼の水分布イメージング装置）を示す図である。
【図１９】ＳＷＩＲ宇宙光スペクトルと本発明例の受光素子の感度分布を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態６の角膜矯正手術における角膜水分布検出装置を示す図である。
【図２１】水分が検出される角膜上の位置を示す図である。
【図２２】図２１の角膜上の位置における近赤外光の波形（強度の時間推移）の例を示す図であり、（ａ）は第３画素の位置の波形を、（ｂ）は第７画素の位置の波形を示す。
【図２３】本発明の実施の形態７における顔面の水分布像を示す図である。
【図２４】本発明の実施の形態８における生体中の水分検出装置を示す図である。
【図２５】本発明の実施の形態９における自動排油装置を説明する図である。
【図２６】本発明の実施の形態９における製品・原料中水分検出装置を示す図である。
【図２７】本発明の実施の形態１０における製品・原料中水分検出装置（水分・セルロース検出装置）を示す図である。
【図２８】本発明の実施の形態１１における製品・原料中水分検出装置（汚泥ケーキ中水分検出装置）を示す図である。
【図２９】本発明の実施の形態１２における製品・原料中水分検出装置（石炭中水分検出装置）を示す図である。
【図３０】本発明の実施の形態１３における衣類収納ドラム中の衣類の水分検出装置を示す図である。
【図３１】図３０の受光素子の電気信号の処理回路を示す図である。
【図３２】実施例に用いた受光素子アレイの部分断面図である。
【図３３】実施例において測定した暗電流と素子間隔との関係を示す図である。
【図３４】実施例におけるＺｎの深さ方向濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１  ＩｎＰ基板、２  バッファ層、３  多重量子井戸構造の受光層、４  拡散濃度分布調整層、５  ＩｎＰ窓層、５ａ  窓層の表面、６  ｐ型領域、１０  受光素子、１１  ｐ側電極、１２  ｎ側電極、１２ｂ  はんだバンプ、１５  ｐｎ接合、３５  反射防止膜、３６  選択拡散マスクパターン、２７  配線電極、４３  ＳｉＯＮ保護膜、５０  受光素子アレイ、５１  ＩｎＰ基板、７０  撮像装置、７１  マルチプレクサ（実装基板）、７２  フィルタ、７３  光源、７６  凹面鏡、８１  投光用光ファイバ、８２  受光用光ファイバ、８４  サンプルホールド回路、８５  制御部、８５ａ  入力インターフェイス、８５ｂ  マイコン（演算部、ＣＰＵ）、８５ｃ  表示部（出力装置）、８５ｄ  入力部、８５ｆ  記憶部、８５ｊ  スペクトル形成部、８５ｋ  制御信号発生部、８５ｐ  プリンタ、８６  記録媒体、８７  集光レンズ、８８  反射板、９１  分光器、１００  水分検出装置（水分布像形成装置）、２１１  揺動選別板、５０４  原水入口、５０５  処理水入口、５０６  排油弁、５０７  排油口、５０８  センサ入口、５０９  センサ出口、５１１  油水分離器、５１２  油水境界面、５１５  フローセル、６１０  乾燥機、６０２  内槽、６０３  衣類収納ドラム、６１４，６１５  衣類収納ドラムの窓（フィルタ）、Ｃ  角膜、Ｅ  眼、Ｍ  メロン、Ｐ  紙、Ｓ  生体各部（皮膚、毛髪、つめなど）、Ｙ  汚泥ケーキ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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