(57)【要約】【課題】小型化を図ることができる光検出装置、かかる光検出装置を備える粒子密度測定装置、および、かかる粒子密度測定装置を備えるウエアラブル機器を提供すること。【解決手段】光を出射する発光素子と、受光した光の強度に応じた信号を出力する第１光電変換素子を有する第１光電変換部と、受光した光の強度に応じた信号を出力する第２光電変換素子を有する第２光電変換部とを有し、前記第１光電変換部から出力された出力信号と前記第２光電変換部から出力された出力信号との差分信号を出力する光検出部と、を備え、前記第１光電変換部が受光する第１受光部の面積は、前記第２光電変換部が受光する第２受光部の面積よりも大きいことを特徴とする光検出装置。【選択図】図１
2018140039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する発光素子と、
受光した光の強度に応じた信号を出力する第１光電変換素子を有する第１光電変換部と、受光した光の強度に応じた信号を出力する第２光電変換素子を有する第２光電変換部とを有し、前記第１光電変換部から出力された出力信号と前記第２光電変換部から出力された出力信号との差分信号を出力する光検出部と、を備え、
前記第１光電変換部が受光する第１受光部の面積は、前記第２光電変換部が受光する第２受光部の面積よりも大きいことを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記第１受光部の面積をＳ１とし、前記第２受光部の面積をＳ２としたとき、下記式（１）の関係を満たす請求項１に記載の光検出装置。
【数１】
2018140039.tif 000008
【請求項３】
前記式（１）中の（Ｓ１−Ｓ２）は、０．０００１ｍｍ２以上１ｍｍ２以下であり、かつ、前記式（１）中の√（Ｓ１２＋Ｓ２２）は、０．１ｍｍ２以上２００ｍｍ２以下である請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記発光素子と前記第１受光部との離間距離と、前記発光素子と前記第２受光部との離間距離とは、等しい請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記光検出部から出力された前記差分信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部を備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記第１光電変換素子のアノード端子と前記第２光電変換素子のカソード端子とが互いに接続され、かつ、前記第１光電変換素子のカソード端子と前記第２光電変換素子のアノード端子とが互いに接続されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記第１光電変換素子および前記第２光電変換素子は、前記第１光電変換素子のアノード端子と前記第２光電変換素子のカソード端子とが互いに接続されて、直列に接続されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記第１光電変換部は、複数の前記第１光電変換素子を有し、
前記第２光電変換部は、複数の前記第２光電変換素子を有し、
前記第１受光部は、前記第１光電変換素子の前記光を受光する第１受光面の面積の合計であり、
前記第２受光部は、前記第２光電変換素子の前記光を受光する第２受光面の面積の合計である請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光検出装置と、
前記光検出装置から出力された信号を基にして被測定物中の粒子の密度を求める信号解析部と、を有することを特徴とする粒子密度測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の粒子密度測定装置を備えることを特徴とするウエアラブル機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置、粒子密度測定装置およびウエアラブル機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ドップラーシフトを利用した光検出装置を用いた血流計が知られている。このような血流計は、一般的に、レーザー光を生体に対して照射し、血液中の赤血球で散乱した光のドップラーシフト量を基にして血流速度を計測する。
【０００３】
このような血流計に用いられる光検出装置では、赤血球で散乱されドップラーシフトを受けた光の成分の強度がドップラーシフトを受けてない光の成分の強度よりも非常に小さいため、ドップラーシフトを受けた光の成分を精度よく検出することが難しい。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載の光検出装置では、互いに等しい面積である第１光電変換素子部および第２光電変換素子部を備え、第１光電変換素子部のカソードと第２光電変換素子部のアノードとを接続し、第１光電変換素子部のアノードと第２光電変換素子部のカソードとを接続している。かかる構成とすることで、第１光電変換素子部が出力する電流のドップラーシフトを受けた光の成分に相当するＤＣ成分と第２光電変換素子部が出力する電流のドップラーシフトを受けた光の成分に相当するＤＣ成分とを相殺して除去し、血球で散乱されドップラーシフトを受けた光の成分を主として含む差分電流を出力している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１１／１６１７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の光検出装置では、ＤＣ成分が除去されるため、ＤＣ成分とＡＣ成分とを基にして血流量を算出する場合、別途、ＤＣ成分を検出する素子を設ける必要がある。そのため、光検出装置が有する部品の点数が多くなってしまい、その結果、光検出装置全体が大型化してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、小型化を図ることができる光検出装置、かかる光検出装置を備える粒子密度測定装置、および、かかる粒子密度測定装置を備えるウエアラブル機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の光検出装置は、光を出射する発光素子と、
受光した光の強度に応じた信号を出力する第１光電変換素子を有する第１光電変換部と、受光した光の強度に応じた信号を出力する第２光電変換素子を有する第２光電変換部とを有し、前記第１光電変換部から出力された出力信号と前記第２光電変換部から出力された出力信号との差分信号を出力する光検出部と、を備え、
前記第１光電変換部が受光する第１受光部の面積は、前記第２光電変換部が受光する第２受光部の面積よりも大きいことを特徴とする。
【０００９】
このような本発明の光検出装置によれば、ＤＣ成分（直流成分）は、第１受光部の面積と第２受光部の面積との差分に応じた受光感度を得ることができ、ＡＣ成分（交流成分）は、第１受光部の面積と第２受光部の面積との二乗加算の平方根値に応じた受光感度を得ることができる。そのため、部品点数を増加させることなく、ＡＣ成分とＤＣ成分とをそれぞれ精度よく検出することができる。それゆえ、このような本発明の光検出装置によれば、小型化を図ることができる。
【００１０】
本発明の光検出装置では、前記第１受光部の面積をＳ１とし、前記第２受光部の面積をＳ２としたとき、下記式（１）の関係を満たすことが好ましい。
【数１】
2018140039.tif 000003
これにより、ＡＣ成分とＤＣ成分とをそれぞれより精度よく検出することができる。
【００１１】
本発明の光検出装置では、前記式（１）中の（Ｓ１−Ｓ２）は、０．０００１ｍｍ２以上１ｍｍ２以下であり、かつ、前記式（１）中の√（Ｓ１２＋Ｓ２２）は、０．１ｍｍ２以上２００ｍｍ２以下であることが好ましい。
【００１２】
これにより、ＡＣ成分とＤＣ成分とをそれぞれより精度よく検出することができるとともに、小型化をより効果的に図ることができる。
【００１３】
本発明の光検出装置では、前記発光素子と前記第１受光部との離間距離と、前記発光素子と前記第２受光部との離間距離とは、等しいことが好ましい。
【００１４】
これにより、第１受光部の面積を第２受光部の面積よりも大きくすることにより、ＤＣ成分とＡＣ成分とを同時に精度よく得ることができるという効果を十分に発揮することができる。また、ＡＣ成分とＤＣ成分とをそれぞれより精度よく検出するための第１受光部の面積と第２受光部の面積の調節が容易であり、構造の組立てが容易である。
【００１５】
本発明の光検出装置では、前記光検出部から出力された前記差分信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部を備えることが好ましい。
【００１６】
これにより、前述したように、本発明では第１受光部の面積が第２受光部の面積よりも大きいので、電流電圧変換部から出力された電圧信号は、ＤＣ成分が低減され、ＡＣ成分が増幅される。
【００１７】
本発明の光検出装置では、前記第１光電変換素子のアノード端子と前記第２光電変換素子のカソード端子とが互いに接続され、かつ、前記第１光電変換素子のカソード端子と前記第２光電変換素子のアノード端子とが互いに接続されていることが好ましい。
【００１８】
これにより、第１光電変換素子から出力される電流のＤＣ成分の一部と第２光電変換素子から出力される電流のＤＣ成分の一部とを相殺して、差分信号のＤＣ成分をより効果的に低減することができる。そのため、ＡＣ成分をより精度よく検出することができる。
【００１９】
本発明の光検出装置では、前記第１光電変換素子および前記第２光電変換素子は、前記第１光電変換素子のアノード端子と前記第２光電変換素子のカソード端子とが互いに接続されて、直列に接続されていることが好ましい。
【００２０】
これにより、第１光電変換素子から出力される電流のＤＣ成分の一部と第２光電変換素子から出力される電流のＤＣ成分の一部とを相殺して、差分信号のＤＣ成分をより効果的に低減することができる。そのため、ＡＣ成分をより精度よく検出することができる。
【００２１】
本発明の光検出装置では、前記第１光電変換部は、複数の前記第１光電変換素子を有し、
前記第２光電変換部は、複数の前記第２光電変換素子を有し、
前記第１受光部は、前記第１光電変換素子の前記光を受光する第１受光面の面積の合計であり、
前記第２受光部は、前記第２光電変換素子の前記光を受光する第２受光面の面積の合計であることが好ましい。
【００２２】
これにより、第１受光部の面積および第２受光部の面積を簡単に増大させることができ、よって、検出感度を簡単に高めることができる。また、第１受光部の面積と第２受光部の面積との比率の調節を容易に行うことができる。
【００２３】
本発明の粒子密度測定装置は、本発明の光検出装置と、
前記光検出装置から出力された信号を基にして被測定物中の粒子の密度を求める信号解析部と、を有することを特徴とする。
このような本発明の粒子密度測定装置によれば、小型化を図ることができる。
【００２４】
本発明のウエアラブル機器は、本発明の粒子密度測定装置を備えることを特徴とする。
このようなウエアラブル機器によれば、小型である粒子密度測定装置を備えているため、持ち運びが容易であるとともに、リアルタイムで使用者の環境下における被対象物中の粒子の密度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る粒子密度測定装置を示す概略図である。
【図２】図１に示す粒子密度測定装置におけるドップラー現象について説明するための図である。
【図３】図１に示す粒子密度測定装置が備える発光素子の構成例を示す平面図である。
【図４】図３中のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図１に示す粒子密度測定装置が備える第１光電変換素子および第２光電変換素子の構成例を示す平面図である。
【図６】図５中のＡ１−Ａ１線断面図である。
【図７】図１に示す発光部と受光部とを示す図である。
【図８】図１に示す受光部が有する第１光電変換素子および第２光電変換素子と電流電圧変換部が有する電流電圧変換回路とを示す図である。
【図９】図７に示す第１光電変換素子および第２光電変換素子の配置の変形例を示す図である。
【図１０】図７に示す第１光電変換素子および第２光電変換素子の配置の変形例を示す図である。
【図１１】図１０中のＡ２−Ａ２線断面図である。
【図１２】図８に示す受光部の変形例を示す図である。
【図１３】図８に示す受光部の変形例を示す図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光検出装置の受光部および電流電圧変換部を示す図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光検出装置の発光部および受光部を示す図である。
【図１６】本発明の第４実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光検出装置の発光部および受光部を示す図である。
【図１７】図１６に示す受光部の回路構成を示す図である。
【図１８】図１６に示す受光部の第１光電変換素子と第２光電変換素子の配線の一例を示す図である。
【図１９】本発明のウエアラブル機器の一例である腕時計を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の光検出装置、粒子密度測定装置およびウエアラブル機器を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
１．光検出装置および粒子密度測定装置
まず、本発明の光検出装置を備える粒子密度測定装置（本発明の粒子密度測定装置）について説明する。
【００２８】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る粒子密度測定装置を示す概略図である。
【００２９】
図１に示す粒子密度測定装置１は、光検出装置１０を備え、被測定物９０中を移動（浮遊）している粒子９１の密度を測定する光学式センサーである。
【００３０】
粒子密度測定装置１は、被測定物９０に対して出射光ＬＬ１を照射し、出射光ＬＬ１が被測定物９０中の粒子９１に衝突して例えば散乱、反射または透過された干渉光ＬＬ２を検出する光検出装置１０と、光検出装置１０からの出力に基づいて被測定物９０中の粒子９１の密度を求める信号解析部６と、を備える。光検出装置１０は、出射光ＬＬ１を出射する発光素子２１を有する発光部２（発光部）と、出射光ＬＬ１を受光して光信号を電流信号に変換する第１光電変換部３１０および第２光電変換部３２０を有する受光部３（光検出部）と、電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部５と、を備える。なお、出射光ＬＬ１と干渉光ＬＬ２とを総称して「光ＬＬ」とする。
【００３１】
また、図示はしないが、図１に示す光検出装置１０および信号解析部６は、任意の筐体に収納された構成とすることができる。
【００３２】
被測定物９０（測定対象）は、粒子９１を含む流体、すなわち固体を除く気体や液体状の物質である。被測定物９０は、具体的には、例えば、粒子９１を含む空気（大気）、水、血液等である。
【００３３】
粒子９１とは、その径（平均幅）が１ｍｍ以下の固形状または液状（気体を除く状態）の微粒子のことを言う。粒子９１は、例えば、埃、塵、花粉、ＰＭ２．５（大気中に浮遊している２．５μｍ以下の微小粒子状物質）等の大気中に浮遊している粒子状物質、水中に浮遊している浮遊物質、血液中の赤血球等である。
【００３４】
したがって、粒子密度測定装置１は、例えば、花粉センサー、ガスセンサー、水質検査器、血流計測器として用いることができる。
【００３５】
以下、粒子密度測定装置１の測定原理について簡単に説明する。
図２は、図１に示す粒子密度測定装置におけるドップラー現象について説明するための図である。
【００３６】
粒子密度測定装置１は、ドップラーシフトを利用している。ドップラーシフトとは、ドップラー現象による出射光ＬＬ１の周波数が変化（周波数シフト）することを示す。発光素子２１から出射された出射光ＬＬ１は、粒子９１に出射光ＬＬ１が衝突して散乱等する。この際、粒子９１に衝突した出射光ＬＬ１の一部は、粒子９１の速度に応じたドップラーシフトを受ける。図２に示すように、例えば、周波数ｆ０の出射光ＬＬ１がドップラーシフトを受けると周波数ｆ０＋Δｆのドップラーシフト光ＬＬ２１を生じる。このドップラーシフト光ＬＬ２１とドップラーシフトを受けていない残りの出射光ＬＬ１（非ドップラーシフト光）とが干渉して干渉光ＬＬ２を生じる。干渉光ＬＬ２は、ドップラーシフト光ＬＬ２１と出射光ＬＬ１との周波数の差であるドップラーシフト量Δｆに応じたうなり（ビート信号）を生じている。粒子密度測定装置１では、このうなりを生じている干渉光ＬＬ２を検出している。これにより、微小な周波数シフトであってもドップラーシフト量Δｆを検出することができ、被測定物９０中の粒子９１の密度が比較的低い場合であっても密度を高精度に求めることができる。そのため、ドップラーシフトを利用した粒子密度測定装置１によれば、例えば、周波数シフトが比較的小さい空気中の粒子状物質や水中の浮遊物質の検出を行うことができる。
【００３７】
次に、前述した粒子密度測定装置１を構成する各部を説明する。
［光検出装置］
光検出装置１０は、前述したように、発光素子２１を有する発光部２と、第１光電変換部３１０および第２光電変換部３２０を有する受光部３と、を有する（図１参照）。
【００３８】
〈発光部〉
発光部２は、被測定物９０に対して出射光ＬＬ１を照射する発光素子２１を有する。発光素子２１としては、例えば、端面発光レーザー、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の半導体レーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）素子等が挙げられる。これらの中でも、発光素子２１としては、半導体レーザーであることが好ましく、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）であることがより好ましい。これにより、小型で、かつ、指向性の高い光を出射することができる。また、垂直共振器面発光レーザーを用いることで、例えば、所望方向に直線偏光した光を安定して出力することができる。
【００３９】
以下、発光素子２１が垂直共振器面発光レーザーで構成された場合を例に、発光素子２１の構成の一例について説明する。
【００４０】
図３は、図１に示す粒子密度測定装置が備える発光素子の構成例を示す平面図である。図４は、図３中のＡ−Ａ線断面図である。
【００４１】
図４に示すように、発光素子２１は、基板２１１と、基板２１１上に第１ミラー層２２、活性層２３および第２ミラー層２４をこの順に積層して構成された積層体と、活性層２３と第２ミラー層２４との間に設けられた電流狭窄層２５と、第２ミラー層２４上に設けられたコンタクト層２７と、第１ミラー層２２の側方に設けられた第１領域２１３と、第２ミラー層２４の側方に設けられた第２領域２１２と、を有する。ここで、第１ミラー層２２、活性層２３、第２ミラー層２４、電流狭窄層２５と、コンタクト層２７、第１領域２１３および第２領域２１２とで、構造体２０を構成している。また、発光素子２１は、基板２１１上で構造体２０の側部を覆う絶縁層２６を有する。また、発光素子２１は、第１ミラー層２２に電気的に接続された第１電極２８と、コンタクト層２７に電気的に接続された第２電極２９と、を有する。
【００４２】
基板２１１は、例えば、ｎ型のＧａＡｓからなる半導体基板である。第１ミラー層２２は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＡｓ多層膜からなるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーである。活性層２３は、例えば、ＡｌＧａＡｓの多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である。第２ミラー層２４は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＡｓ多層膜からなるＤＢＲミラーである。コンタクト層２７は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＧａＡｓ層である。また、電流狭窄層２５は、開口部２５１が形成された絶縁層である。第１領域２１３および第２領域２１２は、それぞれ、酸化層である。絶縁層２６は、例えば、ポリイミドを含んで構成されている。また、第１電極２８および第２電極２９は、それぞれ、例えば、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔまたはこれらを含む合金等を含む層を複数備える積層体である。
【００４３】
構造体２０は、平面視において、図３中上下方向における長さが図３中左右方向における長さよりも長い。この構造体２０は、図３に示すように、平面視において、ほぼ円形をなす共振部２０ｃと、共振部２０ｃの図３中上側に延びる第１歪付与部２０ａと、共振部２０ｃの図３中下側に延びる第２歪付与部２０ｂと、を有する。第１歪付与部２０ａおよび第２歪付与部２０ｂは、活性層２３に歪みを付与して、活性層２３にて発生する光を偏光させる。共振部２０ｃは、活性層２３で発生した光を共振させる。
【００４４】
このような発光素子２１は、構造体２０で共振した出射光ＬＬ１（レーザー光）を第２電極２９の開口部から出射する。すなわち、この開口部が、発光素子２１の出射光ＬＬ１を出射する出射部２１０を構成している。このような発光素子２１を用いることで、発光部２の小型化を図ることができ、かつ、指向性の高い出射光ＬＬ１を出射させることができる。
【００４５】
また、発光素子２１から出射された出射光ＬＬ１は、光軸を中心として拡がり角をもって拡がりながら出射される。また、出射光ＬＬ１は、所定の周波数を有する。出射光ＬＬ１の周波数は、例えば、粒子９１の種類に応じて設定する。また、出射光ＬＬ１は、近赤外線または可視光であることが好ましく、出射光ＬＬ１の波長は、３８０〜２０００ｎｍ程度であるのが好ましい。このような波長の出射光ＬＬ１は、波長と粒子９１のサイズとの関係から、被測定物９０中の粒子９１によって効率よく散乱される。その結果、粒子９１を、より高い感度で検出することができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、発光部２は、１つの発光素子２１を有しているが、複数の発光素子２１を有していてもよい。
【００４７】
〈受光部〉
受光部３は、干渉光ＬＬ２を検出して、干渉光ＬＬ２の光信号を電流信号に変換する機能を有する（図１参照）。
【００４８】
受光部３は、干渉光ＬＬ２の光信号を電流信号に変換する第１光電変換素子３１を有する第１光電変換部３１０と、干渉光ＬＬ２の光信号を電流信号に変換する第２光電変換素子３２を有する第２光電変換部３２０と、を有する。
【００４９】
第１光電変換素子３１および第２光電変換素子３２は、それぞれ、例えば、ＰＩＮダイオード等のフォトダイオード、フォトトランジスタ等を用いることができ、これらの中でも、フォトダイオードであることが好ましく、ＰＩＮダイオードであることがより好ましい。これにより、第１光電変換素子３１および第２光電変換素子３２の高感度化を図ることができ、その結果、受光部３の検出感度をより高めることができる。
【００５０】
以下、第１光電変換素子３１および第２光電変換素子３２がＰＩＮダイオードで構成された場合を例に、第１光電変換素子３１および第２光電変換素子３２の構成の一例について説明する。
【００５１】
図５は、図１に示す粒子密度測定装置が備える第１光電変換素子および第２光電変換素子の構成例を示す平面図である。図６は、図５中のＡ１−Ａ１線断面図である。
【００５２】
図６に示すように、第１光電変換素子３１は、基板３１５と、基板３１５上にｎ型半導体層３１１１と、空乏層３１１２およびｐ型半導体層３１１３をこの順に積層して構成された構造体３１１と、基板３１５上で構造体３１１の側部を覆う絶縁層３１２と、を有する。また、第１光電変換素子３１は、ｐ型半導体層３１１３に電気的に接続された第１電極３１３と、第１電極３１３に電気的に接続されたアノード端子３１３２と、ｎ型半導体層３１１１に電気的に接続された第２電極３１４と、第２電極３１４に電気的に接続されたカソード端子３１４２と、を有する（図５および図６参照）。
【００５３】
基板３１５は、例えば、ｎ型のＧａＡｓからなる半導体基板である。ｎ型半導体層３１１１は、例えば、ｎ型のＧａＡｓで構成されている。空乏層３１１２は、例えば、ｉ型のＧａＡｓで構成されている。ｐ型半導体層３１１３は、例えば、ｐ型のＧａＡｓで構成されている。絶縁層３１２は、例えば、ポリイミドを含んで構成されている。また、第１電極３１３、第２電極３１４、アノード端子３１３２およびカソード端子３１４２は、それぞれ、例えば、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔまたはこれらを含む合金等を含む層を複数備える積層体である。
【００５４】
このような第１光電変換素子３１は、第１電極３１３の開口部で干渉光ＬＬ２を受光する。すなわち、この開口部が、干渉光ＬＬ２を受光する第１受光面３０１を構成している。このような第１光電変換素子３１を用いることで、第１光電変換部３１０の小型化を図ることができ、かつ、検出感度を比較的高いものとすることができる。
【００５５】
第２光電変換素子３２は、前述した第１光電変換素子３１と同様の構成である。すなわち、第２光電変換素子３２は、基板３２５と、ｎ型半導体層３２１１と、空乏層３２１２およびｐ型半導体層３２１３をこの順に積層して構成された構造体３２１と、絶縁層３２２と、を有する（図５および図６参照）。また、第２光電変換素子３２は、第１電極３２３と、アノード端子３２３２と、第２電極３２４と、カソード端子３２４２と、を有する。また、第２光電変換素子３２は、第２受光面３０２を有する。
【００５６】
なお、第１受光面３０１および第２受光面３０２の平面視での形状は、図５に示すような円形に限定されず、四角形等の多角形状等であってもよく、その形状は特に限定されない。
【００５７】
図７は、図１に示す発光部と受光部とを示す図である。
図７に示すように、第１光電変換素子３１（第１光電変換部３１０）および第２光電変換素子３２（第２光電変換部３２０）は、互いにその大きさが異なる。具体的には、第１受光面３０１（第１受光部）の面積は、第２受光面３０２（第２受光部）の面積よりも大きい。
【００５８】
また、第１光電変換素子３１と発光素子２１との間の距離と、第２光電変換素子３２と発光素子２１との間の距離とは、等しい。具体的には、第１受光面３０１の幾何学的な中心Ｏ３０１（外接円の中心）と出射部２１０（出射部２１０の幾何学的な中心）との離間距離ｄ１と、第２受光面３０２の幾何学的な中心Ｏ３０２（外接円の中心）と出射部２１０（出射部２１０の幾何学的な中心）との離間距離ｄ２と、は等しい。図示では、中心Ｏ３０１は、第１受光面３０１の平面視での外形（最小の円）の中心であり、中心Ｏ３０２は、第２受光面３０２の平面視での外形（最小の円）の中心である。ここで、前述した「等しい」とは、実質的に等しいことを示し、機械的な設計および設置等の誤差を含む意味である。したがって、離間距離ｄ１、ｄ２は、おおよそ、０．９５≦ｄ１／ｄ２≦１．０５の関係を満たすことを意味する。
【００５９】
また、第１光電変換素子３１のアノード端子３１３２と第２光電変換素子３２のカソード端子３２４２とは、例えばワイヤーボンディングＢＷ等の配線によって互いに電気的に接続されている。同様に、第１光電変換素子３１のカソード端子３１４２と第２光電変換素子３２のアノード端子３２３２とは、例えばワイヤーボンディングＢＷ等の配線によって互いに電気的に接続されている。
【００６０】
また、図７では、第１光電変換素子３１および第２光電変換素子３２は、アノード端子３１３２およびカソード端子３１４２と、アノード端子３２３２およびカソード端子３２４２との間の距離が最も長くなるように配置されている。すなわち、第１光電変換素子３１および第２光電変換素子３２は、第１受光面３０１と第２受光面３０２とが近接するように配置されている。
【００６１】
図８は、図１に示す受光部が有する第１光電変換素子および第２光電変換素子と電流電圧変換部が有する電流電圧変換回路とを示す図である。
【００６２】
図８に示すように、第１光電変換素子３１と第２光電変換素子３２とは、並列接続されている。第１光電変換部３１０および第２光電変換部３２０のそれぞれが干渉光ＬＬ２の光信号を電流信号に変換して出力する。具体的には、第１光電変換素子３１には、その受光量に応じた電流Ｉ１が矢印方向に流れ、第２光電変換素子３２には、その受光量に応じた電流Ｉ２が矢印方向に流れる。そして、受光部３は、第１光電変換素子３１が出力する電流Ｉ１と第２光電変換素子３２が出力する電流Ｉ２との差分電流Ｉ３を出力する。差分電流Ｉ３は、粒子９１に衝突せずにドップラーシフトを受けていない残りの出射光ＬＬ１、すなわち非ドップラーシフト光に基づく直流成分（ＤＣ成分）と、ドップラーシフト光ＬＬ２１を含む干渉光ＬＬ２のうなりのドップラーシフト量Δｆ（差周波）に基づく交流成分（ＡＣ成分）とを有する。
【００６３】
ここで、前述したように、第１受光面３０１（第１受光部）の面積は、第２受光面３０２（第２受光部）の面積よりも大きい（図７参照）。また、前述したように、第１受光面３０１の幾何学的な中心Ｏ３０１と出射部２１０との離間距離ｄ１と、第２受光面３０２の幾何学的な中心Ｏ３０２と出射部２１０との離間距離ｄ２と、は等しい（図７参照）。このような第１光電変換素子３１および第２光電変換素子３２を備える受光部３では、差分電流Ｉ３のＤＣ成分は、第１受光面３０１の面積と第２受光面３０２の面積との差分に応じた受光感度を得ることができ、差分電流Ｉ３のＡＣ成分は、第１受光面３０１の面積と第２受光面３０２の面積との二乗加算の平方根値に応じた受光感度を得ることができる。
【００６４】
〈電流電圧変換部〉
図８に示すように、電流電圧変換部５は、受光部３から出力された電流信号（差分電流Ｉ３）を電圧信号に変換する電流電圧変換回路５１を有する。電圧は、ＤＣ成分とＡＣ成分とが合成された時間信号（時間軸波形）として出力される。
【００６５】
電流電圧変換回路５１は、入力端子Ｉｉｎ１、Ｉｉｎ２と、オペアンプ５１１と、帰還抵抗５１２と、出力端子Ｖｏｕｔとを有する。この電流電圧変換回路５１は、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）である。入力端子Ｉｉｎ１は、受光部３の端子Ｔ１に接続され、入力端子Ｉｉｎ２は、受光部３の端子Ｔ２に接続されている。オペアンプ５１１の反転入力端子（−）は、入力端子Ｉｉｎ１に接続されている。オペアンプ５１１の非反転入力端子（＋）は、接地されている。オペアンプ５１１の反転入力端子（−）と出力端子Ｖｏｕｔとの間には、帰還抵抗５１２が接続されている。このような電流電圧変換回路５１によれば、入力端子Ｉｉｎ１に入力された差分電流Ｉ３を電圧信号に変換し、出力端子Ｖｏｕｔから電圧信号を出力することができる。
【００６６】
［信号解析部］
図１に示す信号解析部６は、フーリエ変換回路（図示せず）を有しており、電圧信号を基にして周波数解析を行う機能を有する。信号解析部６は、電圧信号に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施し、得られたパワースペクトル特性を基に、ＡＣ成分に基づくパワー成分から粒子９１の量を算出することができる。また、信号解析部６は、ＡＣ成分に基づくパワー成分と、ＤＣ成分に基づくパワー成分とを用いて、粒子９１の密度を算出する。
【００６７】
以上、粒子密度測定装置１の構成について説明した。なお、粒子密度測定装置１は、図示はしないが、前述した各部以外の機能部を備えた構成とすることができる。粒子密度測定装置１は、例えば、発光素子２１の駆動を制御する発光素子駆動部を備えている。また、粒子密度測定装置１は、例えば、アナログ電圧信号を量子化した電圧値に変換するＡ／Ｄ変換回路を備えた構成とすることもできる。また、粒子密度測定装置１は、ＡＣ成分の電気信号とＤＣ成分の電気信号とをそれぞれ独立して増幅する増幅部を備えた構成とすることもできる。また、粒子密度測定装置１は、例えば、コンピューター等の外部装置（図示せず）に対し、周波数解析の結果および粒子９１の密度を無線送信する無線通信部を備えた構成とすることもできる。無線通信部は、例えば、アンテナおよび通信回路を有する。また、粒子密度測定装置１は、例えば、周波数解析の結果および粒子９１の密度を、ディスプレイを備える表示装置（図示せず）に表示させる表示部を備えた構成とすることができる。表示部は、例えば、インターフェイス回路を有する。また、粒子密度測定装置１は、例えば、使用者に所定条件である旨を報知する報知部や、バッテリーや電源回路を備えた構成とすることができる。報知部は、例えば、粒子密度測定装置１外に視認可能な光を発生する発光ダイオードや、使用者が聴取可能な音声を発生させるオーディオ回路およびスピーカー等で構成することができる。また、発光部２と受光部３との間に、光ＬＬの照射領域を拡大する光学部品が設けられていてもよい。
【００６８】
以上説明したように、粒子密度測定装置１が備える光検出装置１０は、光ＬＬを出射する発光素子２１を備える。また、粒子密度測定装置１は、受光した光ＬＬの強度に応じた信号を出力する第１光電変換素子３１を有する第１光電変換部３１０と、受光した光ＬＬの強度に応じた信号を出力する第２光電変換素子３２を有する第２光電変換部３２０とを有し、第１光電変換部３１０から出力された電流Ｉ１（出力信号）と第２光電変換部３２０から出力された電流Ｉ２（出力信号）との差分電流Ｉ３（差分信号）を出力する受光部３（光検出部）を備える。そして、前述したように、第１光電変換部３１０が受光する第１受光面３０１（第１受光部）の面積は、第２光電変換部３２０が受光する第２受光面３０２（第２受光部）の面積よりも大きい（図７参照）。
【００６９】
ここで、第１光電変換素子３１から出力される電流Ｉ１のＡＣ成分は、ＤＣ成分よりも強度が非常に小さい。第２光電変換素子３２の電流Ｉ２についても同様である。そのため、仮に、電流電圧変換部５において、強度の低いＡＣ成分を増幅するように回路増幅度を設計した場合、それに伴ってＤＣ成分の強度が非常に高くなってしまい、電圧信号のＤＣ成分が出力電圧範囲内に収まらなくなる。それゆえ、設計増幅度が律速されてしまい（ダイナミックレンジが悪く）、ＡＣ成分を精度よく検出することが難しい。そこで、本実施形態における光検出装置１０では、受光部３を、電流Ｉ１と電流Ｉ２との差分電流Ｉ３を出力する構成とし、これにより、差分電流Ｉ３のＤＣ成分を低減し、ＡＣ成分を増幅している。これにより、電圧信号のＤＣ成分を出力電圧範囲内に収め、ＡＣ成分を精度よく検出することができる。
【００７０】
なお、第１光電変換素子３１と第２光電変換素子３２とでは、その設置位置の違いによって、受光する干渉光ＬＬ２の散乱の経路が異なる。そのため、電流Ｉ１および電流Ｉ２のそれぞれのＤＣ成分は、同相成分であることに対し、電流Ｉ１および電流Ｉ２のそれぞれのＡＣ成分は、非同相成分を多く含み、無相関となる。そのため、前述したように、受光部３から出力される差分電流Ｉ３では、ＤＣ成分が打ち消され、ＡＣ成分は打ち消されずに合算される。そのため、前述したように、電流Ｉ１と電流Ｉ２との差分電流Ｉ３を出力する受光部３によれば、ＤＣ成分を低減することができ、ＡＣ成分を増幅することができる。その結果、ＡＣ成分を精度よく検出することができ、よって、被測定物９０中の粒子９１の密度が比較的低い場合であっても、その検出精度をより高くすることができる。
【００７１】
さらに、光検出装置１０は、第１受光面３０１の面積が、第２光電変換部３２０の光ＬＬを受光する第２受光面３０２の面積よりも大きい。そのため、光検出装置１０によれば、差分電流Ｉ３のＤＣ成分は、第１受光面３０１の面積と第２受光面３０２の面積との差分に応じた受光感度を得ることができ、差分電流Ｉ３のＡＣ成分は、第１受光面３０１の面積と第２受光面３０２の面積との二乗加算の平方根値に応じた受光感度を得ることができる。それゆえ、ＤＣ成分を完全に相殺して除去することなく、ＤＣ成分の一部を相殺して低減しつつ、ＡＣ成分を増幅することができるので、ＤＣ成分とＡＣ成分とのそれぞれを同時にかつ精度よく得ることができる。その結果、ＤＣ成分およびＡＣ成分をそれぞれ個別に増幅するための増幅回路を別途設ける必要がなく、よって、光検出装置１０の部品点数を増加させることがない。したがって、光検出装置１０の構造の簡素化および小型化を図ることができる。
【００７２】
また、第１受光面３０１（第１受光部）の面積をＳ１とし、第２受光面３０２（第２受光部）の面積をＳ２としたとき、下記式（１）を満足することが好ましく、下記式（２）を満足することがより好ましく、下記式（３）を満足することがさらに好ましい。
【００７３】
【数２】
2018140039.tif 000004
【００７４】
【数３】
2018140039.tif 000005
【００７５】
【数４】
2018140039.tif 000006
【００７６】
これにより、電圧信号のＤＣ成分を出力電圧範囲内に容易かつ確実に収めることができるとともに、ＡＣ成分とＤＣ成分とをそれぞれ特に精度よく検出することができる。また、粒子密度測定装置１がＡ／Ｄ変換回路（図示せず）を備える構成である場合、そのＡ／Ｄ変換回路における分解能を十分に高めることができる。
【００７７】
また、上記式（１）中の（Ｓ１−Ｓ２）は、０．０００１ｍｍ２以上１ｍｍ２以下であり、かつ、上記式（１）中の√（Ｓ１２＋Ｓ２２）は、０．１ｍｍ２以上２００ｍｍ２以下であることが好ましい。また、（Ｓ１−Ｓ２）は、０．００１ｍｍ２以上０．９ｍｍ２以下であり、かつ、√（Ｓ１２＋Ｓ２２）は、０．１５ｍｍ２以上１５０ｍｍ２以下であることがより好ましい。また、（Ｓ１−Ｓ２）は、０．０１ｍｍ２以上０．５ｍｍ２以下であり、かつ、√（Ｓ１２＋Ｓ２２）は、０．２ｍｍ２以上１００ｍｍ２以下であることがさらに好ましい。これにより、ＡＣ成分とＤＣ成分とをそれぞれ特に精度よく検出することができるとともに、光検出装置１０の小型化を特に効果的に図ることができる。
【００７８】
以下の表１に、第１受光面３０１の面積と第２受光面３０２の面積との関係の一例を示す。これは、図５および図６に示す第１光電変換素子３１および第２光電変換素子の構成で、離間距離ｄ１、ｄ２をそれぞれ１ｍｍとした場合の結果の一例である。また、電流電圧変換回路５１での増幅率は、例えば、４×１０６［Ｖ／Ａ］とした。
【００７９】
【表１】
2018140039.tif 000007
【００８０】
例えば、表１の２行目に示すように、仮に、光電変換素子が１つである場合、すなわち、仮に、光検出装置１０が第１光電変換素子３１を備え、第２光電変換素子３２を備えていない構成である場合に、第１受光面３０１の面積Ｓ１（面積Ｓ）が０．０７ｍｍ２であると、（Ｓ１−Ｓ２）は０．０７ｍｍ２となり、√（Ｓ１２＋Ｓ２２）は０．０７ｍｍ２となる。
【００８１】
これに対して、第１受光面３０１の面積Ｓ１が０．１４ｍｍ２であり、第２受光面３０２の面積Ｓ２が０．０７ｍｍ２であるとき、（Ｓ１−Ｓ２）は０．０７ｍｍ２となり、√（Ｓ１２＋Ｓ２２）は０．１６ｍｍ２となる。すなわち、ＡＣ成分が、光電変換素子が１つである場に比べておよそ２．２倍となる。また、第１受光面３０１の面積Ｓ１が０．４２ｍｍ２であり、第２受光面３０２の面積Ｓ２が０．３５ｍｍ２であるとき、（Ｓ１−Ｓ２）は０．０７ｍｍ２となり、√（Ｓ１２＋Ｓ２２）は０．５５ｍｍ２となる。すなわち、ＡＣ成分が、光電変換素子が１つである場に比べておよそ７．８倍となる。また、第１受光面３０１の面積Ｓ１が３．５７ｍｍ２であり、第２受光面３０２の面積Ｓ２が３．５０ｍｍ２であるとき、（Ｓ１−Ｓ２）は０．０７ｍｍ２となり√（Ｓ１２＋Ｓ２２）は５．００ｍｍ２となる。すなわち、ＡＣ成分が、光電変換素子が１つである場に比べておよそ７１．４倍となる。また、第１受光面３０１の面積Ｓ１が３５．０７ｍｍ２であり、かつ、第２受光面３０２の面積Ｓ２が３５．０ｍｍ２であるとき、（Ｓ１−Ｓ２）は０．０７ｍｍ２となり、√（Ｓ１２＋Ｓ２２）は４９．５ｍｍ２となる。すなわち、ＡＣ成分が、光電変換素子が１つである場に比べておよそ７０８倍となる。
【００８２】
このように、光検出装置１０は、第１光電変換素子３１とそれよりも受光面積が小さい第２光電変換素子３２とを用いることで、（Ｓ１−Ｓ２）を低減したまま、√（Ｓ１２＋Ｓ２２）を増幅することができる。したがって、光検出装置１０によれば、第１受光面３０１の面積Ｓ１と第２受光面３０２の面積Ｓ２を調節することで、ＡＣ成分およびＤＣ成分の双方をより精度よく検出することができる。
【００８３】
また、前述したように、発光素子２１と「第１受光部」としての第１受光面３０１（具体的には中心Ｏ３０１）との離間距離ｄ１と、発光素子２１と「第２受光部」としての第２受光面３０２（具体的には中心Ｏ３０２）との離間距離ｄ２とは、等しい。これにより、第１受光面３０１の面積を第２受光面３０２の面積よりも大きくすることにより、ＤＣ成分とＡＣ成分とを同時に精度よく得ることができるという効果を十分に発揮することができる。また、ＡＣ成分とＤＣ成分とをそれぞれより精度よく検出するための第１受光面３０１の面積と第２受光面３０２の面積の調節が容易であり、構造の組立てが容易である。なお、「等しい」とは、前述したように、実質的に等しいことを示し、機械的な設計および設置等の誤差を含む意味である。したがって、離間距離ｄ１、ｄ２は、おおよそ、０．９５≦ｄ１／ｄ２≦１．０５の関係を満たすことを意味する。
【００８４】
また、前述したように、光検出装置１０は、受光部３（光検出部）から出力された差分電流Ｉ３を電圧信号に変換する電流電圧変換部５を備える。電流電圧変換部５は、本実施形態では、電流電圧変換回路５１を備える（図８参照）。これにより、前述したように、第１受光面３０１の面積が第２受光面３０２の面積よりも大きいので、電流電圧変換部５から出力された電圧信号は、ＤＣ成分が低減され、ＡＣ成分が増幅されたものとなる。
【００８５】
また、前述したように、第１光電変換素子３１のアノード端子３１３２と第２光電変換素子３２のカソード端子３２４２とが互いに接続され、かつ、第１光電変換素子３１のカソード端子３１４２と第２光電変換素子３２のアノード端子３２３２とが互いに接続されている。これにより、第１光電変換素子３１から出力される電流Ｉ１のＤＣ成分の一部と第２光電変換素子３２から出力される電流Ｉ２のＤＣ成分の一部とを相殺して、差分電流Ｉ３のＤＣ成分をより効果的に低減することができる。そのため、ＡＣ成分をより精度よく検出することができる。
【００８６】
以上のような粒子密度測定装置１は、前述したように、光検出装置１０と、光検出装置１０から出力された信号（電圧信号）を基にして被測定物９０中の粒子９１の密度を求める信号解析部６と、を有する。このような本発明の粒子密度測定装置１によれば、前述したように、小型な光検出装置１０を備えているため、小型化を図ることができる。
【００８７】
図９は、図７に示す第１光電変換素子および第２光電変換素子の配置の変形例を示す図である。
【００８８】
図９に示す受光部３ａでは、第１光電変換素子３１と第２光電変換素子３２とは、アノード端子３１３２およびカソード端子３１４２と、アノード端子３２３２およびカソード端子３２４２とが近接するように配置されている。このような配置とすることで、第１光電変換素子３１と第２光電変換素子３２とを接続するワイヤーボンディングＢＷの長さを短くすることができ、断線等のおそれをより低減することができる。
【００８９】
図１０は、図７に示す第１光電変換素子および第２光電変換素子の配置の変形例を示す図である。図１１は、図１０中のＡ２−Ａ２線断面図である。
【００９０】
図１０および図１１に示す受光部３ｂでは、第１光電変換素子３１のアノード端子３１３２上に第２光電変換素子３２のカソード端子３２４２が設けられ、第２光電変換素子３２のアノード端子３２３２上に第１光電変換素子３１のカソード端子３１４２が設けられている。これにより、アノード端子３１３２とカソード端子３２４２とが電気的に接続され、アノード端子３２３２とカソード端子３１４２とが電気的に接続されている。このような構成とすることで、実装工程を減らしつつ断線等のおそれをより低減するとともに、受光部３ｂの小型化をより効果的に図ることができる。
【００９１】
図１２は、図８に示す受光部の変形例を示す図である。
図１２に示すように、受光部３ｃでは、第１光電変換素子３１のカソード端子と第２光電変換素子３２のカソード端子とが接続されている。第１光電変換素子３１と第２光電変換素子３２とは直列接続されている。第１光電変換素子３１のカソード端子と第２光電変換素子３２のカソード端子との間にはバイアス部３１８が接続されている。第１光電変換素子３１および第２光電変換素子３２に対し正電圧（＞０Ｖ）のバイアスを印加する。また、第１光電変換素子３１のアノード端子は、端子Ｔ１に接続され、第２光電変換素子３２のアノード端子は端子Ｔ２に接続されている。このような受光部３ｃによっても、電流Ｉ１と電流Ｉ２との差分電流Ｉ３を端子Ｔ１から出力することができる。
【００９２】
図１３は、図８に示す受光部の変形例を示す図である。
図１３に示すように、受光部３ｄでは、第１光電変換素子３１のアノード端子と第２光電変換素子３２のアノード端子とが接続されている。第１光電変換素子３１と第２光電変換素子３２とは直列接続されている。第１光電変換素子３１のアノード端子と第２光電変換素子３２のアノード端子との間にはバイアス部３１９が接続されている。これにより、第１光電変換素子３１および第２光電変換素子３２に対し負電圧（＜０Ｖ）のバイアスを印加する。また、第１光電変換素子３１のカソード端子は、端子Ｔ１に接続され、第２光電変換素子３２のカソード端子は端子Ｔ２に接続されている。このように接続された受光部３ｄによっても、電流Ｉ１と電流Ｉ２との差分電流Ｉ３を端子Ｔ１から出力することができる。
【００９３】
なお、本実施形態では、電流電圧変換部５が有する電流電圧変換回路５１では、端子Ｔ１から出力された電流信号（差分電流Ｉ３）を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）を用いたが、これの代わりに、端子Ｔ１および端子Ｔ
２から出力された電流信号（差分電流Ｉ３）をそれぞれ独立して電圧信号に変換し、作動出力する作動型のトランスインピーダンスアンプを用いてもよい。
【００９４】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００９５】
図１４は、本発明の第２実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光検出装置の受光部および電流電圧変換部を示す図である。
【００９６】
本実施形態は、受光部および電流電圧変換部の構成が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【００９７】
図１４に示す光検出装置１０Ａが備える受光部３Ａでは、第１光電変換素子３１のアノード端子と第２光電変換素子３２のカソード端子とが接続されている。第１光電変換素子３１と第２光電変換素子３２とは直列接続されている。第１光電変換素子３１のアノード端子と第２光電変換素子３２のカソード端子との接続点ｐ１は端子Ｔ３に接続されている。
【００９８】
第１光電変換素子３１Ａには、その受光量に応じた電流Ｉ１が矢印方向に流れ、第２光電変換素子３２Ａには、その受光量に応じた電流Ｉ２が矢印方向に流れる。接続点ｐ１および端子Ｔ３には、電流Ｉ１から電流Ｉ２を差し引いた差分電流Ｉ３が矢印方向に流れる。
【００９９】
電流電圧変換部５Ａが備える電流電圧変換回路５２は、入力端子Ｉｉｎ、抵抗５２１、ＮＰＮトランジスタで構成された第１増幅回路５２２、コンデンサー５２３、第２増幅回路５２４とを有する。入力端子Ｉｉｎは端子Ｔ３に接続されている。第１増幅回路５２２において、ベースに入力される差分電流Ｉ３が抵抗５２１を流れ、出力点ｐ２においてＡＣ成分とＤＣ成分を含む電圧が出力される。コンデンサー５２３において出力電圧のＤＣ成分が除去され、ＡＣ成分が第２増幅回路５２４に出力される。第２増幅回路５２４は、反転増幅回路などで構成され、コンデンサー５２３からのＡＣ成分を増幅して出力端子Ｖｏｕｔに出力する。
【０１００】
以上説明したように、光検出装置１０Ａでは、第１光電変換素子３１Ａおよび第２光電変換素子３２Ａは、第１光電変換素子３１Ａのアノード端子と第２光電変換素子３２Ａのカソード端子とが互いに接続されて、直列に接続されている。このような光検出装置１０Ａによっても、第１光電変換素子３１Ａから出力される電流Ｉ１のＤＣ成分の一部と第２光電変換素子３２Ａから出力される電流Ｉ２のＤＣ成分の一部とを相殺して、差分電流Ｉ３のＤＣ成分をより効果的に低減することができる。そのため、ＡＣ成分をより精度よく検出することができる。
【０１０１】
以上説明したような第２実施形態の光検出装置１０Ａによっても、小型化を図ることができ、よって、光検出装置１０Ａを備える粒子密度測定装置１Ａの小型化を図ることができる。
【０１０２】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
【０１０３】
図１５は、本発明の第３実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光検出装置の発光部および受光部を示す図である。
【０１０４】
本実施形態は、受光部の構成が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。なお、以下の説明では、第３実施形態に関し、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【０１０５】
図１５に示すように、受光部３Ｂが備える第１光電変換部３１０Ｂの第１光電変換素子３１Ｂは、平面視で櫛歯状をなす。同様に、第２光電変換部３２０Ｂの第２光電変換素子３２Ｂは、平面視で櫛歯状をなす。第１受光面３０１Ｂおよび第２受光面３０２Ｂも、それぞれ櫛歯状をなす。
【０１０６】
また、第１光電変換素子３１Ｂは、５本の櫛歯を有し、第２光電変換素子３２Ｂは、４本の櫛歯を有する。第１光電変換素子３１Ｂが有する各櫛歯の幅と、第２光電変換素子３２Ｂが有する各櫛歯の幅とは、等しい。したがって、第１受光面３０１Ｂの面積は、第２受光面３０２Ｂの面積よりも大きい。
【０１０７】
また、第２光電変換素子３２Ｂの各櫛歯は、第１光電変換素子３１Ｂの２つの櫛歯の間に位置しており、第１光電変換素子３１Ｂと第２光電変換素子３２Ｂとは所定の離間距離を有して噛み合うように配置されている。そして、図示はしないが、第１光電変換素子３１Ｂの中心と発光素子２１の出射部２１０との平均化された離間距離と、第２光電変換素子３２Ｂの中心と発光素子２１の出射部２１０との平均化された離間距離とは、等しい。ここで、平均化された離間距離とは、出射部２１０と第１光電変換素子３１Ｂの各櫛歯との間の距離の平均である。同様に、平均化された離間距離とは、出射部２１０と第２光電変換素子３２Ｂの各櫛歯との間の距離の平均である。
【０１０８】
このような光検出装置１０Ｂによっても、前述した光検出装置１０と同様に、ＤＣ成分を完全に相殺して除去することなく、ＤＣ成分の一部を相殺して低減し、ＡＣ成分を増幅することができ、ＤＣ成分とＡＣ成分とのそれぞれを同時にかつ精度よく得ることができる。その結果、光検出装置１０の部品点数を増加させることなく、よって、光検出装置１０の構造の簡素化および小型化を図ることができる。また、光検出装置１０Ｂによれば、第１光電変換素子３１Ｂと第２光電変換素子３２Ｂとの設置位置の違いによる干渉光ＬＬ２の散乱の経路の違いを低減することができる。そのため、より精度よく粒子９１の密度を測定することができる。
【０１０９】
なお、第１光電変換素子３１Ｂの櫛歯の数は、５本に限定されず、２本、３本、４本、６本以上であってもよい。また、第２光電変換素子３２Ｂの櫛歯の数は、４本に限定されず、２本、３本、５本以上であってもよい。また、第１光電変換素子３１Ｂの櫛歯の数と第２光電変換素子３２Ｂの櫛歯の数は同じであってもよい。その場合には、例えば、第１光電変換素子３１Ｂの櫛歯の幅を第２光電変換素子３２Ｂの櫛歯の幅よりも大きくすればよい。
【０１１０】
以上説明したような第３実施形態の光検出装置１０Ｂによっても、小型化を図ることができ、よって、光検出装置１０Ｂを備える粒子密度測定装置１Ｂの小型化を図ることができる。
【０１１１】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
【０１１２】
図１６は、本発明の第４実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光検出装置の発光部および受光部を示す図である。図１７は、図１６に示す受光部の回路構成を示す図である。図１８は、図１６に示す受光部の第１光電変換素子と第２光電変換素子の配線の一例を示す図である。
【０１１３】
本実施形態は、光学系ユニットの構成が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。なお、以下の説明では、第４実施形態に関し、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【０１１４】
図１６に示すように、受光部３Ｃが備える第１光電変換部３１０Ｃは、５つの第１光電変換素子３１を有する。また、第２光電変換部３２０Ｃは、４つの第２光電変換素子３２を有する。また、本実施形態では、各第１光電変換素子３１の第１受光面３０１の面積および各第２光電変換素子３２の第２受光面３０２の面積は、等しい。第１光電変換素子３１の数は、第２光電変換素子３２の数よりも多く、よって、第１受光面３０１の面積の合計は、第２受光面３０２の面積の合計よりも大きい。
【０１１５】
また、５つの第１光電変換素子３１および４つの第２光電変換素子３２は、発光素子２１の出射部２１０を中心とした同一の円周Ａ１０上に設けられている。より具体的には、各第１受光面３０１の中心Ｏ３０１および各第２受光面３０２の中心Ｏ３０２が、円周Ａ１０上に位置している。したがって、各第１光電変換素子３１の離間距離ｄ１および各第２光電変換素子３２の離間距離ｄ２は、等しい。また、第１光電変換素子３１と第２光電変換素子３２とは交互に配置されている。なお、第１光電変換素子３１の数は、第２光電変換素子３２の数よりも多いため、図１６中の左上側に示すように、２つの第１光電変換素子３１同士が隣り合って配置されている箇所がある。
【０１１６】
このような受光部３Ｃでは、図１７に示すように、第１光電変換素子３１と第２光電変換素子３２とが並列接続されている。また、受光部３Ｃでは、図１８に示すように、隣り合う第１光電変換素子３１と第２光電変換素子３２とにおいて、第１光電変換素子３１のアノード端子３１３２と第２光電変換素子３２のカソード端子３２４２とが例えばワイヤーボンディングＢＷによって互いに電気的に接続されている。同様に、第１光電変換素子３１のカソード端子３１４２と第２光電変換素子３２のアノード端子３２３２とが例えばワイヤーボンディングＢＷによって互いに電気的に接続されている。
【０１１７】
なお、５つの第１光電変換素子３１と４つの第２光電変換素子３２とのうちの、１つの第１光電変換素子３１のアノード端子が外部出力のためのワイヤーボンディングＢＷ１に接続され、かつ、その１つの第１光電変換素子３１のカソード端子が外部出力のためのワイヤーボンディングＢＷ１に接続されていればよい（図１８参照）。
【０１１８】
以上説明したように、光検出装置１０Ｃでは、第１光電変換部３１０Ｃは、複数「本実施形態では５つ）の第１光電変換素子３１を有し、第２光電変換部３２０Ｃは、複数（本実施形態では４つ）の第２光電変換素子を有する。また、「第１受光部」は、第１光電変換素子３１の光ＬＬ（干渉光ＬＬ２）を受光する第１受光面３０１の面積の合計である。また、「第２受光部」は、第２光電変換素子３２の光ＬＬ（干渉光ＬＬ２）を受光する第２受光面３０２の面積の合計である。このような光検出装置１０Ｃによれば、第１受光部の面積（第１受光面３０１の合計面積）および第２受光部の面積（第２受光面３０２の合計面積）を簡単に増大させることができ、よって、検出感度を簡単に高めることができる。また、第１光電変換素子３１および第２光電変換素子３２の各数の増減を行うことで、第１受光部の面積と第２受光部の面積との比率の調節を容易に行うことができる。
【０１１９】
なお、第１光電変換素子３１の数は、５つに限定されず、２つ、３つ、４つ、６つ以上であってもよい。また、第２光電変換素子３２の数は、４つに限定されず、２つ、３つ、５つ以上であってもよい。また、複数の第１光電変換素子３１および複数の第２光電変換素子３２の配置は、図示の配置に限定されず、任意である。
【０１２０】
以上説明したような第３実施形態の光検出装置１０Ｃによっても、小型化を図ることができ、光検出装置１０Ｃを備える粒子密度測定装置１Ｃの小型化を図ることができる。
【０１２１】
２．ウエアラブル機器
以上説明したよう本発明の粒子密度測定装置は、各種ウエアラブル機器に組み込むことができる。以下、本発明の粒子密度測定装置を備えるウエアラブル機器を適用した腕時計について説明する
【０１２２】
図１９は、本発明のウエアラブル機器の一例である腕時計を示す図である。
図１９に示す時計８０は、腕時計であり、使用者の手首に装着することができる。この時計８０は、例えば、大気環境下または水中環境下で用いることができる。
【０１２３】
図１９に示すように、時計８０は、各種電子部品等を収納している筐体８１と、筐体８１に接続され、使用者が装着する際に用いるバンド８２と、時刻等の情報を表示する表示部８３と、を有する。
【０１２４】
このような時計８０の筐体８１内には、前述した粒子密度測定装置１（または粒子密度測定装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）が搭載されている。また、時計８０は、粒子密度測定装置１から出力される粒子９１の密度に関する情報を表示部８３に表示することができる。
【０１２５】
また、時計８０の側面には、筐体８１内に空気等の流体を侵入させるための筐体８１の内外を連通する貫通孔８４が形成されている。粒子密度測定装置１は、貫通孔８４を介して侵入した空気等の流体を被測定物９０として、被測定物９０中の粒子９１（例えば花粉等）の密度を計測する。
【０１２６】
このようなウエアラブル機器の一例である時計８０は、前述したように、粒子密度測定装置１を備える。このような時計８０によれば、小型であり、かつ、小型にすることによる検出精度の低下が低減された粒子密度測定装置１を備えているため、持ち運びが容易であるとともに、リアルタイムで使用者の環境下における被測定物９０中の粒子９１の密度を測定することができる。
【０１２７】
なお、本発明のウエアラブル機器は、前述したものに限定されず、例えば、スマートフォン、タブレット端末、携帯電話機、ヘッドマウントディスプレイ、医療機器等に適用することができる。
【０１２８】
以上、本発明の光検出装置、粒子密度測定装置およびウエアラブル機器について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１２９】
１…粒子密度測定装置、１Ａ…粒子密度測定装置、１Ｂ…粒子密度測定装置、１Ｃ…粒子密度測定装置、２…発光部、３…受光部、３Ａ…受光部、３Ｂ…受光部、３Ｃ…受光部、３ａ…受光部、３ｂ…受光部、３ｃ…受光部、３ｄ…受光部、５…電流電圧変換部、５Ａ…電流電圧変換部、６…信号解析部、１０…光検出装置、１０Ａ…光検出装置、１０Ｂ…光検出装置、１０Ｃ…光検出装置、２０…構造体、２０ａ…第１歪付与部、２０ｂ…第２歪付与部、２０ｃ…共振部、２１…発光素子、２２…第１ミラー層、２３…活性層、２４…第２ミラー層、２５…電流狭窄層、２６…絶縁層、２７…コンタクト層、２８…第１電極、２９…第２電極、３１…第１光電変換素子、３１Ａ…第１光電変換素子、３１Ｂ…第１光電変換素子、３２…第２光電変換素子、３２Ａ…第２光電変換素子、３２Ｂ…第２光電変換素子、５１…電流電圧変換回路、５２…電流電圧変換回路、８０…時計、８１…筐体、８２…バンド、８３…表示部、８４…貫通孔、９０…被測定物、９１…粒子、２１０…出射部、２１１…基板、２１２…第２領域、２１３…第１領域、２５１…開口部、３０１…第１受光面、３０１Ｂ…第１受光面、３０２…第２受光面、３０２Ｂ…第２受光面、３１０…第１光電変換部、３１０Ｂ…第１光電変換部、３１０Ｃ…第１光電変換部、３１１…構造体、３１２…絶縁層、３１３…第１電極、３１４…第２電極、３１５…基板、３１８…バイアス部、３１９…バイアス部、３２０…第２光電変換部、３２０Ｂ…第２光電変換部、３２０Ｃ…第２光電変換部、３２１…構造体、３２２…絶縁層、３２３…第１電極、３２４…第２電極、３２５…基板、５１１…オペアンプ、５１２…帰還抵抗、５２１…抵抗、５２２…第１増幅回路、５２３…コンデンサー、５２４…第２増幅回路、３１１１…ｎ型半導体層、３１１２…空乏層、３１１３…ｐ型半導体層、３１３２…アノード端子、３１４２…カソード端子、３２１１…ｎ型半導体層、３２１２…空乏層、３２１３…ｐ型半導体層、３２３２…アノード端子、３２４２…カソード端子、Ａ１０…円周、ＢＷ…ワイヤーボンディング、ＢＷ１…ワイヤーボンディング、Ｉ１…電流、Ｉ２…電流、Ｉ３…差分電流、Ｉｉｎ…入力端子、Ｉｉｎ１…入力端子、Ｉｉｎ２…入力端子、ＬＬ…光、ＬＬ１…出射光、ＬＬ２…干渉光、ＬＬ２１…ドップラーシフト光、Ｏ３０１…中心、Ｏ３０２…中心、Ｔ１…端子、Ｔ２…端子、Ｔ３…端子、Ｖｏｕｔ…出力端子、ｄ１…離間距離、ｄ２…離間距離、ｆ０…周波数、ｆ０＋Δｆ…周波数、ｐ１…接続点、ｐ２…出力点、Δｆ…ドップラーシフト量
【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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