(57)【要約】    【課題】光検出不能領域を有する光センサーの光強度の情報の低下を抑えること、又は、光センサーの光検出不能領域に照射される光を有効に活用すること。    【解決手段】複数個の光検出領域と、光検出領域に隣接した光検出不能領域を持つ光検出面を有する光センサーと、光検出面に光を照射する光照射部と、光の照射位置に対して光検出面を相対的に変位する変位作用部と、を備え、光の照射位置を光検出面に対して相対的に変位して、光検出不能領域に照射されている光を光検出領域に照射する、光検出装置、又は光検出方法。 【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の光検出領域と、光検出領域に隣接した光検出不能領域を持つ光検出面を有する光センサーと、
光検出面に光を照射する光照射部と、
光の照射位置に対して光検出面を相対的に変位する変位作用部と、を備え、
光の照射位置を光検出面に対して相対的に変位して、光検出不能領域に照射されている光を光検出領域に照射する、光検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光検出装置において、
変位作用部は、光の照射位置に対して光検出面を振動させる、光検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光検出装置において、
光センサーからの電気信号を増幅する増幅器を備え、
増幅器は、光の照射位置の振動に合わせて時間分解増幅又はロックイン増幅をする、光検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光検出装置において、
光照射部は、複数の波長の光線を同時に光検出面に照射する、光検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光検出装置において、
光照射部は、光パターンを光検出面に照射する、光検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光検出装置において、
光検出面に対向して配置される画素スリットを備える、光検出装置。
【請求項７】
複数個の光検出領域と、光検出領域に隣接して光検出不能領域を有する光検出面を備えた光センサーで光を検出する、光検出方法において、
光の照射位置に対して光検出面を相対的に変位して、光検出不能領域に照射されている光を光検出領域に照射する、光検出方法。
【請求項８】
請求項７に記載の光検出方法において、
光の照射位置に対して光検出面を振動し、この振動に合わせて時間分解増幅又はロックイン増幅をする、光検出方法。
【請求項９】
請求項７に記載の光検出方法において、
光の照射位置に対して光検出面を相対的に変位する変位量は、少なくとも複数の光検出領域に跨る幅とする、光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ、フォトダイオードアレイ、ＭＣＰなどの複数の光検出素子や増幅素子で構成された光検出面を有する光センサーを用いた光検出に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、マルチチャンネル型分光器は、回折格子などからなる分光系より光を波長ごとに分離し、固定されたＣＣＤやフォトダイオードアレイなどの面検出型光センサーを用いて分離した光を測定し、光強度の情報を測定していた。しかし、面検出型光センサーは、いずれも微細な光検出素子の集合体である。そのため、画素と同程度あるいはそれ以下の大きさの光は、画素と画素にまたがって照射されると、画素間の光検出不能領域にも照射され、光の強度が低下すると共に、それぞれの画素にも分散して出力され、光強度の情報が低下することになる。更に、二つの画素から光強度の情報が出力されるため、分解能が低下することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
（１）本発明は、光検出不能領域を有する光センサーの光強度の情報の低下を抑えることにある。
（２）また、本発明は、光センサーの光検出不能領域に照射される光を有効に活用することにある。
（３）また、本発明は、光検出領域の大きさで決まる分解能を超える分解能を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（１）本発明は、複数個の光検出領域と、光検出領域に隣接した光検出不能領域を持つ光検出面を有する光センサーと、光検出面に光を照射する光照射部と、光の照射位置に対して光検出面を相対的に変位する変位作用部と、を備え、光の照射位置を光検出面に対して相対的に変位して、光検出不能領域に照射されている光を光検出領域に照射する、光検出装置にある。
（２）また、本発明は、複数個の光検出領域と、光検出領域に隣接して光検出不能領域を有する光検出面を備えた光センサーで光を検出する、光検出方法において、光の照射位置に対して光検出面を相対的に変位して、光検出不能領域に照射されている光を光検出領域に照射する、光検出方法にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
（光検出装置）
光検出装置は、分光器やパターン検出装置などに用いられる光センサー、光センサーに光を照射する光照射部、光センサーの光検出面と光の照射位置を相対的に変位する変位作用部などを備えている。この構成により、光検出装置は、光検出面の変位と同期して、照射光を測定することで、光の照射位置と強度の情報を同時に検出することができる。それにより、光検出装置は、例えば、画素と同程度、或いはそれ以下の大きさの光線が、光検出面の画素と画素の間の光検出不能領域に照射された際に生じる感度や分解能などの低下を防止することができる。又は、光検出装置は、光検出面に照射される光パターンの境界が、画素と画素の間の光検出不能領域にかかる場合でも、パターンの境界位置を正確に測定することができる。又は、光センサーの経年変化による画素毎の感度のばらつきや、若しくは、不良画素があっても、その近傍の画素を用いて、補正することができる。又は、見かけ上の画素数の分解能を向上することができる。
【０００６】
光センサーは、ＣＣＤ、フォトダイオードアレイ、ＭＣＰなど複数の光検出素子や増感素子が線状又は面状に配列されたものである。また、光センサーは、光を線状又は面状に検出できる光検出面を備えている。光検出面は、光を検出できる複数の光検出領域と、光を検出できない光検出不能領域とを備えている。光検出領域は、光を検出できる領域であり、画素であり、例えばＣＣＤ、受光ダイオードなどの光検出素子や増感素子などがある。光検出不能領域は、光検出領域の間の光を検出できない領域、又は、光検出が不能になった光検出領域又は感度が劣化した光検出領域である。光検出が不能になった光検出領域又は感度が劣化した光検出領域は、例えば、不良画素、不良の光検出素子、不良の増感素子がある。光センサーのＣＣＤは、近紫外から近赤外に感度があり、蛍光面と組み合わせることで、深紫外からＸ線領域まで使用可能となる。又は、光センサーは、ＣＣＤと、ＭＣＰなどのイメージインテンシフファイヤーと組み合わせることで、感度を向上することができる。フォトダイオードアレイは、Ｘ線領域から可視光に感度があり、光増幅器やゲート機能を持つＩＳＰＤなどがある。
【０００７】
変位作用部は、光センサーの光検出面と、光検出面の光の照射位置を相対的に変位するものである。変位とは、移動、振動など位置の変化を言い、どのような方法でも行っても良い。変位作用部は、例えば、ピエゾ素子を使用でき、微細な振動を物体に付与することができる。変位作用部は、光センサーに変位を付与しても、又は、光を照射する側の光照射部に変位を付与しても良い。
【０００８】
図１は、マルチチャンネル型分光器（ポリクロメータ）として使用する光検出装置の例を示している。マルチチャンネル型分光器は、複数の波長の光を同時に測定する分光器である。光源１からの光は、入射スリット１２を通り、絞られて回折格子１３に入射する。その光は、回折格子１３により、波長ごとに分離される。分離された異なった波長の各光線１４は、光センサー２０の光検出面２１の異なった位置に入射する。光センサー２０の光検出面２１は、多数の光検出領域２２と、光検出領域２２の間にある光検出不能領域２３を有する。光照射部１０は、光源１１、入射スリット１２、回折格子１３などで構成される。
【０００９】
光検出面２１で受光した各光線１４、１４、・・・の位置と強度の信号は、増幅器４１で増幅して、コンピュータ４０で処理される。これにより、異なった波長の光の照射位置と強度は、コンピュータ４０の記憶装置に記憶することができる。
【００１０】
変位作用部３０は、光センサー２０に振動などの変位を作用する。光センサー２０の変位量は、位置検出部３１で測定する。変位作用部３０と位置検出部３１は、光検出面２１の変位の付与と、その変位量を検出できれば良く、一体に構成されていても良い。変位作用部３０と位置検出部３１により、光検出面２１と光検出面２１に対する光線１４の照射位置との相対変位量を、ある時点ごとに測定し、その位置情報をコンピュータ４０に送信する。変位作用部３０と位置検出部３１は、１軸だけでなく、２軸、又は３軸を用いて、平面的に又は立体的に、光センサーに変位を与え、位置を測定しても良い。平面的に又は立体的とは、平行移動だけでなく、回転運動も含めた運動でもよい。例えば、光検出面２１は、その中心部を支点にシーソー状に振動し、又は、その中心部を支点に回転運動をし、又は、シーソー状の振動と回転運動の合成された運動でもよい。
【００１１】
光検出装置は、分離された複数の周波数の光線１４、１４、・・・を光検出面に照射すると同時に、光検出面２１に変位を与える。光検出装置は、ある時点において光検出面２１により光線の照射位置と強度を測定すると共に、位置測定部３１により光検出面の変位位置を測定する。同様に、光検出装置は、別の時点において光の照射位置と強度を測定すると共に、光検出面の変位位置を測定する。これらの測定値をコンピュータ４０で処理することにより、ある時点では、光検出不能領域に照射されていた光線が、別の時点では、光検出領域に照射されることになり、検出不能な光線も確実に検出することができる。これにより、光検出装置は、分光された光の照射位置や強度を正確に測定でき、分解能を高めることができる。
【００１２】
図２は、光パターン１７の形状を検出する光検出装置の例を示している。光源１１からの光は、レンズなどの光学系１５を通り、例えば光軸に平行な無数の光線となり、フォトマスク１６に入射する。フォトマスク１６は、光の透過領域１６１と不透過領域１６２を有している。平行な光線は、フォトマスク１６の透過領域１６１を通り、光センサー２０の光検出面２１に照射される。光検出面２１には、フォトマスク１６の透過領域１６１の形状の同じ光パターン１７が照射される。光照射部１０は、光源１１、光学系１５、フォトマスク１６などで構成される。
【００１３】
光検出面２１で受光した光パターン１７の画像信号は、増幅器４１で増幅して、コンピュータ４０で処理される。これにより、光パターン１７の照射位置信号と強度信号は、コンピュータ４０の記憶装置などに記憶される。変位作用部３０と位置検出部３１は、光検出面２１の変位位置を測定し、その位置情報をコンピュータ４０に送信する。変位作用部３０と位置検出部３１は、図１の光検出装置と同様に、１軸だけでなく、２軸、又は３軸を用いて、光センサーに変位を与え、位置を測定しても良い。
【００１４】
光検出装置は、光パターン１７を光検出面２１に照射しながら、光検出面２１に変位を付与する。光検出装置は、ある時点において光検出面２１により光パターンの形状と強度を測定すると共に、位置測定部３１により光検出面２１の位置を測定し、同様に、別の時点において光パターン１７の形状と強度を測定すると共に、光検出面２１の位置を測定する。これらの測定値をコンピュータ４０で処理することにより、ある時点では、光検出不能領域２３に照射されていた光が、別の時点では、光検出領域に照射されることになり、光パターンの周囲の輪郭も確実に検出することができる。
【００１５】
（光の検出方法）
図３は、光線の強度分布と、光センサーの光検出面の位置を示している。図３（Ａ）は、光検出面が一定の位置にある状態で、光線が光検出面に照射された状態を示している。強度分布は、複数の光検出領域２２ａ、２２ｂ、２２ｃに跨っている。そのため、光の強度分布において、光検出不可能領域２３ｂ、２３ｃに照射される光は、光センサーで検出されない。また、光線の周辺（Ｒ、Ｌ）が光検出不可能領域にかかっている場合、光線の周囲の位置が曖昧になる。その結果、光センサーは、光線全体の光量を検出できず、及び、正確な照射位置も測定できない。
【００１６】
図３（Ｂ）は、光線１４を光検出面２１で測定しながら、光検出面２１に変位を与え、光検出面２１の位置を測定する状態を示している。光センサー２０は、光線１４に対して２０ａ、２０ｂ、２０ｃと位置が変化している。そのため、光線１４を測定する光検出面２１の位置が異なることになる。光線１４の強度分布は、光センサー２０の変位の時間内では、変動しないとしている。その場合、光センサー２０の変位位置毎に、同一の光線１４について、その照射位置と強度を測定する。その結果、光センサー２０ａの位置において光検出不可能領域２３ｂ、２３ｃに照射された光は、光センサー２０ｂの位置では、光検出領域２２ｂ、２２ｃに照射され、その領域で光の照射位置と強度が測定される。このように、光検出面２１を変位することにより、ある位置では測定できなかった光の照射位置と強度を測定できるので、光の照射位置と強度の情報の低下を防止することができる。特に、１画素に満たない幅を持つ光が、２画素にわたって照射されたときに生じる光強度情報の低下を理論上ゼロにすることができる。更に、光センサー２０に不良画素があっても、光検出面２１の変位の大きさを画素の幅より大きくとることにより、不良画素に照射されていた光を隣接する優良な画素に照射でき、光センサー２０の画素のばらつきを補正することができる。振動の変位を与えることにより、光センサーの測定回数を多く取り、測定精度を高めることができる。又は、変位作用部による光センサーの振幅（変位幅）を大きく取る、例えば複数の光検出領域に跨る幅以上にすることにより、同一の光に対して、多数の光検出領域で測定することができ、測定精度を高めることができる。例えば、ある画素は感度が悪いなど不良画素であり、隣接する画素は感度が良い正常画素の場合、不良画素に照射された光は、光検出面２１の変位により、正常画素に照射されるので、正確な光量や位置を測定することができる。また、画素ごとに感度のばらつきがある場合、同一の光は、光検出面２１の変位により、複数の画素に照射されるので、同一の光に対して、複数の画素の測定値を平均化することにより、画素のばらつきを補正することができる。各画素の光量の比較処理、平均処理などの処理は、コンピュータ４０により行うことができる。
【００１７】
図４は、光パターン１６の強度分布と、光センサー２０の光検出面２１の位置を示している。図４（Ａ）は、光検出面２１が一定の位置にある状態で、光パターン１６が光検出面２１に照射された状態を示している。強度分布は、複数の光検出領域２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに跨っている。そのため、光の強度分布において、光検出不可能領域２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに照射される光は、光センサー２０で検出されない。また、光パターン１６の周辺Ｒ、Ｌが、もし、光検出不可能領域２３にかかっている場合、光パターン１６の周囲の位置が曖昧になる。その結果、光パターン６１の形状と強度分布を正確に測定できない。
【００１８】
図４（Ｂ）は、光パターン１６を光検出面２１で測定しながら、光検出面２１を変位し、光検出面２１の位置を測定する。光センサー２０は、光パターン１６に対して２０ａ、２０ｂ、２０ｃと相対位置が変化する。光パターン１６の強度分布は、光センサー２０の変位の時間内では、変動しないとしている。その場合、光センサー２０の位置毎に、同一の光パターン１６について、その形状と強度を測定することができる。そのため、２０ａの位置の光センサー２０において、光検出不可能領域２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに照射された光は、２０ｂの別の位置では、光検出領域２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに照射され、そこでは光の照射位置と強度が測定できる。２０ｂの位置の光センサーは、光パターン２０の右端Ｒ付近の光は、光検出不能領域２３ｂに照射されるために、測定することができないが、２０ａや２０ｃの位置の光センサー２０では、光検出領域２２ａや２２ｂで測定できる。同様に、光パターン２０の左端Ｌ付近の光は、２０ｃの位置の光パターン２０では、光検出不能領域２３ｅに照射され、測定できないが、２０ａや２０ｂの位置の光センサー２０では、同一の光検出領域２２ｄで測定できる。このように、測定できない光が測定できるので、見かけ上の画素数と分解能を向上することができる。
【００１９】
（ロックイン増幅器、時間分解増幅）
光センサー２０の変位として振動を用いると、光センサー２０の出力信号は、周期的な変調がかかる。そこで、増幅器４１としてロックイン増幅器や時間分解増幅を使用する。例えば、光センサー２０の出力信号をロックイン増幅する。光センサー２０の振動に合わせて、光センサー２０の出力信号をロックイン増幅することで、光センサー２０の出力信号に含まれているショットノイズなどのノイズを低減でき、光センサー２０の出力信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。
【００２０】
（画素スリット）
画素スリットは、光センサーの光検出面上に配置して、光検出面内の各画素の感度を均一にするものである。画素スリットは、各画素に対応して光の透過窓を有する。透過窓は、感度の均一な画素の中央部を照射する光を透過し、感度の不均一な画素の周辺部を照射する光を遮断する。これにより、各画素の感度特性をシャープにし、各画素の感度を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ポリクロメータとして使用する光検出装置の説明図
【図２】光パターン検出のための光検出装置の説明図
【図３】光センサーに変位を付与して光線を検出する説明図
【図４】光センサーに変位を付与して光パターンを検出する説明図
【符号の説明】
【００２２】
１０・・・光照射部
１１・・・光源
１２・・・入射スリット
１３・・・回折格子
１４・・・光線
１５・・・光学系
１６・・・フォトマスク
１７・・・光パターン
２０・・・光センサー
２１・・・光検出面
２２・・・光検出領域
２３・・・光検出不能領域
３０・・・変位作用部
３１・・・位置測定部
４０・・・コンピュータ
４１・・・増幅器
【図１】
2007127443.tif 000003
【図２】
2007127443.tif 000004
【図３】
2007127443.tif 000005
【図４】
2007127443.tif 000006