(57)【要約】  分光計の検出器の温度値を求めるための分光法の構造及び方法。オプトエレクトロニクス検出器における温度変動を補償するために、サーマル温度センサによって検出器温度を検出することが知られている。検出器と温度センサの間の有限距離に基づき、温度検出の精度が限定される。本発明により、検出器温度を高い精度と少ないコストで判定可能にすることが意図される。入射光をスペクトル分解する手段、及び分割された光のスペクトル領域をスペクトル分解検出するための光検出器に加えて、当該スペクトル領域の部分領域を検出するための第２の光検出器が参照検出器として設けられ、参照検出器の感度は実質的に温度非依存性である。これら両方の検出器の信号の比率は、参照検出器の感度の温度非依存性に基づき、第１の検出器の相対的な温度を表す高度に正確な目安となり、少ないコストで求めることができる。
2012507017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光をスペクトル分解する手段と、分解された光のスペクトル領域をスペクトル分解検出するための光検出器とを有する、特に光学分光法のための構造において、検出されるべきスペクトル領域（λｍｉｎ．．．λｍａｘ）の部分領域を検出するための第２の光検出器が参照検出器として設けられており、該参照検出器の感度は実質的に温度非依存性であり、又は少なくとも前記第１の検出器の相応の感度よりも有意に低く温度依存性であることを特徴とする構造。
【請求項２】
前記参照検出器は、前記第１の検出器よりも高い、上側の限界波長を有していることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記参照検出器は、インジウムガリウム砒素半導体検出器として構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の構造。
【請求項４】
前記スペクトル領域（λｍｉｎ．．．λｍａｘ）は、前記第１の検出器によって、及び該スペクトル領域の部分領域は、前記参照検出器によって同時に検出可能であることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか一項に記載の構造。
【請求項５】
ビームスプリッタを有しており、該ビームスプリッタによって入射光の第１の部分割合を前記第１の検出器へ誘導可能であるとともに、第２の部分割合を前記参照検出器へ誘導可能であり、前記参照検出器は、検出されるべき部分領域についての帯域通過フィルタを備えていることを特徴とする、請求項４に記載の構造。
【請求項６】
前記参照検出器は、前記第１の検出器から反射されるスペクトル分解された光を該参照検出器により検出可能であるように配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の構造。
【請求項７】
スペクトル分解をする前記手段は、結像格子を含み、前記参照検出器は、前記格子の前記第１の検出器とは異なる回折次数の光を該参照検出器により検出可能であるように配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の構造。
【請求項８】
前記参照検出器によりゼロ次の回折次数の光を検出可能であり、前記参照検出器は、検出されるべき部分領域についての帯域通過フィルタを備えていることを特徴とする、請求項７に記載の構造。
【請求項９】
前記参照検出器の検出信号を援用して、及び前記部分領域と対応する前記第１の検出器の少なくとも１つの検出信号を援用して、前記第１の検出器について相対的な温度値を求める制御ユニットを有していることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか一項に記載の構造。
【請求項１０】
前記制御ユニットは前記温度値を援用して、及び前記第１の検出器の感度関数を援用して前記第１の検出器の検出信号を修正し、又は前記温度値に依存して前記第１の検出器のための温度調節ユニットを制御することを特徴とする、請求項９に記載の構造。
【請求項１１】
光源と、請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載の構造とを有している分光計。
【請求項１２】
入射光のスペクトル領域（λｍｉｎ．．．λｍａｘ）をスペクトル分解検出するための第１の光検出器の温度値を求める方法において、前記第１の検出器によりスペクトル領域（λｍｉｎ．．．λｍａｘ）の部分領域についての検出信号が判定され、感度が実質的に温度非依存的である、又は少なくとも前記第１の検出器の相応の感度よりも有意に低く温度依存的である第２の光検出器によりスペクトル領域（λｍｉｎ．．．λｍａｘ）の同一の部分領域についての参照信号が判定され、前記検出信号と前記参照信号を援用して前記第１の検出器についての相対的な温度値が判定される方法。
【請求項１３】
前記温度値を援用して、及び前記第１の検出器の感度関数を援用して前記第１の検出器の検出信号が修正され、又は、前記温度値に依存して前記第１の検出器のための温度調節ユニットが制御される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記温度値は前記参照信号と前記検出信号との商として求められる、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
加熱プロセス中又は加熱プロセス後に前記第１の検出器の感度関数が測定される、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の方法を実施するためにセットアップされたコンピュータプログラム又は制御ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光をスペクトル分解する手段と、分解された光のスペクトル領域をスペクトル分解検出するための光検出器とを有する、特に光学分光法のための構造に関し、ならびに、入射光のスペクトル領域をスペクトル分解検出するための光検出器の温度値を判定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサのようなオプトエレクトロニクス光検出器の感度は、特に、検出器の温度に依存して決まる。このような検出器感度の温度依存性は、特に上側の限界波長の近傍で（適用領域の長波の末端部で）、分光計の測定精度を低下させてしまう。
【０００３】
温度変動を補償するために、サーマル温度センサによって検出器温度を検出することが知られている。さらにドイツ特許出願公開第１０２００５００３４４１Ａ１号明細書には、周囲温度が検出器に及ぼす影響を厳密に判定するために、第２の温度センサを利用することができることが記載されている。判定された検出器温度を援用しながら、例えば加熱部や冷却部である検出器の温度調節ユニットを、検出器温度が一定に保たれるように制御することが可能である。それにより、検出器に入射する光出力の測定の精度を改善することができる。しかしながら温度センサは、検出器の温度を限られた精度でしか検出できないという欠点がある。センサを検出器の上や内部に配置することはできず、常に検出器から有限距離をおいて配置しなくてはならないからである。それに応じて、温度変動を補償する精度も限られている。
【０００４】
分光計には、様々な異なる波長領域に関して適用可能である、様々な材料の検出器が用いられる。特に上側の限界波長は、分光計の設計にあたって留意しなくてはならない材料特性である。上側の限界波長が高い材料は、一般に、利用可能なスペクトル領域が広く、所与の波長での感度の温度依存性が低いという利点がある。しかし、このような材料はコストが高く、冷却のみでしか低減することが出来ないノイズが大きいという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第１０２００５００３４４１Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、冒頭に述べた種類の構造を改良して、特に温度変動を補償する目的のために、高い精度と少ないコストで検出器温度を判定できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１に記載された構成要件を有する構造によって解決され、及び、請求項１２に記載された構成要件を有する方法によって解決される。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明によると、入射光をスペクトル分割する手段、及び分割された光のスペクトル領域をスペクトル分解検出するための光検出器に加えて、当該スペクトル領域の部分領域を検出するための第２の光検出器が参照検出器として設けられており、参照検出器の感度は実質的に温度非依存性であり、又は少なくとも第１の検出器の相応の感度よりも有意に低く温度依存性である。第１の光検出器によって、検出されるべきスペクトル領域の部分領域についての検出信号が判定され、第２の光検出器によって、スペクトル領域の同一の部分領域に関する（ほぼ）温度非依存性の参照信号が判定される。
【００１０】
参照検出器に当たる光出力は、参照用に利用されるスペクトルの部分領域で第１の検出器が検出する光出力に対して、ほぼ一定の比率をなしている。両方の検出器の信号の比率は、参照検出器の感度がほぼ温度非依存性であることに基づき、第１の検出器の相対温度を表す高い精度の目安となる。この比率を求めるには、部分スペクトル領域にわたって積分される光出力だけで十分であり、それにより、参照検出器はスペクトル分解式又は空間解像式である必要がない。従って、参照検出器は、第１の検出器に比べて明らかに小さいサイズを持ち、明らかに簡素な構造で製造されてよい。参照検出器の感度が少なくとも近似的に温度非依存性であることに基づき、本発明に基づく使用のために参照検出器を冷却することは不要である。第１の検出器、参照検出器及びサーマル温度センサに関しても同じく不要である。
【００１１】
参照検出器は、第１の検出器よりも高い上側の限界波長を有しているのが好都合である。それにより、参照検出器の感度の低い温度依存性が実現される。
【００１２】
第１の検出器（主検出器）としてシリコン検出器（Ｓｉ検出器）が用いられ、参照検出器としてインジウムガリウム砒素半導体検出器（ＩｎＧａＡｓ検出器）が用いられる構成が特別に好ましい。
【００１３】
検出されるべき全体のスペクトル領域を第１の検出器によって検出可能であり、スペクトル領域の部分領域を参照検出器によって同時に検出可能であるのが好ましい。その同時性によって、温度値の最大限可能な精度を実現することができる。全体のスペクトル領域と部分スペクトル領域との同時の検出は、さまざまな方法で行うことができる。
【００１４】
第１の好ましい実施形態では、参照検出器は、第１の検出器で反射されたスペクトル分解された光を参照検出器により検出可能であるように配置されている。このようにして、ビームスプリッタや帯域通過フィルタを省略することができる。そのうえ、第１の検出器により検出可能でない光だけを参照検出器が受光するので、構造の有効感度が高くなる。第１の検出器により検出可能な光出力は、参照測定にもかかわらず不変なまま保たれる。
【００１５】
第２の好ましい実施形態では、スペクトル分解をする手段は結像格子を含んでおり、参照検出器は、第１の検出器とは異なる、格子の回折次数の光を参照検出器により検出可能であるように配置されている。このようにして、ビームスプリッタを省略することができる。参照検出器がゼロ次において配置されているのでなければ、帯域通過フィルタも省略することができる。しかしながら、ゼロ次の回折次数の方向に参照検出器を配置することで分光計をコンパクトに構成することができ、これは、特に測定ヘッドハウジングの中への配置にとって好ましい。この場合、検出されるべき部分領域についての帯域通過フィルタが好都合である。
【００１６】
第３の好ましい実施形態では、ビームスプリッタが設けられており、該ビームスプリッタによって入射光の第１の部分割合を第１の検出器へ誘導可能であり、第２の部分割合を参照検出器へ誘導可能であり、参照検出器は検出されるべき部分領域についての帯域通過フィルタを備えている。典型的な場合、ビームスプリッタは分光計の入口間隙の手前に配置される。このような構造は少ないコストで製作することができる。入射光における参照センサの配置を比較的大まかに行うことができるからである。
【００１７】
参照検出器の検出信号を援用して、及び部分領域に対応する第１の検出器の少なくとも１つの検出信号を援用して、第１の検出器に関する相対的な温度値を求める制御ユニットが設けられているのが好都合である。この制御ユニットは、例えば、各検出器と一緒に測定ヘッドハウジングの内部に配置されていてよい。制御ユニットは、求めた温度値を特に後で処理するためにインターフェースを介して出力することができる。例えば、第１の検出器の検出信号及び参照検出器の検出信号を両方とも上位の制御コンピュータへ直接転送することができ、この制御コンピュータが参照信号を援用して検出信号の温度変動を後で補正する。
【００１８】
制御ユニットは、温度値及び第１の検出器の感度関数を援用して、第１の検出器の検出信号を直接修正するのが好ましい。それにより、スペクトル分解をする光検出器の感度の温度依存性の補償を、高い精度と少ないコストで行うことができる。温度値は、参照信号と検出信号の商として求めるのが好都合である。第１の検出器により出力される検出信号の温度に起因する変動分の修正は、例えば少ないコストで純粋に計算によって行うことができる。それにより、高いコストのかかる温度調節ユニットは不要となる。制御ユニットにより、未修正の検出信号の代わりに修正された検出信号が、例えば、上位の制御コンピュータ又は記憶媒体に出力されるのが好ましい。このようにして、制御コンピュータやその他の形態の二次処理部にとって修正が明確化する。それにより、本発明による構造を既存の制御コンピュータとともに使用することもでき、制御コンピュータを適合化する必要がない。
【００１９】
制御ユニットが温度値に依存して第１の検出器に対する温度調節ユニットを制御する構成も可能である。このような構成も、スペクトル分解をする光検出器の感度の温度依存性の補償を高い精度で可能にする。
【００２０】
第１の検出器の感度関数が加熱プロセス中又は加熱プロセス後に測定されて、製造公差に基づく変動の影響を回避するのが好ましい。別案として、検出器メーカーが設定する感度関数を利用することもできる。
【００２１】
本発明は、光源と、上に説明した構造とを有する分光計も含む。さらにこの分光計は、修正された検出信号又は未修正の検出信号を出力するためにインターフェースを介して電子バスシステムに接続可能な測定ヘッドとして、閉鎖されたハウジングの中でカプセル封じされてよい。その他本発明は、本発明による方法を実施するために設定されたコンピュータプログラム及び制御ユニットも含む。
【００２２】
次に、実施例を援用しながら本発明について詳しく説明する。
【００２３】
図面には次のものが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の光学分光計と参照光検出器を示す図である。
【図２】第２の光学分光計と参照光検出器を示す図である。
【図３】第３の光学分光計と参照光検出器を示す図である。
【図４】第４の光学分光計と参照光検出器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、光学分光計１０を例にとって本発明による構造を示している。これに代えて本発明は、他の如何なる分光計構造を用いて具体化することもでき、特に、従来技術から知られている分光計構造を用いて具体化することもできる。便宜上、光源やハウジング、検査されるべき試料などはいずれも図示していない。
【００２６】
分光計１０は、光路の順序で、入口間隙１と、結像格子２と、様々な異なるスペクトルのサブスペクトル領域を検出するためにライン状又はマトリクス状に配置された検出素子３．１、３．２．．．（ピクセル）を有する第１の検出器３とで成り立っている。これに加えて、第１の検出器３は、温度調節ユニット４、すなわち加熱部又は冷却部もしくはこれらの両方を備えてよい。例えば最も単純な場合では、これは、第１の検出器３の近傍にある線条抵抗器である。制御・評価ユニット５が、第１の検出器３及び温度調節ユニット４と接続されている。制御・評価ユニット５は各々の検出素子３．ｉについてその検出信号Ｄｉを検出して、温度調節ユニット４を制御する。便宜上、図面は検出信号Ｄｉの総体の代表として、ただ１つの接続部だけを示している。分光計１０で検出されるべきスペクトル領域は、例えば６００ｎｍから１０８０ｎｍである。それに応じて第１の検出器３として、例えばλｍａｘ＝１１００ｎｍの上側の限界波長が、要求されるスペクトル領域を検出するのにちょうど十分である、Ｓｉ検出器が使用される。この目的のために結像格子２は、入口間隙１から入射する光Ｌをスペクトル分解して入口間隙１を第１の検出器３に結像し、第１の検出器は、格子２の＋１次の回折次数のスペクトル分解された光Ｓだけを、スペクトル領域λｍｉｎ．．．λｍａｘで検出するように配置されている。各々の検出素子は光学的な光出力をそれぞれのサブスペクトル領域で受光して、これをそれぞれ電気的な検出信号Ｄｉの形で制御・評価ユニット５へ出力する。この限りにおいて、分光計１０の構造は従来技術から公知である。
【００２７】
公知の従来技術の範囲を超えて分光計１０は、シリコンからなる第１の検出器３よりも高い上側の限界波長を有する、ただ１つのＩｎＧａＡｓ検出器を参照検出器６として含んでいる。この上側の限界波長は、例えば１７００ｎｍである。参照検出器６は、第１の検出器３の表面から反射されるスペクトル分解された光Ｓを受光する。従って、第１の検出器３により原理上検出することができない入射光Ｌの部分が利用される。参照検出器６はその表面の広さと配置とに基づき、例えば１０４０ｎｍから１０６０ｎｍの光を検出し、すなわち、第１の検出器３のスペクトル領域の長波側末端λｍａｘの近傍の部分領域を検出する。参照検出器６はただ１つの検出素子しか有していないことから、当該部分スペクトル領域にわたって光出力を積分する。参照検出器６は受光した光出力を検出信号Ｒの形で、温度非依存性の参照値として制御・評価ユニット５へ出力する。
【００２８】
第２の検出器６の感度は、１０５０ｎｍの波長では、限界波長が高いことに基づいてＳｉ検出器３よりも有意に低い温度依存性を有しているので、参照検出器６の温度依存性は無視することができる。参照検出器６で検出される光出力は、第１の検出器３が全体の検出スペクトル領域λｍｉｎ．．．λｍａｘの同一の部分領域で検出する光出力に対して一定の比率となっている。従って、両方の検出器３及び６で検出される光出力の比率は、第１の検出器３の温度を表す相対的な目安となる。この温度値は、温度調節ユニット４を制御するために、特に第１の検出器３の加熱又は冷却を調節するために、もしくは第１の検出器３の検出信号Ｄｉを計算上で修正するために、制御・評価ユニット５によって利用することができる。この目的のために、まず制御・評価ユニット５は、１０４０ｎｍから１０６０ｎｍの波長に対応する、すなわち単一のＩｎＧａＡｓ検出器６が検出する部分領域に対応する、第１の検出器３の個々の検出素子３．ｉの検出信号Ｄｉを合算する。次いで制御・評価ユニットは、この合計ΣＤｉとＩｎＧａＡｓ参照検出器６の検出信号Ｒとの比率を形成し、それにより、第１の検出器３についての温度値Ｔｒｅｌ＝Ｒ／ΣＤｉを求める。関与する検出素子３．ｉにより受光されるサブスペクトル領域の限界が、検出されるべき全体のスペクトル領域の、参照検出器６により受光される部分領域λｍｉｎ．．．λｍａｘの限界と厳密に一致しないときは、検出信号Ｄｉを合算するときに相応の加重係数ｇｉを使用し（ΣｇｉＤｉ）、それによって相対的な温度値がＴｒｅｌ＝Ｒ／（ΣｇｉＤｉ）として算出される。
【００２９】
Ｓｉ検出器３の温度を一定に保とうとする場合、この比率が相対的な温度値Ｔｒｅｌの所定の目標値を上回っているときには、加熱出力を低くするか、ないしは冷却出力を高くしなくてはならず、この逆も成り立つ。このことは、それ自体公知の制御ループの内部で行うことができる。
【００３０】
別案による検出信号Ｄｉの計算上の修正は、検出器メーカーから公表された、又は人工気候室の中で求められた、波長依存性及び温度依存性の感度関数を用いて行われる。別案として、回避できない製造公差があることを考慮して、分光計１０及びこれと接続された自己加熱部のスイッチが入った直後に、具体的な分光計１０についての感度曲線を測定するのが好ましい場合もある。これに加えて、加熱部が存在している場合にはそのスイッチを入れて、波長依存性及び温度依存性の感度関数を測定することができる。状況によっては、存在している加熱部を分光計１０の通常の測定動作中にはオフにしておき、計算上の感度補償だけを適用するのが好ましい場合がある。高い検出器温度は、同じく高い検出器ノイズにつながるからである。
【００３１】
図２には、参照検出器６の別案の構造が示されている。この参照検出器は一例として、スペクトル分解された−１次（マイナス１次）の回折次数の光Ｓが、例えば１０４０ｎｍから１０６０ｎｍの部分スペクトル領域で検出されるように配置されている。このように参照検出器６は、格子２の第１の検出器３とは異なる回折次数の方向に配置されている。分光計１０のそれ以外のすべてのコンポーネントは、配置と機能に関して図１の分光計１０に相当している。別案の実施形態（図示せず）では、参照センサ６は−１次の回折次数の方向ではなく、数字的に高い回折次数の方向に、例えば＋２次又は２次の回折次数の方向に配置されてもよい。
【００３２】
図３は、結像格子２のゼロ次の回折次数における参照検出器６のさらに別案の構造を示している。この場合においても、参照検出器６は、格子２の第１の検出器３とは異なる回折次数の方向に配置されている。参照検出器６の手前には帯域通過フィルタ８が配置されている。検出器６に当たる光割合Ｌ’は、ゼロ次の回折次数ではスペクトル分解されていないからである。帯域通過フィルタ８により、参照検出器６は例えば１０４０ｎｍから１０６０ｎｍの部分スペクトル領域だけを検出する。分光計１０のそれ以外のすべてのコンポーネントは、配置と機能に関して図１の分光計１０に相当している。
【００３３】
図４には、参照検出器６のさらに別案の構造が示されている。この参照検出器は、入口隙間１よりも手前でビームスプリッタ７の後方に配置されており、それにより、入射光Ｌのうちスペクトル分割されない割合Ｌ’が、検出器６の方向へと出力結合される。入射する光割合Ｌ’のうち、第１の検出器３により検出されるスペクトル領域λｍｉｎ．．．λｍａｘの例えば１０４０ｎｍから１０６０ｎｍの部分領域だけが検出されるようにするために、帯域通過フィルタ８が必要である。分光計１０のそれ以外のすべてのコンポーネントは、配置と機能に関して図１の分光計１０に相当している。光導波路の入口（図示せず）を備える分光計１０では、Ｙ分岐光導波路をビームスプリッタとして利用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  入口間隙
２  結像回折格子
３  第１の検出器
３．１．．．  検出素子
４  温度調節ユニット
５  制御・評価ユニット
６  参照検出器
７  ビームスプリッタ
８  帯域通過フィルタ
１０  分光計
Ｌ  入射光
Ｌ’  入射光の割合（スペクトル分割されず）
Ｓ  スペクトル分割された光
Ｄ  検出信号
Ｒ  参照信号
λｍｉｎ  第１の検出器の下側の限界波長
λｍａｘ  第１の検出器の上側の限界波長
【図１】
2012507017.tif 000003
【図２】
2012507017.tif 000004
【図３】
2012507017.tif 000005
【図４】
2012507017.tif 000006
【国際調査報告】
2012507017.tif 000007
2012507017.tif 000008
2012507017.tif 000009
2012507017.tif 000010