短波長紫外線検出器及びその製造方法
【課題】短波長紫外線検出器の斜入射特性を改善させた、短波長紫外線検出器を提供する。
【解決手段】短波長紫外線の照射によって電気抵抗が変化するようなダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子４を内部に有する短波長紫外線検出器７において、当該紫外線受光素子４は、紫外線透過窓板１を受光部として有する気密容器９に、当該紫外線透過窓板１と対向するように封入されており、当該紫外線透過窓板１の表面又は内部にバイナリーレンズが形成された紫外線透過窓板１を有していることを特徴とする短波長紫外線検出器７である。
【解決手段】短波長紫外線の照射によって電気抵抗が変化するようなダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子４を内部に有する短波長紫外線検出器７において、当該紫外線受光素子４は、紫外線透過窓板１を受光部として有する気密容器９に、当該紫外線透過窓板１と対向するように封入されており、当該紫外線透過窓板１の表面又は内部にバイナリーレンズが形成された紫外線透過窓板１を有していることを特徴とする短波長紫外線検出器７である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火炎センサや短波長紫外線照射装置において好ましく用いることの出来る、短波長紫外線検出器及びその製造方法に関し、特に短波長紫外線の平面照度（以下、単に照度と記述）を好ましく測定することの出来る紫外線透過窓を有した短波長紫外線検出器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エキシマランプ（中心波長１７２ｎｍ）や低圧水銀ランプ（波長１８５ｎｍ）から放射される高強度の短波長紫外線を照射して、ディスプレー用ガラス基板やプラスチックフィルムの表面状態の改質に用いられている。これは、紫外線の持つ強いエネルギーによる有機物の化学結合切断や、化学反応を促進させるラディカル生成作用を利用したものである。
【０００３】
このような短波長紫外線を基材の表面改質などに用いる場合、照射による表面改質を確実に行うためには、短波長紫外線検出器等によって改質領域の短波長紫外線照度を精度良く測定する必要がある。しかし、短波長紫外線の照度を測定するに当たっては、高強度の短波長紫外線によって、短波長紫外線検出器に含まれる紫外線受光素子が容易に劣化する点や、上記ランプに近接した状態において測定精度が低下する点が、問題点として挙げられる。（非特許文献１，２）
【０００４】
このうち、前者の問題点については、ダイヤモンド薄膜を使用した紫外線受光素子が提案されている（非特許文献３）。ここで、ダイヤモンド薄膜は耐熱性及び耐久性に優れ、バンドギャップが広い半導体としての性質を持つため、より耐久性の良い光導電型の短波長紫外線受光素子として用いることができる。また、このダイヤモンド薄膜を用いた紫外線受光素子を、サファイヤ窓を設けた金属製気密容器に封入すると、過酷な紫外線暴露と共に高濃度のオゾンにも耐えうる短波長紫外線検出器が形成できる（特許文献１）。
【０００５】
一方で、後者の問題点は、照度計の受光部に斜めから入射する短波長紫外線が受光部内の紫外線受光素子に到達しないことにより発生するものである。この斜めから入射する短波長紫外線による紫外線受光素子の応答度は斜入射特性と呼ばれ、紫外線の傾斜角度と当該応答度との関係が余弦曲線と一致するほど、当該照度の正確な測定が行える。
【０００６】
なお、可視光線を計測する照度計については日本工業規格ＪＩＳ Ｃ１６０９「照度計」に各階級（性能による分類）毎に規定された斜入射特性、分光応答度特性等の性能の製品が供給されていて、この照度計を使用することで正確な測定が保証されている（非特許文献４）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−０３７１７３号公報
【非特許文献１】紫外放射の放射照度測定方法特別研究委員会報告書 第１分冊 紫外放射の産業界における使用例とその実用測定器・方法の現状 平成６年３月 社団法人 照明学会
【非特許文献２】短波長紫外線の測定法に関する研究調査委員会報告 ２０００年３月 社団法人 照明学会
【非特許文献３】日本赤外線学会 第３４回定例研究会資料 ＩＲ−０３−８ ダイヤモンド薄膜の光素子応用でナノスケール技術を革新する ２００３年１１月１４日
【非特許文献４】日本工業規格 ＪＩＳ Ｃ １６０９ 照度計
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
被照射物の表面に入射する光の照度は、照度計を用いて計測を行うのであるが、照度計の受光部の外郭には斜入射特性改善のために半球状の構造物が設けられており、当該構造物は、測定基準面から５ミリメートル以上盛り上がっているので、短波長紫外線の照度を測定しようとする場合、ランプに構造物が当たってしまうため、ランプから５ｍｍ未満の位置の照度は測定することが出来ない。
【０００９】
しかしながら、短波長紫外線は空気によって強く吸収を受けるので、ランプに被照射物をおおよそ５ミリメートルまで接近させなければ高精度な照度の測定を行うことが出来ない。
【００１０】
ここで、当該半球状の構造物を省略すれば、受光部の外郭は平坦になって、ランプから５ｍｍ未満の位置の照度測定は可能となるものの、この場合には斜入射特性が損なわれ、斜めから入射する短波長紫外線が紫外線受光素子に照射されなくなるために、測定した照度は低い値を示すようになる。
【００１１】
以上のことから、２００ｎｍ以下の短波長紫外線領域の測定又は検出を行う照度計においては、前記規格を準用できるほどの性能は未だ得られていないのが実情である。
【００１２】
さらに、従来の半球状の構造物は、例えば切削研磨法やモールド法によって加工されており、当該半球状の構造物を有する紫外線透過窓板を形成した後で、当該紫外線透過窓板を短波長紫外線検出器に封入する必要があった。そのため、当該構造物の位置が所望の位置から外れ、当該短波長紫外線検出器の検出精度を低下させてしまうという問題点があった。
【００１３】
また、従来のダイヤモンド薄膜を使用した紫外線受光素子では、結晶粒子のサイズが制御されておらず、ダイヤモンド薄膜の表面は不均一であった。そのため、紫外線に対する感度特性が不均一となり、紫外線が照射される領域によって、当該短波長紫外線検出器の出力に著しいバラツキが生じるという問題点があった。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、第１には、斜入射特性の改善によって、特に２００ｎｍ以下の短波長紫外線の照度を好ましく測定することの出来る短波長紫外線検出器を提供することである。第２には、紫外線透過窓板に設ける斜入射特性の改善手段が、当該紫外線透過窓板を短波長紫外線検出器に組み入れる際に、所望の位置から外れることを防ぐような、短波長紫外線検出器の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の発明者らは上記課題に鑑み、短波長紫外線検出器への紫外線の入り口となる紫外線透過窓板に当該紫外線の光路を変換する作用を持たせることで、当該紫外線検出器の斜入射特性を改善できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１６】
すなわち、請求項１に係る発明は、短波長紫外線の照射によって電気抵抗が変化するようなダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子を内部に有する短波長紫外線検出器において、当該紫外線受光素子は、紫外線透過窓板を受光部として有する気密容器に、当該紫外線透過窓板と対向するように封入されており、当該紫外線透過窓板の表面又は内部にバイナリーレンズが形成された紫外線透過窓板を有していることを特徴とする短波長紫外線検出器である。
【００１７】
ここで、ダイヤモンド薄膜光電導型の紫外線受光素子を封入した金属製気密容器の受光部は、平行平板形状をした紫外線透過窓材の表面又は内部にバイナリーレンズを形成し、当該バイナリーレンズによって当該紫外線透過窓材に入射した短波長紫外線の光路を変換する。この構造によって、紫外線受光素子に照射される短波長紫外線の光量を落とすことなく、盛り上がった半球状の構造物を省略することが可能である。
【００１８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の構成に加えて、当該紫外線透過窓板の材質が、サファイヤであることを特徴とする、短波長紫外線検出器である。
【００１９】
ここで、短波長紫外線の光路を変換する紫外線透過窓の材質はサファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）が最も好ましい。サファイヤは、１４０ｎｍ以上の紫外線を透過するとともに、紫外線によって透過率低下が少ないという特徴を有しているからである。また、当該紫外線透過窓を薄型化させても、充分な機械的強度を維持することが出来るという利点を有している。
【００２０】
請求項３に係る発明は、請求項１〜２記載の構成に加えて、当該バイナリーレンズが、紫外線透過窓板の表面又は内部に形成された複数の同心円状の屈折率変化領域からなることを特徴とする、短波長紫外線検出器である。
【００２１】
ここで、当該バイナリーレンズとしては、例えば中心を屈折率変化領域又は屈折率未変化領域として、屈折率変化領域の外側に屈折率未変化領域を、屈折率未変化領域の外側に屈折率変化領域を、それぞれ同心円状に形成させた構成を有したものが挙げられる。
【００２２】
また、当該屈折率変化領域は、単一の厚さ及び屈折率値を有するような構成のみならず、複数の厚さ若しくは屈折率値、又は連続的な厚さ若しくは屈折率値を有するような構成とすることも出来る。このような構成にすることで、当該バイナリーレンズを、従来の半球状の構成物が有していた挙動へと、より高精度に近づけることも可能である。さらに、屈折率未変化領域を設けずに、屈折率変化領域の厚さ又は屈折率変化の大小のみで、バイナリーレンズを表現するような構成とすることも出来る。
【００２３】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３記載の構成に加えて、当該紫外線透過窓板が、当該紫外線透過窓板に入射する短波長紫外線の光路を、当該紫外線受光素子に達する方向に変換することを特徴とする、短波長紫外線検出器である。
【００２４】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４記載の構成に加えて、紫外線透過窓を透過して紫外線受光素子に達する短波長紫外線が、入射した短波長紫外線の光路が変換されずに透過する零次光と、当該紫外線透過窓板によって光路を変換された±ｎ次回折光とから構成されていることを特徴とする、短波長紫外線検出器である。
【００２５】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５記載の構成に加えて、当該紫外線受光素子に到達する短波長紫外線の光量は、
（１）零次光
（２）±ｎ次回折光のうち紫外線受光素子を照射する光量
の総和からなることを特徴とする、短波長紫外線検出器である。
【００２６】
請求項７に係る発明は、紫外線透過窓板と気密容器とを用いて紫外線受光素子を封入し、短波長紫外線検出器の筐体を組み立てた後で、当該紫外線透過窓板の表面又は内部に焦点を形成するように、パルスレーザを集光照射しながら、当該パルスレーザに対して当該紫外線透過窓板を所定の速度で当該焦点を相対的に走査させ、当該焦点の走査した部分の近傍で屈折率変化領域を形成させてバイナリーレンズを有した紫外線透過窓板を形成することを特徴とする、短波長紫外線検出器の製造方法である。
【００２７】
請求項８に係る発明は、請求項７記載の構成に加えて、当該紫外線透過窓板の材質が、サファイヤであることを特徴とする、短波長紫外線検出器の製造方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る短波長紫外線検出器によれば、通常のサファイヤ窓と紫外線受光素子の配置では紫外線受光素子に到達しないような斜め方向から入射する短波長紫外線の光路を、紫外線受光素子を照射するような方向に変換することが出来るため、短波長紫外線検出器の斜入射特性を改善させた、短波長紫外線検出器を提供することが出来るという効果を奏する。
【００２９】
また、本発明の紫外線透過窓では、半球状の構造物を表面に設ける必要がないため、特に光源と近接した距離での測定が求められる、波長２００ｎｍ以下の短波長紫外線の照度測定に適した短波長紫外線検出器を提供することが出来るという効果を奏する。
【００３０】
さらに、バイナリーレンズの形状を最適化させることで、当該検出器の受光部の斜入射特性を、最も理想的な余弦曲線に近似させることが可能であり、当該受光部を使用して測定した照度は、入射角度にかかわらず、正しい計測値とすることが出来るという効果を奏する。
【００３１】
一方、本発明に係る短波長紫外線検出器の製造方法によれば、受光部の紫外線透過窓板の表面又は内部にパルスレーザを集光照射して屈折率変化領域を形成し、当該屈折率変化領域を用いて斜入射特性の改善手段たるバイナリーレンズを形成することで、当該短波長紫外線検出器の筐体を組み立てた後であっても当該紫外線透過窓板へのバイナリーレンズの作成を容易に行うことが出来るため、当該紫外線透過窓板を当該短波長紫外線検出器に組み入れる際に、当該バイナリーレンズの中心軸が所望の位置から外れることを防止することが出来る。そのため、より高精度な短波長紫外線検出器を製造することが可能になるという効果を奏する。
【００３２】
また、本発明に係る短波長紫外線検出器の製造方法によれば、最も理想的な斜入射特性を持たせるために、当該バイナリーレンズを形成する屈折率変化領域の位置や、当該バイナリーレンズにおける屈折率変化のレベル数の調整を容易に行うことが可能になるという効果をも奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態は、耐紫外線キャップ２と耐紫外線基板３とからなる気密容器９と共に紫外線透過窓板１を用いて紫外線受光素子４を封入した後で、当該紫外線透過窓板１の表面又は内部にバイナリーレンズ８を形成することを特徴とする、短波長紫外線検出器及びその製造方法である。
【００３４】
＜バイナリーレンズを形成する紫外線透過窓板について＞
本実施形態に用いる紫外線透過窓板１としては、紫外域の波長の光に対する透過率が高く、かつ表面又は内部で屈折率が変化しうるような材料を用いることが出来る。具体的には、シリカガラスやホウケイ酸ガラス，フッ素ドープシリカガラス等のガラス、フッ化カルシウム，フッ化マグネシウム，フッ化バリウム，石英やサファイヤ単結晶等の酸化物結晶を用いることが可能である。
【００３５】
ここで、紫外線透過窓板１として単結晶サファイヤ基板を用いることが好ましい。サファイヤ単結晶は、１４０ｎｍ以上の紫外線を透過するとともに、紫外線によって透過率低下が少ないという特徴を有しているからである。また、当該紫外線透過窓板１としてサファイヤ単結晶を用いることは、当該紫外線透過窓板１の機械的強度を強くすることが出来るという利点も有している。その上、バイナリーレンズ８の形成方法としてレーザ加工を用いる場合には、レーザの照射による屈折率変化量を大きくすることが出来るという点でも好ましい。
【００３６】
当該紫外線透過窓板１は、予め両側の表面を、研磨等により平坦にしておく。当該紫外線透過窓板１の表面を平坦に整えることで、短波長紫外線をより安定的に透過させるとともに、より高精度にバイナリーレンズを形成できるためである。研磨手段としては、固定砥粒を用いた手段，流動砥粒を用いた手段をはじめとした、公知の方法を適用することが出来る。
【００３７】
＜ダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子について＞
一方で、ダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子４としては、シリコン（１００）基板上に、検出層となるダイヤモンド層が形成され、この絶縁性ダイヤモンド層の表面上に１対の櫛形電極が形成されたものを好ましく用いることが出来る。
【００３８】
ダイヤモンド層は、公知の方法により形成することができるが、特に、制御性が優れ、低コストで安定してダイヤモンド膜を製造可能であるプラズマを使用した気相化学蒸着（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により合成された多結晶ダイヤモンド膜が好ましい。また、ダイヤモンド層は、表面がダイヤモンドの（１００）面により形成され、結晶粒子が一定方向に配向している高配向性ダイヤモンド膜がより好ましい。この高配向性ダイヤモンド膜は、結晶粒子の成長方向及び面内方向が共に一定方向に方位整合し、表面は平坦な（１００）結晶面が並ぶ特徴的な表面形態をとっているため、櫛形電極が容易に形成でき、紫外線受光素子４として良好な検知特性が得られるからである。
【００３９】
尚、本発明では、シリコン基板表面に形成する高配向性ダイヤモンドの粒子密度および膜厚を各々、５×１０７／ｃｍ２および８〜１０μｍの範囲に制御し、高配向性ダイヤモンド表面の粒子サイズを５〜８μｍ角に揃えると、櫛形電極間に存在するダイヤモンド粒子の平均個数が、１〜２個の範囲に揃い、安定的な対紫外線感度特性を示すため、なお好ましい。
【００４０】
上記１対の櫛形電極は、金，白金又はアルミニウム等の一般的な金属により形成することができる。その形成方法としては、例えば、真空蒸着法，スパッタリング法，イオンプレーティング法又はＣＶＤ法等の公知の方法を利用することができる。電極の形状は任意にすることが出来るが、櫛形及びフィッシュボーン型のように相互に対向する部分の長さが長い形状が好ましい。紫外線検知領域が増加し、感度がより向上するからである。特に、紫外線を測定する場合には、例えば、幅が１〜５０μｍであり、電極間隔が１〜５０μｍである櫛形構造にすることがより好ましい。
【００４１】
そして、当該ダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子４においては、ダイヤモンド層が検知層となり、櫛形電極間にバイアス電圧が印加される。絶縁性ダイヤモンド層に紫外線が入射すると、絶縁性ダイヤモンド層中でキャリア（電子及び正孔）が生成する。このキャリアは、櫛形電極間に印加されたバイアス電圧により生じた電界によって移動し、櫛形電極で補集され、電気信号として出力される。
【００４２】
＜紫外線透過窓板及び紫外線受光素子の短波長紫外線検出器への取付け＞
上記手段により表面を平坦にした紫外線透過窓板１と、上記のように特徴的なダイヤモンド層からなる紫外線受光素子４は、図１（ａ）のような正面図と、図Ｉ１（ｂ）のような側面図とを有するような短波長紫外線検出器７に取り付けられる。
【００４３】
具体的には、透明基板１は耐紫外線キャップ２の受光窓に気密配置され、これらは接合される。接合の手段としては、例えばモリブデン−マンガンのハーメチックシールを用いることが出来る。当該耐紫外線キャップ２は、例えば鉄合金やセラミックで筒状または箱状に形成されたものであり、その底部には、例えば鉄合金やセラミックで円形状または角状に形成された耐紫外線基板３を気密配置する。そして、耐紫外線基板３の上面には、短波長紫外線に感度を有して構成された、ダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子４を接着載置して短波長紫外線検出器７を形成する。当該紫外線受光素子４を接着載置する際に、紫外線受光素子４への紫外線の入射によって生じる電気信号は、リード線５と，耐紫外線基板３に設けられたリード端子６とを通じて外部に出力されるようにする。
【００４４】
ここで、透明基板１と耐紫外線キャップ２と耐紫外線基板３によって構成される内部空間は、当該紫外線受光素子４が測定雰囲気から悪影響を受けることを防ぐため、不活性ガス雰囲気で満たされていることが好ましい。さらに、透明基板１を透過した短波長紫外線が測定雰囲気に影響されることを防ぐため、当該紫外線受光素子４を湿気や外気等に触れないように、完全な気密パッケージに封入することが好ましい。ここで、好ましく用いることの出来る不活性ガスとしては、例えば窒素ガス若しくはアルゴンガスが挙げられる。
【００４５】
＜紫外線透過窓板へのバイナリーレンズの形成＞
上記のようにして短波長紫外線検出器７に紫外線透過窓材として取り付けられた紫外線透過窓板１に対して、当該表面又は内部の一定の領域に、屈折率変化領域１２からなる同心円状のパターンを形成させることで、バイナリーレンズ８を形成させた。当該屈折率変化領域１２の形成方法としては、切削加工，超音波加工，レーザ加工，ドライエッチング加工，インプリント加工又は鋳造等の公知の技術を用いることが出来る。
【００４６】
ここで特に、屈折率変化領域１２は紫外線透過窓板１の内部に形成されていることが好ましい。それにより、当該屈折率変化領域１２の紫外線透過窓板１の表面への露出を防ぎ、当該紫外線透過窓板１の表面によって当該屈折率変化領域１２を保護することが出来るからである。そして、屈折率変化領域１２を紫外線透過窓板１の内部に形成させるには、多光子吸収を起こすようなパルスレーザを用いることが好ましい。
【００４７】
以下、パルスレーザの多光子吸収によって屈折率変化領域１２を形成させる場合を例に説明する。
【００４８】
紫外線透過窓板１を接合させた短波長紫外線検出器７を、パルスレーザ照射装置の載置台１０に載せる。そして、レーザ発光源１１ａから発生させたパルスレーザ１１を集光レンズ１１ｂによって集光させ、当該集光レンズ１１ｂにより生じた焦点１１ｃを当該紫外線透過窓板１の表面又は内部に形成させる。
【００４９】
ここで、紫外線透過窓板１に集光照射させるパルスレーザ１１としては、当該紫外線透過窓板１に吸収されないような波長域を有しており、かつ当該紫外線透過窓板１に対して多光子吸収を起こさせる性質を有するものを用いることが好ましく、具体的には、１００ｆｓ（１ｆｓ＝１０−１５ｓ）〜１ｐｓのパルス幅、１００〜２００ｍＷの出力値、１ｋＨｚ以上の繰返し周期を有することが好ましい。当該条件を満たすパルスレーザ１１は、集光スポットにおいて１０ＴＷ／ｃｍ２以上のレーザ強度を有しており、このようなレーザ強度を持つパルスレーザ１１の焦点１１ｃの近傍において、多光子吸収によって紫外線透過窓板１を改質して屈折率変化領域１２を形成することが出来る。なお、パルスレーザ１１の出力値は２００ｍＷを超えると、紫外線透過窓板１にクラックが走るため好ましくない。
【００５０】
そして、このような多光子吸収による紫外線透過窓板１の改質においては、当該多光子吸収部の近辺への熱拡散は殆ど発生せず、当該パルスレーザ１１の焦点１１ｃの近傍のみを改質させることができるため、殊に微小な屈折率変化領域１２の形成には非常に好適である。このような条件を満たすパルスレーザ１１としては、チタン−サファイヤレーザが好適である。
【００５１】
紫外線透過窓板１の内部又は表面に形成した焦点１１ｃは、載置台１０に取り付けたＸＹＺステージ等の手段により、当該パルスレーザ１１に対して当該紫外線透過窓板１を所定の速度で相対的に運動させることで走査させ、当該焦点１１ｃの走査した部分の近傍で当該紫外線透過窓板１の屈折率を変化させ、屈折率変化領域１２を形成させていく。当該屈折率変化領域１２の形成時におけるパルスレーザ１１の走査速度は、概ね０．０１〜１ｍｍ／ｓとなる。
【００５２】
上記手段により２次元的に屈折率変化領域１２のパターンを形成させることで、例えば図３に示すようなバイナリーレンズ８が形成される。このバイナリーレンズ８は、中心を屈折率変化領域１２又は屈折率未変化領域１３として円形に形成されており、その周囲には、屈折率変化領域１２の外側には屈折率（又は厚さ）の異なる屈折率変化領域１２又は屈折率未変化領域１３が、屈折率未変化領域１３の外側には屈折率変化領域１２が、それぞれ同心円状となるようにリング状に形成された形状を有する。
【００５３】
ここで、当該バイナリーレンズの各屈折率変化領域１２は、例えば図３のように周期的に形成されており、各周期における各屈折率変化領域１２の屈折率（又は厚さ）の分布は、当該バイナリーレンズ８を凹レンズとして構成する際には、各屈折率変化領域１２の屈折率（又は厚さ）が外側に向かって漸増するように構成する。また、当該バイナリーレンズ８を凸レンズとして構成する際には、各屈折率変化領域１２の屈折率（又は厚さ）が外側に向かって漸減するように構成する。そして、各周期の境界においては、屈折率（又は厚さ）が最大の領域と最小の領域とが、互いに隣接するように構成する。
【００５４】
さらに、当該屈折率変化領域１２の幅は、当該バイナリーレンズの外側に行くほど小さくなるように構成する。
一般的には、同心円の中央からｍ番目にあるリングの内周の半径，及び（ｍ−１）番目にあるリングの外周の半径を表す半径ｒは、
【数１】
のように表され、各屈折率変化領域１２の幅は、各屈折率変化領域１２の外周と内周との半径差となり、ｍが大きくなるほど小さくなる。ここで、ｆは当該バイナリーレンズの焦点距離、λは回折させる光の波長である。またＬは、バイナリーレンズ８をはじめとした回折素子のレベル数と呼ばれる値であり、当該屈折率の分布における各周期に存在する各屈折率領域の屈折率（又は厚さ）が、第１の屈折率領域の屈折率ｎ１（又は厚さｔ１）から第Ｌの屈折率領域の屈折率ｎＬ（又は厚さｔＬ）に至るまで、Ｌ段階に亘って漸増又は漸減していくような構成を取る。
【００５５】
このバイナリーレンズ８の性能は、レベル数，直径及び焦点距離等を変化させることで、調整することが可能であるが、特にＬの値は大きいほど、例えば８レベル以上になると回折効率は９５％を超え、回折効率をより高めることが出来るので好ましい。
【００５６】
また、上記バイナリーレンズ８を形成させるに当たって、紫外線透過窓板１に対してパルスレーザ１１の集光照射によって複数の屈折率に変化させるには、
（１）当該パルスレーザ１１の焦点１１ｃの走査速度を変化させる方法
（２）当該パルスレーザ１１のレーザ強度を変える方法
（３）当該透明基板１に対して当該パルスレーザ１１を走査させる間隔を変える方法
を用いることが好ましい。また、バイナリーレンズ８の一部を屈折率未変化領域１３で構成すると、当該屈折率未変化領域１３にあたる部分に係る形成工程を省略することが出来るため好ましい。
【００５７】
＜バイナリーレンズの作用メカニズムの一例＞
ここで、バイナリーレンズ８によって、短波長紫外線の斜入射特性を改善させるメカニズムを、短波長紫外線が紫外線透過窓板１を透過した際に、屈折率変化領域１２により受ける位相変化量が０及びπとなる、２レベルのバイナリーレンズ８の場合を例にとって説明する。
【００５８】
バイナリーレンズ８によって回折して主焦点位置で集光される光は、一般に１次回折光と呼ばれており、その他にも主焦点位置以外の焦点を持つ高次の回折光が存在する。図４〜６には、短波長紫外線が紫外線透過窓板１に入射した後、バイナリーレンズ８を透過して紫外線受光素子４に照射されるまでの光線追跡図の一例を示す。但しバイナリーレンズ８のレベル数、直径及び焦点距離は一例であり、この例に限定されるものではない。
【００５９】
図４は、入射した短波長紫外線が光路を変換されずに透過する透過光（零次光）の光線追跡図である。入射角度０°のとき（図４（ａ））バイナリーレンズ８により遮られる光量が多いことが分かる。そして、入射角度は０°から増加するに伴って光量は増加し、入射角度４０°のときには（図４（ｂ））、バイナリーレンズ８により遮られる光が無くなるため、光量が最大になる。しかし、入射角度６０°に近づくと（図４（ｃ））、耐紫外線キャップ２で遮られる光量が多くなり、これより大きい角度では光量が０になる。
【００６０】
また、図５は、入射した短波長紫外線が設計焦点位置で焦点を結ぶ１次回折光の光線追跡図である。入射角度０°の場合は（図５（ａ））、バイナリーレンズ８に入射した短波長紫外線が全て紫外線受光素子４に到達し、光量が最大になる。しかし、入射角度の増加に伴って紫外線受光素子４に到達する光量が減少し、入射角度３０°以上になると（図５（ｂ））、短波長紫外線３は紫外線受光素子４から外れてしまい、光量は０になる。
【００６１】
また、図６は、入射した短波長紫外線が設計焦点位置で焦点を結ばない−１次回折光の光線追跡図である。入射角度が０°の場合は（図６（ａ））、バイナリーレンズ８に入射した短波長紫外線が全て紫外線受光素子４に到達し、光量が最大になる。入射角度の増加に伴って紫外線受光素子４に到達する光量が減少し、入射角度５０°以上になると（図６（ｂ））、短波長紫外線は紫外線受光素子４から外れてしまい、光量は０になる。
【００６２】
さらに、実際のバイナリーレンズ８による回折光では、さらに高次の回折光が存在しているため、紫外線受光素子に照射される短波長紫外線の光量は零次光から±ｎ次回折光までの総和から決定することが出来る。
【００６３】
以上のことから、本実施形態に係るバイナリーレンズ８は、入射角度が低角度側において、±１次回折光が紫外線受光素子４に入射しない光量を大きくするため、相対的に高角度側の紫外線受光素子４のセンサ出力を上昇させるのである。その結果、短波長紫外線検出器において、高角度側での斜入射特性の向上を図ることが可能となる。
【００６４】
＜短波長紫外線検出器７の実施形態全般について＞
上記では、短波長紫外線検出器７の耐紫外線キャップ１に未加工の紫外線透過窓板１を接合し、当該短波長紫外線検出器７を先に組み立ててしまった後で、当該紫外線透過窓板１の表面又は内部にバイナリーレンズ８を形成する方法を説明した。しかしながら、本実施形態は上記順序に限られるものではなく、例えば、先に紫外線透過窓板１にバイナリーレンズ８を形成した後で、当該バイナリーレンズ８を短波長紫外線検出器７に設置する方法や、紫外線透過窓板１に耐紫外線キャップ２のみを先に接合した後で、当該紫外線透過窓板１にバイナリーレンズ８を形成し、これらを用いて短波長紫外線検出器７を組み立てる方法を取ることも可能である。
【実施例１】
【００６５】
以下、上記実施形態に係る実施例を説明する。
透明材料として、直径７ｍｍ、厚み０．２ｍｍの単結晶サファイヤ基板を用いた。当該単結晶サファイヤ基板は予め両面を研磨した後で、耐紫外線キャップの受光窓に気密配置した。そして、当該単結晶サファイヤ基板と当該耐紫外線キャップ、耐紫外線基板によって紫外線受光素子を封止して短波長紫外線検出器を組み立てた。
ここで、当該紫外線受光素子は２ｍｍ四方の正方形の形状をした受光面を有するものであり、高配向性ダイヤモンド表面の粒子サイズが５〜８μｍ角に揃っているものを使用し、紫外線透過窓板の上面から紫外線受光素子までの距離は２.０２ｍｍとした。
【００６６】
そして、当該短波長紫外線検出器を載置台上に載置して、パルスレーザ発光源より出射したパルスレーザを集光して、焦点を当該サファイヤ基板の内部に合わせることで、内部に屈折率変化領域を形成した。当該パルスレーザは、パルス幅１５０ｆｓ、出力１００〜２００ｍＷ、繰返し２００ｋＨｚであり、集光に用いたレンズは、焦点距離１０ｍｍ、走査速度は２５μｍ／ｓのものである。そして、当該載置台を当該パルスレーザに対して連続的に走査することにより、当該サファイヤ基板の内部に直径０．８ｍｍのバイナリーレンズを形成した。ここで形成したバイナリーレンズの顕微鏡観察像は、図７に示すとおりであり、波長１７２ｎｍにおいて焦点距離２．５ｍｍとなる２レベルのバイナリーレンズである。
【００６７】
そして、バイナリーレンズを付加した短波長紫外線検出器と、バイナリーレンズを付加していない従来型の短波長紫外線検出器の各角度位置における照度の値を比較した結果、図８に示すように、従来型のものに比べて４０〜５０°付近での角度特性が向上し、理想的な余弦曲線により近い斜入射特性が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本実施形態に係る、短波長紫外線検出器の一例を示す図である。
【図２】本実施形態に係る、パルスレーザによる紫外線透過窓板の加工工程を説明する図である。
【図３】本実施形態におけるバイナリーレンズのうち、２レベルバイナリーレンズの一例についての、（ａ）正面図と、（ｂ）断面図である。
【図４】本実施形態における、紫外線透過窓板を透過した非回折光の光線追跡図である。
【図５】本実施形態における、紫外線透過窓板を透過した１次回折光の光線追跡図である。
【図６】本実施形態における、紫外線透過窓板を透過した−１次回折光の光線追跡図である。
【図７】実施例１に係る、紫外線透過窓板の内部に形成したバイナリーレンズの顕微鏡観察像である。
【図８】実施例１に係る、紫外線透過窓板の内部にバイナリーレンズを形成した短波長紫外線検出器、及び、比較例１に係る短波長紫外線検出器の、斜入射特性の測定結果を比較する図である。
【符号の説明】
【００６９】
１ 紫外線透過窓板
２ 耐紫外線キャップ
３ 耐紫外線基板
４ 紫外線受光素子
５ リード線
６ リード端子
７ 短波長紫外線検出器
８ バイナリーレンズ
９ 気密容器
１０ 載置台
１１ パルスレーザ
１１ａ レーザ発光源
１１ｂ 集光レンズ
１１ｃ 焦点
１２ 屈折率変化領域
１３ 屈折率未変化領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火炎センサや短波長紫外線照射装置において好ましく用いることの出来る、短波長紫外線検出器及びその製造方法に関し、特に短波長紫外線の平面照度（以下、単に照度と記述）を好ましく測定することの出来る紫外線透過窓を有した短波長紫外線検出器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エキシマランプ（中心波長１７２ｎｍ）や低圧水銀ランプ（波長１８５ｎｍ）から放射される高強度の短波長紫外線を照射して、ディスプレー用ガラス基板やプラスチックフィルムの表面状態の改質に用いられている。これは、紫外線の持つ強いエネルギーによる有機物の化学結合切断や、化学反応を促進させるラディカル生成作用を利用したものである。
【０００３】
このような短波長紫外線を基材の表面改質などに用いる場合、照射による表面改質を確実に行うためには、短波長紫外線検出器等によって改質領域の短波長紫外線照度を精度良く測定する必要がある。しかし、短波長紫外線の照度を測定するに当たっては、高強度の短波長紫外線によって、短波長紫外線検出器に含まれる紫外線受光素子が容易に劣化する点や、上記ランプに近接した状態において測定精度が低下する点が、問題点として挙げられる。（非特許文献１，２）
【０００４】
このうち、前者の問題点については、ダイヤモンド薄膜を使用した紫外線受光素子が提案されている（非特許文献３）。ここで、ダイヤモンド薄膜は耐熱性及び耐久性に優れ、バンドギャップが広い半導体としての性質を持つため、より耐久性の良い光導電型の短波長紫外線受光素子として用いることができる。また、このダイヤモンド薄膜を用いた紫外線受光素子を、サファイヤ窓を設けた金属製気密容器に封入すると、過酷な紫外線暴露と共に高濃度のオゾンにも耐えうる短波長紫外線検出器が形成できる（特許文献１）。
【０００５】
一方で、後者の問題点は、照度計の受光部に斜めから入射する短波長紫外線が受光部内の紫外線受光素子に到達しないことにより発生するものである。この斜めから入射する短波長紫外線による紫外線受光素子の応答度は斜入射特性と呼ばれ、紫外線の傾斜角度と当該応答度との関係が余弦曲線と一致するほど、当該照度の正確な測定が行える。
【０００６】
なお、可視光線を計測する照度計については日本工業規格ＪＩＳ Ｃ１６０９「照度計」に各階級（性能による分類）毎に規定された斜入射特性、分光応答度特性等の性能の製品が供給されていて、この照度計を使用することで正確な測定が保証されている（非特許文献４）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−０３７１７３号公報
【非特許文献１】紫外放射の放射照度測定方法特別研究委員会報告書 第１分冊 紫外放射の産業界における使用例とその実用測定器・方法の現状 平成６年３月 社団法人 照明学会
【非特許文献２】短波長紫外線の測定法に関する研究調査委員会報告 ２０００年３月 社団法人 照明学会
【非特許文献３】日本赤外線学会 第３４回定例研究会資料 ＩＲ−０３−８ ダイヤモンド薄膜の光素子応用でナノスケール技術を革新する ２００３年１１月１４日
【非特許文献４】日本工業規格 ＪＩＳ Ｃ １６０９ 照度計
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
被照射物の表面に入射する光の照度は、照度計を用いて計測を行うのであるが、照度計の受光部の外郭には斜入射特性改善のために半球状の構造物が設けられており、当該構造物は、測定基準面から５ミリメートル以上盛り上がっているので、短波長紫外線の照度を測定しようとする場合、ランプに構造物が当たってしまうため、ランプから５ｍｍ未満の位置の照度は測定することが出来ない。
【０００９】
しかしながら、短波長紫外線は空気によって強く吸収を受けるので、ランプに被照射物をおおよそ５ミリメートルまで接近させなければ高精度な照度の測定を行うことが出来ない。
【００１０】
ここで、当該半球状の構造物を省略すれば、受光部の外郭は平坦になって、ランプから５ｍｍ未満の位置の照度測定は可能となるものの、この場合には斜入射特性が損なわれ、斜めから入射する短波長紫外線が紫外線受光素子に照射されなくなるために、測定した照度は低い値を示すようになる。
【００１１】
以上のことから、２００ｎｍ以下の短波長紫外線領域の測定又は検出を行う照度計においては、前記規格を準用できるほどの性能は未だ得られていないのが実情である。
【００１２】
さらに、従来の半球状の構造物は、例えば切削研磨法やモールド法によって加工されており、当該半球状の構造物を有する紫外線透過窓板を形成した後で、当該紫外線透過窓板を短波長紫外線検出器に封入する必要があった。そのため、当該構造物の位置が所望の位置から外れ、当該短波長紫外線検出器の検出精度を低下させてしまうという問題点があった。
【００１３】
また、従来のダイヤモンド薄膜を使用した紫外線受光素子では、結晶粒子のサイズが制御されておらず、ダイヤモンド薄膜の表面は不均一であった。そのため、紫外線に対する感度特性が不均一となり、紫外線が照射される領域によって、当該短波長紫外線検出器の出力に著しいバラツキが生じるという問題点があった。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、第１には、斜入射特性の改善によって、特に２００ｎｍ以下の短波長紫外線の照度を好ましく測定することの出来る短波長紫外線検出器を提供することである。第２には、紫外線透過窓板に設ける斜入射特性の改善手段が、当該紫外線透過窓板を短波長紫外線検出器に組み入れる際に、所望の位置から外れることを防ぐような、短波長紫外線検出器の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の発明者らは上記課題に鑑み、短波長紫外線検出器への紫外線の入り口となる紫外線透過窓板に当該紫外線の光路を変換する作用を持たせることで、当該紫外線検出器の斜入射特性を改善できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１６】
すなわち、請求項１に係る発明は、短波長紫外線の照射によって電気抵抗が変化するようなダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子を内部に有する短波長紫外線検出器において、当該紫外線受光素子は、紫外線透過窓板を受光部として有する気密容器に、当該紫外線透過窓板と対向するように封入されており、当該紫外線透過窓板の表面又は内部にバイナリーレンズが形成された紫外線透過窓板を有していることを特徴とする短波長紫外線検出器である。
【００１７】
ここで、ダイヤモンド薄膜光電導型の紫外線受光素子を封入した金属製気密容器の受光部は、平行平板形状をした紫外線透過窓材の表面又は内部にバイナリーレンズを形成し、当該バイナリーレンズによって当該紫外線透過窓材に入射した短波長紫外線の光路を変換する。この構造によって、紫外線受光素子に照射される短波長紫外線の光量を落とすことなく、盛り上がった半球状の構造物を省略することが可能である。
【００１８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の構成に加えて、当該紫外線透過窓板の材質が、サファイヤであることを特徴とする、短波長紫外線検出器である。
【００１９】
ここで、短波長紫外線の光路を変換する紫外線透過窓の材質はサファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）が最も好ましい。サファイヤは、１４０ｎｍ以上の紫外線を透過するとともに、紫外線によって透過率低下が少ないという特徴を有しているからである。また、当該紫外線透過窓を薄型化させても、充分な機械的強度を維持することが出来るという利点を有している。
【００２０】
請求項３に係る発明は、請求項１〜２記載の構成に加えて、当該バイナリーレンズが、紫外線透過窓板の表面又は内部に形成された複数の同心円状の屈折率変化領域からなることを特徴とする、短波長紫外線検出器である。
【００２１】
ここで、当該バイナリーレンズとしては、例えば中心を屈折率変化領域又は屈折率未変化領域として、屈折率変化領域の外側に屈折率未変化領域を、屈折率未変化領域の外側に屈折率変化領域を、それぞれ同心円状に形成させた構成を有したものが挙げられる。
【００２２】
また、当該屈折率変化領域は、単一の厚さ及び屈折率値を有するような構成のみならず、複数の厚さ若しくは屈折率値、又は連続的な厚さ若しくは屈折率値を有するような構成とすることも出来る。このような構成にすることで、当該バイナリーレンズを、従来の半球状の構成物が有していた挙動へと、より高精度に近づけることも可能である。さらに、屈折率未変化領域を設けずに、屈折率変化領域の厚さ又は屈折率変化の大小のみで、バイナリーレンズを表現するような構成とすることも出来る。
【００２３】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３記載の構成に加えて、当該紫外線透過窓板が、当該紫外線透過窓板に入射する短波長紫外線の光路を、当該紫外線受光素子に達する方向に変換することを特徴とする、短波長紫外線検出器である。
【００２４】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４記載の構成に加えて、紫外線透過窓を透過して紫外線受光素子に達する短波長紫外線が、入射した短波長紫外線の光路が変換されずに透過する零次光と、当該紫外線透過窓板によって光路を変換された±ｎ次回折光とから構成されていることを特徴とする、短波長紫外線検出器である。
【００２５】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５記載の構成に加えて、当該紫外線受光素子に到達する短波長紫外線の光量は、
（１）零次光
（２）±ｎ次回折光のうち紫外線受光素子を照射する光量
の総和からなることを特徴とする、短波長紫外線検出器である。
【００２６】
請求項７に係る発明は、紫外線透過窓板と気密容器とを用いて紫外線受光素子を封入し、短波長紫外線検出器の筐体を組み立てた後で、当該紫外線透過窓板の表面又は内部に焦点を形成するように、パルスレーザを集光照射しながら、当該パルスレーザに対して当該紫外線透過窓板を所定の速度で当該焦点を相対的に走査させ、当該焦点の走査した部分の近傍で屈折率変化領域を形成させてバイナリーレンズを有した紫外線透過窓板を形成することを特徴とする、短波長紫外線検出器の製造方法である。
【００２７】
請求項８に係る発明は、請求項７記載の構成に加えて、当該紫外線透過窓板の材質が、サファイヤであることを特徴とする、短波長紫外線検出器の製造方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る短波長紫外線検出器によれば、通常のサファイヤ窓と紫外線受光素子の配置では紫外線受光素子に到達しないような斜め方向から入射する短波長紫外線の光路を、紫外線受光素子を照射するような方向に変換することが出来るため、短波長紫外線検出器の斜入射特性を改善させた、短波長紫外線検出器を提供することが出来るという効果を奏する。
【００２９】
また、本発明の紫外線透過窓では、半球状の構造物を表面に設ける必要がないため、特に光源と近接した距離での測定が求められる、波長２００ｎｍ以下の短波長紫外線の照度測定に適した短波長紫外線検出器を提供することが出来るという効果を奏する。
【００３０】
さらに、バイナリーレンズの形状を最適化させることで、当該検出器の受光部の斜入射特性を、最も理想的な余弦曲線に近似させることが可能であり、当該受光部を使用して測定した照度は、入射角度にかかわらず、正しい計測値とすることが出来るという効果を奏する。
【００３１】
一方、本発明に係る短波長紫外線検出器の製造方法によれば、受光部の紫外線透過窓板の表面又は内部にパルスレーザを集光照射して屈折率変化領域を形成し、当該屈折率変化領域を用いて斜入射特性の改善手段たるバイナリーレンズを形成することで、当該短波長紫外線検出器の筐体を組み立てた後であっても当該紫外線透過窓板へのバイナリーレンズの作成を容易に行うことが出来るため、当該紫外線透過窓板を当該短波長紫外線検出器に組み入れる際に、当該バイナリーレンズの中心軸が所望の位置から外れることを防止することが出来る。そのため、より高精度な短波長紫外線検出器を製造することが可能になるという効果を奏する。
【００３２】
また、本発明に係る短波長紫外線検出器の製造方法によれば、最も理想的な斜入射特性を持たせるために、当該バイナリーレンズを形成する屈折率変化領域の位置や、当該バイナリーレンズにおける屈折率変化のレベル数の調整を容易に行うことが可能になるという効果をも奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態は、耐紫外線キャップ２と耐紫外線基板３とからなる気密容器９と共に紫外線透過窓板１を用いて紫外線受光素子４を封入した後で、当該紫外線透過窓板１の表面又は内部にバイナリーレンズ８を形成することを特徴とする、短波長紫外線検出器及びその製造方法である。
【００３４】
＜バイナリーレンズを形成する紫外線透過窓板について＞
本実施形態に用いる紫外線透過窓板１としては、紫外域の波長の光に対する透過率が高く、かつ表面又は内部で屈折率が変化しうるような材料を用いることが出来る。具体的には、シリカガラスやホウケイ酸ガラス，フッ素ドープシリカガラス等のガラス、フッ化カルシウム，フッ化マグネシウム，フッ化バリウム，石英やサファイヤ単結晶等の酸化物結晶を用いることが可能である。
【００３５】
ここで、紫外線透過窓板１として単結晶サファイヤ基板を用いることが好ましい。サファイヤ単結晶は、１４０ｎｍ以上の紫外線を透過するとともに、紫外線によって透過率低下が少ないという特徴を有しているからである。また、当該紫外線透過窓板１としてサファイヤ単結晶を用いることは、当該紫外線透過窓板１の機械的強度を強くすることが出来るという利点も有している。その上、バイナリーレンズ８の形成方法としてレーザ加工を用いる場合には、レーザの照射による屈折率変化量を大きくすることが出来るという点でも好ましい。
【００３６】
当該紫外線透過窓板１は、予め両側の表面を、研磨等により平坦にしておく。当該紫外線透過窓板１の表面を平坦に整えることで、短波長紫外線をより安定的に透過させるとともに、より高精度にバイナリーレンズを形成できるためである。研磨手段としては、固定砥粒を用いた手段，流動砥粒を用いた手段をはじめとした、公知の方法を適用することが出来る。
【００３７】
＜ダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子について＞
一方で、ダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子４としては、シリコン（１００）基板上に、検出層となるダイヤモンド層が形成され、この絶縁性ダイヤモンド層の表面上に１対の櫛形電極が形成されたものを好ましく用いることが出来る。
【００３８】
ダイヤモンド層は、公知の方法により形成することができるが、特に、制御性が優れ、低コストで安定してダイヤモンド膜を製造可能であるプラズマを使用した気相化学蒸着（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により合成された多結晶ダイヤモンド膜が好ましい。また、ダイヤモンド層は、表面がダイヤモンドの（１００）面により形成され、結晶粒子が一定方向に配向している高配向性ダイヤモンド膜がより好ましい。この高配向性ダイヤモンド膜は、結晶粒子の成長方向及び面内方向が共に一定方向に方位整合し、表面は平坦な（１００）結晶面が並ぶ特徴的な表面形態をとっているため、櫛形電極が容易に形成でき、紫外線受光素子４として良好な検知特性が得られるからである。
【００３９】
尚、本発明では、シリコン基板表面に形成する高配向性ダイヤモンドの粒子密度および膜厚を各々、５×１０７／ｃｍ２および８〜１０μｍの範囲に制御し、高配向性ダイヤモンド表面の粒子サイズを５〜８μｍ角に揃えると、櫛形電極間に存在するダイヤモンド粒子の平均個数が、１〜２個の範囲に揃い、安定的な対紫外線感度特性を示すため、なお好ましい。
【００４０】
上記１対の櫛形電極は、金，白金又はアルミニウム等の一般的な金属により形成することができる。その形成方法としては、例えば、真空蒸着法，スパッタリング法，イオンプレーティング法又はＣＶＤ法等の公知の方法を利用することができる。電極の形状は任意にすることが出来るが、櫛形及びフィッシュボーン型のように相互に対向する部分の長さが長い形状が好ましい。紫外線検知領域が増加し、感度がより向上するからである。特に、紫外線を測定する場合には、例えば、幅が１〜５０μｍであり、電極間隔が１〜５０μｍである櫛形構造にすることがより好ましい。
【００４１】
そして、当該ダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子４においては、ダイヤモンド層が検知層となり、櫛形電極間にバイアス電圧が印加される。絶縁性ダイヤモンド層に紫外線が入射すると、絶縁性ダイヤモンド層中でキャリア（電子及び正孔）が生成する。このキャリアは、櫛形電極間に印加されたバイアス電圧により生じた電界によって移動し、櫛形電極で補集され、電気信号として出力される。
【００４２】
＜紫外線透過窓板及び紫外線受光素子の短波長紫外線検出器への取付け＞
上記手段により表面を平坦にした紫外線透過窓板１と、上記のように特徴的なダイヤモンド層からなる紫外線受光素子４は、図１（ａ）のような正面図と、図Ｉ１（ｂ）のような側面図とを有するような短波長紫外線検出器７に取り付けられる。
【００４３】
具体的には、透明基板１は耐紫外線キャップ２の受光窓に気密配置され、これらは接合される。接合の手段としては、例えばモリブデン−マンガンのハーメチックシールを用いることが出来る。当該耐紫外線キャップ２は、例えば鉄合金やセラミックで筒状または箱状に形成されたものであり、その底部には、例えば鉄合金やセラミックで円形状または角状に形成された耐紫外線基板３を気密配置する。そして、耐紫外線基板３の上面には、短波長紫外線に感度を有して構成された、ダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子４を接着載置して短波長紫外線検出器７を形成する。当該紫外線受光素子４を接着載置する際に、紫外線受光素子４への紫外線の入射によって生じる電気信号は、リード線５と，耐紫外線基板３に設けられたリード端子６とを通じて外部に出力されるようにする。
【００４４】
ここで、透明基板１と耐紫外線キャップ２と耐紫外線基板３によって構成される内部空間は、当該紫外線受光素子４が測定雰囲気から悪影響を受けることを防ぐため、不活性ガス雰囲気で満たされていることが好ましい。さらに、透明基板１を透過した短波長紫外線が測定雰囲気に影響されることを防ぐため、当該紫外線受光素子４を湿気や外気等に触れないように、完全な気密パッケージに封入することが好ましい。ここで、好ましく用いることの出来る不活性ガスとしては、例えば窒素ガス若しくはアルゴンガスが挙げられる。
【００４５】
＜紫外線透過窓板へのバイナリーレンズの形成＞
上記のようにして短波長紫外線検出器７に紫外線透過窓材として取り付けられた紫外線透過窓板１に対して、当該表面又は内部の一定の領域に、屈折率変化領域１２からなる同心円状のパターンを形成させることで、バイナリーレンズ８を形成させた。当該屈折率変化領域１２の形成方法としては、切削加工，超音波加工，レーザ加工，ドライエッチング加工，インプリント加工又は鋳造等の公知の技術を用いることが出来る。
【００４６】
ここで特に、屈折率変化領域１２は紫外線透過窓板１の内部に形成されていることが好ましい。それにより、当該屈折率変化領域１２の紫外線透過窓板１の表面への露出を防ぎ、当該紫外線透過窓板１の表面によって当該屈折率変化領域１２を保護することが出来るからである。そして、屈折率変化領域１２を紫外線透過窓板１の内部に形成させるには、多光子吸収を起こすようなパルスレーザを用いることが好ましい。
【００４７】
以下、パルスレーザの多光子吸収によって屈折率変化領域１２を形成させる場合を例に説明する。
【００４８】
紫外線透過窓板１を接合させた短波長紫外線検出器７を、パルスレーザ照射装置の載置台１０に載せる。そして、レーザ発光源１１ａから発生させたパルスレーザ１１を集光レンズ１１ｂによって集光させ、当該集光レンズ１１ｂにより生じた焦点１１ｃを当該紫外線透過窓板１の表面又は内部に形成させる。
【００４９】
ここで、紫外線透過窓板１に集光照射させるパルスレーザ１１としては、当該紫外線透過窓板１に吸収されないような波長域を有しており、かつ当該紫外線透過窓板１に対して多光子吸収を起こさせる性質を有するものを用いることが好ましく、具体的には、１００ｆｓ（１ｆｓ＝１０−１５ｓ）〜１ｐｓのパルス幅、１００〜２００ｍＷの出力値、１ｋＨｚ以上の繰返し周期を有することが好ましい。当該条件を満たすパルスレーザ１１は、集光スポットにおいて１０ＴＷ／ｃｍ２以上のレーザ強度を有しており、このようなレーザ強度を持つパルスレーザ１１の焦点１１ｃの近傍において、多光子吸収によって紫外線透過窓板１を改質して屈折率変化領域１２を形成することが出来る。なお、パルスレーザ１１の出力値は２００ｍＷを超えると、紫外線透過窓板１にクラックが走るため好ましくない。
【００５０】
そして、このような多光子吸収による紫外線透過窓板１の改質においては、当該多光子吸収部の近辺への熱拡散は殆ど発生せず、当該パルスレーザ１１の焦点１１ｃの近傍のみを改質させることができるため、殊に微小な屈折率変化領域１２の形成には非常に好適である。このような条件を満たすパルスレーザ１１としては、チタン−サファイヤレーザが好適である。
【００５１】
紫外線透過窓板１の内部又は表面に形成した焦点１１ｃは、載置台１０に取り付けたＸＹＺステージ等の手段により、当該パルスレーザ１１に対して当該紫外線透過窓板１を所定の速度で相対的に運動させることで走査させ、当該焦点１１ｃの走査した部分の近傍で当該紫外線透過窓板１の屈折率を変化させ、屈折率変化領域１２を形成させていく。当該屈折率変化領域１２の形成時におけるパルスレーザ１１の走査速度は、概ね０．０１〜１ｍｍ／ｓとなる。
【００５２】
上記手段により２次元的に屈折率変化領域１２のパターンを形成させることで、例えば図３に示すようなバイナリーレンズ８が形成される。このバイナリーレンズ８は、中心を屈折率変化領域１２又は屈折率未変化領域１３として円形に形成されており、その周囲には、屈折率変化領域１２の外側には屈折率（又は厚さ）の異なる屈折率変化領域１２又は屈折率未変化領域１３が、屈折率未変化領域１３の外側には屈折率変化領域１２が、それぞれ同心円状となるようにリング状に形成された形状を有する。
【００５３】
ここで、当該バイナリーレンズの各屈折率変化領域１２は、例えば図３のように周期的に形成されており、各周期における各屈折率変化領域１２の屈折率（又は厚さ）の分布は、当該バイナリーレンズ８を凹レンズとして構成する際には、各屈折率変化領域１２の屈折率（又は厚さ）が外側に向かって漸増するように構成する。また、当該バイナリーレンズ８を凸レンズとして構成する際には、各屈折率変化領域１２の屈折率（又は厚さ）が外側に向かって漸減するように構成する。そして、各周期の境界においては、屈折率（又は厚さ）が最大の領域と最小の領域とが、互いに隣接するように構成する。
【００５４】
さらに、当該屈折率変化領域１２の幅は、当該バイナリーレンズの外側に行くほど小さくなるように構成する。
一般的には、同心円の中央からｍ番目にあるリングの内周の半径，及び（ｍ−１）番目にあるリングの外周の半径を表す半径ｒは、
【数１】
のように表され、各屈折率変化領域１２の幅は、各屈折率変化領域１２の外周と内周との半径差となり、ｍが大きくなるほど小さくなる。ここで、ｆは当該バイナリーレンズの焦点距離、λは回折させる光の波長である。またＬは、バイナリーレンズ８をはじめとした回折素子のレベル数と呼ばれる値であり、当該屈折率の分布における各周期に存在する各屈折率領域の屈折率（又は厚さ）が、第１の屈折率領域の屈折率ｎ１（又は厚さｔ１）から第Ｌの屈折率領域の屈折率ｎＬ（又は厚さｔＬ）に至るまで、Ｌ段階に亘って漸増又は漸減していくような構成を取る。
【００５５】
このバイナリーレンズ８の性能は、レベル数，直径及び焦点距離等を変化させることで、調整することが可能であるが、特にＬの値は大きいほど、例えば８レベル以上になると回折効率は９５％を超え、回折効率をより高めることが出来るので好ましい。
【００５６】
また、上記バイナリーレンズ８を形成させるに当たって、紫外線透過窓板１に対してパルスレーザ１１の集光照射によって複数の屈折率に変化させるには、
（１）当該パルスレーザ１１の焦点１１ｃの走査速度を変化させる方法
（２）当該パルスレーザ１１のレーザ強度を変える方法
（３）当該透明基板１に対して当該パルスレーザ１１を走査させる間隔を変える方法
を用いることが好ましい。また、バイナリーレンズ８の一部を屈折率未変化領域１３で構成すると、当該屈折率未変化領域１３にあたる部分に係る形成工程を省略することが出来るため好ましい。
【００５７】
＜バイナリーレンズの作用メカニズムの一例＞
ここで、バイナリーレンズ８によって、短波長紫外線の斜入射特性を改善させるメカニズムを、短波長紫外線が紫外線透過窓板１を透過した際に、屈折率変化領域１２により受ける位相変化量が０及びπとなる、２レベルのバイナリーレンズ８の場合を例にとって説明する。
【００５８】
バイナリーレンズ８によって回折して主焦点位置で集光される光は、一般に１次回折光と呼ばれており、その他にも主焦点位置以外の焦点を持つ高次の回折光が存在する。図４〜６には、短波長紫外線が紫外線透過窓板１に入射した後、バイナリーレンズ８を透過して紫外線受光素子４に照射されるまでの光線追跡図の一例を示す。但しバイナリーレンズ８のレベル数、直径及び焦点距離は一例であり、この例に限定されるものではない。
【００５９】
図４は、入射した短波長紫外線が光路を変換されずに透過する透過光（零次光）の光線追跡図である。入射角度０°のとき（図４（ａ））バイナリーレンズ８により遮られる光量が多いことが分かる。そして、入射角度は０°から増加するに伴って光量は増加し、入射角度４０°のときには（図４（ｂ））、バイナリーレンズ８により遮られる光が無くなるため、光量が最大になる。しかし、入射角度６０°に近づくと（図４（ｃ））、耐紫外線キャップ２で遮られる光量が多くなり、これより大きい角度では光量が０になる。
【００６０】
また、図５は、入射した短波長紫外線が設計焦点位置で焦点を結ぶ１次回折光の光線追跡図である。入射角度０°の場合は（図５（ａ））、バイナリーレンズ８に入射した短波長紫外線が全て紫外線受光素子４に到達し、光量が最大になる。しかし、入射角度の増加に伴って紫外線受光素子４に到達する光量が減少し、入射角度３０°以上になると（図５（ｂ））、短波長紫外線３は紫外線受光素子４から外れてしまい、光量は０になる。
【００６１】
また、図６は、入射した短波長紫外線が設計焦点位置で焦点を結ばない−１次回折光の光線追跡図である。入射角度が０°の場合は（図６（ａ））、バイナリーレンズ８に入射した短波長紫外線が全て紫外線受光素子４に到達し、光量が最大になる。入射角度の増加に伴って紫外線受光素子４に到達する光量が減少し、入射角度５０°以上になると（図６（ｂ））、短波長紫外線は紫外線受光素子４から外れてしまい、光量は０になる。
【００６２】
さらに、実際のバイナリーレンズ８による回折光では、さらに高次の回折光が存在しているため、紫外線受光素子に照射される短波長紫外線の光量は零次光から±ｎ次回折光までの総和から決定することが出来る。
【００６３】
以上のことから、本実施形態に係るバイナリーレンズ８は、入射角度が低角度側において、±１次回折光が紫外線受光素子４に入射しない光量を大きくするため、相対的に高角度側の紫外線受光素子４のセンサ出力を上昇させるのである。その結果、短波長紫外線検出器において、高角度側での斜入射特性の向上を図ることが可能となる。
【００６４】
＜短波長紫外線検出器７の実施形態全般について＞
上記では、短波長紫外線検出器７の耐紫外線キャップ１に未加工の紫外線透過窓板１を接合し、当該短波長紫外線検出器７を先に組み立ててしまった後で、当該紫外線透過窓板１の表面又は内部にバイナリーレンズ８を形成する方法を説明した。しかしながら、本実施形態は上記順序に限られるものではなく、例えば、先に紫外線透過窓板１にバイナリーレンズ８を形成した後で、当該バイナリーレンズ８を短波長紫外線検出器７に設置する方法や、紫外線透過窓板１に耐紫外線キャップ２のみを先に接合した後で、当該紫外線透過窓板１にバイナリーレンズ８を形成し、これらを用いて短波長紫外線検出器７を組み立てる方法を取ることも可能である。
【実施例１】
【００６５】
以下、上記実施形態に係る実施例を説明する。
透明材料として、直径７ｍｍ、厚み０．２ｍｍの単結晶サファイヤ基板を用いた。当該単結晶サファイヤ基板は予め両面を研磨した後で、耐紫外線キャップの受光窓に気密配置した。そして、当該単結晶サファイヤ基板と当該耐紫外線キャップ、耐紫外線基板によって紫外線受光素子を封止して短波長紫外線検出器を組み立てた。
ここで、当該紫外線受光素子は２ｍｍ四方の正方形の形状をした受光面を有するものであり、高配向性ダイヤモンド表面の粒子サイズが５〜８μｍ角に揃っているものを使用し、紫外線透過窓板の上面から紫外線受光素子までの距離は２.０２ｍｍとした。
【００６６】
そして、当該短波長紫外線検出器を載置台上に載置して、パルスレーザ発光源より出射したパルスレーザを集光して、焦点を当該サファイヤ基板の内部に合わせることで、内部に屈折率変化領域を形成した。当該パルスレーザは、パルス幅１５０ｆｓ、出力１００〜２００ｍＷ、繰返し２００ｋＨｚであり、集光に用いたレンズは、焦点距離１０ｍｍ、走査速度は２５μｍ／ｓのものである。そして、当該載置台を当該パルスレーザに対して連続的に走査することにより、当該サファイヤ基板の内部に直径０．８ｍｍのバイナリーレンズを形成した。ここで形成したバイナリーレンズの顕微鏡観察像は、図７に示すとおりであり、波長１７２ｎｍにおいて焦点距離２．５ｍｍとなる２レベルのバイナリーレンズである。
【００６７】
そして、バイナリーレンズを付加した短波長紫外線検出器と、バイナリーレンズを付加していない従来型の短波長紫外線検出器の各角度位置における照度の値を比較した結果、図８に示すように、従来型のものに比べて４０〜５０°付近での角度特性が向上し、理想的な余弦曲線により近い斜入射特性が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本実施形態に係る、短波長紫外線検出器の一例を示す図である。
【図２】本実施形態に係る、パルスレーザによる紫外線透過窓板の加工工程を説明する図である。
【図３】本実施形態におけるバイナリーレンズのうち、２レベルバイナリーレンズの一例についての、（ａ）正面図と、（ｂ）断面図である。
【図４】本実施形態における、紫外線透過窓板を透過した非回折光の光線追跡図である。
【図５】本実施形態における、紫外線透過窓板を透過した１次回折光の光線追跡図である。
【図６】本実施形態における、紫外線透過窓板を透過した−１次回折光の光線追跡図である。
【図７】実施例１に係る、紫外線透過窓板の内部に形成したバイナリーレンズの顕微鏡観察像である。
【図８】実施例１に係る、紫外線透過窓板の内部にバイナリーレンズを形成した短波長紫外線検出器、及び、比較例１に係る短波長紫外線検出器の、斜入射特性の測定結果を比較する図である。
【符号の説明】
【００６９】
１ 紫外線透過窓板
２ 耐紫外線キャップ
３ 耐紫外線基板
４ 紫外線受光素子
５ リード線
６ リード端子
７ 短波長紫外線検出器
８ バイナリーレンズ
９ 気密容器
１０ 載置台
１１ パルスレーザ
１１ａ レーザ発光源
１１ｂ 集光レンズ
１１ｃ 焦点
１２ 屈折率変化領域
１３ 屈折率未変化領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
短波長紫外線の照射によって電気抵抗が変化するようなダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子を内部に有する短波長紫外線検出器において、
当該紫外線受光素子は、紫外線透過窓板を受光部として有する気密容器に、当該紫外線透過窓板と対向するように封入されており、
当該紫外線透過窓板の表面又は内部にバイナリーレンズが形成された紫外線透過窓板を有していることを特徴とする短波長紫外線検出器。
【請求項２】
当該紫外線透過窓板の材質が、サファイヤであることを特徴とする、請求項１記載の短波長紫外線検出器。
【請求項３】
当該バイナリーレンズが、紫外線透過窓板の表面又は内部に形成された複数の同心円状の屈折率変化領域からなることを特徴とする、請求項１〜２記載の短波長紫外線検出器。
【請求項４】
当該紫外線透過窓板が、当該紫外線透過窓板に入射する短波長紫外線の光路を、当該紫外線受光素子に達する方向に変換することを特徴とする、請求項１〜３記載の短波長紫外線検出器。
【請求項５】
紫外線透過窓を透過して紫外線受光素子に達する短波長紫外線が、入射した短波長紫外線の光路が変換されずに透過する零次光と、当該紫外線透過窓板によって光路を変換された±ｎ次回折光とから構成されていることを特徴とする、請求項１〜４記載の短波長紫外線検出器。
【請求項６】
当該紫外線受光素子に到達する短波長紫外線の光量は、
（１）零次光
（２）±ｎ次回折光のうち紫外線受光素子を照射する光量
の総和からなることを特徴とする、請求項１〜５記載の短波長紫外線検出器。
【請求項７】
紫外線透過窓板と気密容器とを用いて紫外線受光素子を封入し、短波長紫外線検出器の筐体を組み立てた後で、
当該紫外線透過窓板の表面又は内部に焦点を形成するように、パルスレーザを集光照射しながら、当該パルスレーザに対して当該紫外線透過窓板を所定の速度で当該焦点を相対的に走査させ、当該焦点の走査した部分の近傍で屈折率変化領域を形成させてバイナリーレンズを有した紫外線透過窓板を形成することを特徴とする、
短波長紫外線検出器の製造方法。
【請求項８】
当該紫外線透過窓板の材質が、サファイヤであることを特徴とする、請求項７記載の短波長紫外線検出器の製造方法。
【請求項１】
短波長紫外線の照射によって電気抵抗が変化するようなダイヤモンド薄膜光導電型の紫外線受光素子を内部に有する短波長紫外線検出器において、
当該紫外線受光素子は、紫外線透過窓板を受光部として有する気密容器に、当該紫外線透過窓板と対向するように封入されており、
当該紫外線透過窓板の表面又は内部にバイナリーレンズが形成された紫外線透過窓板を有していることを特徴とする短波長紫外線検出器。
【請求項２】
当該紫外線透過窓板の材質が、サファイヤであることを特徴とする、請求項１記載の短波長紫外線検出器。
【請求項３】
当該バイナリーレンズが、紫外線透過窓板の表面又は内部に形成された複数の同心円状の屈折率変化領域からなることを特徴とする、請求項１〜２記載の短波長紫外線検出器。
【請求項４】
当該紫外線透過窓板が、当該紫外線透過窓板に入射する短波長紫外線の光路を、当該紫外線受光素子に達する方向に変換することを特徴とする、請求項１〜３記載の短波長紫外線検出器。
【請求項５】
紫外線透過窓を透過して紫外線受光素子に達する短波長紫外線が、入射した短波長紫外線の光路が変換されずに透過する零次光と、当該紫外線透過窓板によって光路を変換された±ｎ次回折光とから構成されていることを特徴とする、請求項１〜４記載の短波長紫外線検出器。
【請求項６】
当該紫外線受光素子に到達する短波長紫外線の光量は、
（１）零次光
（２）±ｎ次回折光のうち紫外線受光素子を照射する光量
の総和からなることを特徴とする、請求項１〜５記載の短波長紫外線検出器。
【請求項７】
紫外線透過窓板と気密容器とを用いて紫外線受光素子を封入し、短波長紫外線検出器の筐体を組み立てた後で、
当該紫外線透過窓板の表面又は内部に焦点を形成するように、パルスレーザを集光照射しながら、当該パルスレーザに対して当該紫外線透過窓板を所定の速度で当該焦点を相対的に走査させ、当該焦点の走査した部分の近傍で屈折率変化領域を形成させてバイナリーレンズを有した紫外線透過窓板を形成することを特徴とする、
短波長紫外線検出器の製造方法。
【請求項８】
当該紫外線透過窓板の材質が、サファイヤであることを特徴とする、請求項７記載の短波長紫外線検出器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２４８０６２（Ｐ２００７−２４８０６２Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６７９３２（Ｐ２００６−６７９３２）
【出願日】平成１８年３月１３日（２００６．３．１３）
【出願人】（０００２４０４７７）並木精密宝石株式会社 (210)
【出願人】（００００００１９２）岩崎電気株式会社 (533)
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１３日（２００６．３．１３）
【出願人】（０００２４０４７７）並木精密宝石株式会社 (210)
【出願人】（００００００１９２）岩崎電気株式会社 (533)
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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