光検出器

光検出器の概要

光検出器（Photodetector）は、光を電気信号に変換する装置です。主に光電効果をはじめとした様々な原理を利用して、光の検出を行います。また、光センサや受光素子とも呼ばれます。

光検出器の種類

光検出器には、いくつかの主要なタイプと分類があります。以下にそれぞれのタイプを詳述します。

光電効果型

光電効果型の光検出器は、外部光電効果と内部光電効果を利用したものに大別されます。外部光電効果を利用する例として、光電子増倍管（PMT）があります。これは、光が光電陰極に当たることで電子が放出され、その電子がダイノードで増幅される仕組みです。さらに、光電管もこの範疇にあり、光に応じて電子が動く特性を持っています。

内部光電効果を利用するものは、主に半導体を材料として使用しています。内部光電効果にはさまざまな種類がありますが、特に光伝導効果と光起電力効果を使用した検出器が主流です。

光伝導型

光伝導型の検出器は、真性半導体と不純物半導体の2つのタイプがあります。真性光伝導セルは可視光用のCdSセル、近赤外域のPbSCell、HgCdTeセルなどが代表的です。一方、不純物光導電セルは、Geを基にし、AuやHgなどの不純物を添加して作られ、主に赤外線の領域で広く利用されています。これらのデバイスは、熱励起を避けるために冷却が必要です。

光起電型

光起電型の光検出器はpn接合を使用しており、SiやGeを基にしたSiセルやGeセルとして知られています。これらは可視から近赤外にかけて優れた特性を持ち、多様な用途に利用されています。光起電型に逆バイアス電圧を加えることで、さらなる測定特性向上が可能となり、フォトダイオードとして一般的に使われています。また、フォトトランジスタはフォトダイオードの特性を持ちながら、出力の増幅を内蔵しています。

熱効果型

熱効果型は、光が入射することで発生する熱に反応するコンポーネントで、主に温度計的な役割を果たします。

• - 焦電検出器：強誘電体の結晶が温められることで永久双極子モーメントが変化し、その信号を電圧へと変換。
• - ゴーレイセル：赤外線の検出が主な用途です。
• - ボロメータ：光エネルギーに伴う温度上昇の電気抵抗の変化を利用。
• - 熱電対、サーミスタ：両者ともに光に対する感度はそれほど高くありません。

使用・応用例

光検出器は多様な製造メーカーによって提供されています。浜松ホトニクスやキーエンス、パナソニック、オムロンなどにより、用途は幅広くなっています。

また、写真乾板は化学変化を利用した古典的な検出装置で、銀塩分子が分解する過程で画像が記録されます。極低温探知器は、X線や近赤外線を高感度で測定できる特性を持っており、主に天文学や素粒子物理学の分野で活用されています。

天文学・素粒子物理学への関連

天文学では、電荷結合素子（CCD）が画像記録において幅広く使用されています。1990年代以前は写真乾板が主流でしたが、その後はCCD技術に移行しています。素粒子物理学でも、粒子の追跡や特定を行うために独自の検出器が活用されています。

このように、光検出器は様々な場面で重要な役割を果たし、科学技術の進展に寄与しています。

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