CN102834702A

CN102834702A - 分光模块

Info

Publication number: CN102834702A
Application number: CN2011800166783A
Authority: CN
Inventors: 能野隆文; 柴山胜己
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: JP5325829B2; JP2011215075A; DE112011101155B4; WO2011125440A1; DE112011101155T5; CN102834702B; US20130141718A1; US9074933B2

Abstract

在分光模块（1）中，因为除了分光部（4）和光检测元件（5）之外还设有分光部（8）和光检测元件（9），所以相对于宽波长范围的光和不同波长范围的光能够提高检测灵敏度。再有，因为将光通过孔（5b）以及光吸收层（12）设置于光检测部（5a）与光检测部（9a）之间，并以与该光吸收层（12）（即区域（R））相对的方式设置反射部（7），所以能够防止大型化。另外，环境光（ambient light）（La）被光吸收层（12）吸收。于是，即使使环境光（La）的一部分透过光吸收层（12）的区域（R），由于该一部分的光由以与区域（R）相对的方式设置的反射部（7）而被反射到区域（R）侧，所以也能够抑制起因于环境光（La）的入射的杂散光的发生。

Description

分光模块

技术领域

本发明涉及对光进行分光并加以检测的分光模块。

背景技术

作为现有的分光模块，众所周知有具备作为双凸透镜的块状的支撑体，将闪耀衍射光栅等的分光部设置于支撑体的一个凸面并将光电二极管等的光检测元件设置于支撑体的另一个凸面侧的分光模块（例如参照专利文献1）。这样的分光模块中，从另一个凸面侧入射光被分光部分光，被分光的光被光检测元件检测。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开平4-294223号公报

发明内容

发明所要解决的问题

然而，对于以上所述那样的分光模块来说，虽然实现了小型化，但是对于宽波长范围的光和不同波长范围的光难以提高检测灵敏度。这是因为闪耀衍射光栅具有相对于特定波长范围的光为高效率的特征。

因此，本发明是有鉴于这样的情况而完成的发明，其目的在于，提供一种能够防止大型化并能够高精度地检测宽波长范围的光和不同波长范围的光的分光模块。

解决问题的技术手段

为了达到上述目的，本发明所涉及的分光模块的特征在于，具备：主体部，使从一侧入射的光透过；第1分光部，被配置于主体部的另一侧，对入射到主体部的光进行分光并且反射到主体部的一侧；第1光检测元件，被配置于主体部的一侧，检测由第1分光部分光后的第1次数的第1光；反射部，反射由第1分光部分光后的第2次数的第2光；第2分光部，被设置于主体部的另一侧，对被反射部反射的第2光进行分光并且反射到主体部的一侧；以及第2光检测元件，被配置于主体部的一侧，检测由第2分光部分光后的第3光；在主体部的一侧，将使光入射到主体部的光入射部以及吸收光的光吸收层设置于第1光检测元件的第1光检测部与第2光检测元件的第2光检测部之间，反射部相对于第1光检测部和第2光检测部、以及光吸收层而位于第1分光部以及第2分光部侧，并与光吸收层相对。

在该分光模块中，入射到主体部的光由第1分光部进行分光并且被反射到主体部的一侧。在由第1分光部分光后的光中，第1光向主体部的一侧行进并被第1光检测元件检测。另外，在由第1分光部分光后的光中，第2光向主体部的一侧行进并被反射部反射到主体部的另一侧。然后，被反射部反射的第2光由第2分光部进行分光并且被反射到主体部的一侧。在由第2分光部分光后的光中，第3光向主体部的一侧行进并被第2光检测元件检测。如以上所述，因为除了第1分光部和第1光检测元件之外还设有第2分光部和第2光检测元件，所以相对于宽波长范围的光和不同波长范围的光能够提高检测灵敏度。再有，将光入射部以及光吸收层设置于第1光检测元件的第1光检测部与第2光检测元件的第2光检测部之间，并以与光吸收层相对的方式设置反射部。如以上所述，通过利用第1光检测部与第2光检测部之间的区域，从而能够防止分光模块的大型化。另外，在从光入射部使光入射到主体部的时候环境光（ambient light）容易到达光入射部的周边，但是这样的环境光被光吸收层吸收。而且，即使使环境光的一部分透过光吸收层，由于该一部分的光被以与光吸收层相对的方式设置的反射部反射到光吸收层侧。由此，能够抑制起因于环境光的入射的杂散光（stray light）的发生。如以上所述，根据本发明，能够防止大型化并能够高精度地检测宽波长范围的光和不同波长范围的光。

另外，光吸收层中的第1光检测元件与第2光检测元件之间的区域在从主体部的一侧进行观察的情况下优选包含于反射部。根据该结构，能够更加可靠地将透过了光吸收层的环境光的一部分反射至光吸收层侧。

另外，优选，主体部具有第1部分、相对于第1部分位于第1光检测元件以及第2光检测元件侧并与第1部分相接合的第2部分，反射部被设置于第1部分与第2部分之间。根据该结构，能够容易而且高精度地将反射部形成于相对于光吸收层在第1分光部以及第2分光部侧且与光吸收层相对的位置上。还有，在将反射部设置于第1部分与第2部分之间的时候，有必要形成作为包含反射特性好的反射层以及相对于主体部吻合好的基底层的层叠构造的反射部。此时，通过将基底层形成于第2部分并将反射层形成于该基底层上，从而设置反射部并以夹持该反射部的方式接合第1部分和第2部分。由此，因为反射层面对第1分光部以及第2分光部侧，所以能够可靠地反射第2光。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种能够防止大型化并能够高精度地检测宽波长范围的光和不同波长范围的光的分光模块。

附图说明

图1是本发明所涉及的分光模块的一个实施方式的平面图。

图2是沿着图1的II-II线的截面图。

图3是图1的分光模块的下面图。

图4是用于说明图1的分光模块的制造方法的截面图。

图5是用于说明图1的分光模块的制造方法的截面图。

图6是用于说明图1的分光模块的制造方法的截面图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。还有，在各个图中将相同的符号标注于相同或者相当的部分，省略重复的说明。

如图1,2所示，分光模块1具备使从前侧（一侧）入射的光Lm透过的基板（主体部、第2部分）2和透镜部（主体部、第1部分）3、对入射到基板2以及透镜部3的光Lm进行分光并且反射到前侧的分光部（第1分光部）4、检测作为由分光部4分光后的-1次光的光（第1次数的第1光）L1的光检测元件（第1光检测元件）5。再有，分光模块1具备将作为由分光部4分光后的0次光的光（第2次数的第2光）L2反射到后侧（另一侧）的反射部7、对由反射部7反射的光L2进行分光并且反射到前侧的分光部8、检测由分光部8分光后的光（第3光）L3的光检测元件（第2光检测元件）9。

基板2由BK7、Pyrex（注册商标，派热克斯玻璃）、石英等光透过性玻璃、光透过性模制玻璃或者光透过性塑料等被形成为长方形板状。在基板2的前面2a上形成有由Al或Au等单层膜或者Cr-Pt-Au、Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au、Cr-Au等层叠膜构成的配线10。配线10具有多个垫圈部10a、多个垫圈部10b以及连接对应的垫圈部10a和垫圈部10b的多个连接部10c。还有，相对于配线10在基板2的前面2a侧形成由CrO等单层膜或者Cr-CrO等层叠膜构成的光反射防止层。

在基板2的前面2a形成有光吸收层12。光吸收层12使配线10的垫圈部10a,10b露出，而覆盖配线10的连接部10c。在光吸收层12上设置有开口部12a,12b,12c。开口部12b位于基板2的长边方向上的一侧，开口部12c位于基板2的长边方向上的另一侧。开口部12a位于开口部12b与开口部12c之间。开口部12a为入射到基板2以及透镜部3的光Lm所通过的孔。开口部12b为由分光部4分光了的光L1所通过的孔，开口部12c为由分光部8分光了的光L3所通过的孔。作为光吸收层12的材料，可以列举黑色抗蚀剂、放入了填料（碳或氧化物等）的有色树脂（硅酮树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、复合树脂等）、Cr或Co等金属或氧化金属、或者其层叠膜、多孔状的陶瓷或金属或者氧化金属。

在基板2的前面2a与光吸收层12之间形成有绝缘层11。绝缘层11使配线10的垫圈部10a,10b露出，而覆盖配线10的连接部10c。绝缘层11的一部分即绝缘部11a覆盖基板2的长边方向上的开口部12b内的一侧的部分。绝缘层11的一部分即绝缘部11b覆盖基板2的长边方向上的开口部12c内的另一侧的部分。绝缘部11a,11b作为截止规定的波长范围的光的光学滤波器而发挥功能。

在从绝缘层11以及光吸收层12露出的垫圈部10a，由通过凸点13的倒装焊接（face down bonding）而连接有长方形板状的光检测元件5,9的外部端子。光检测元件5以光检测部5a与光吸收层12的开口部12b相对的方式位于基板2的长边方向上的一侧。光检测元件9以光检测部9a与光吸收层12的开口部12c相对的方式位于基板2的长边方向上的另一侧。

光检测元件5的光检测部5a通过长条状的光电二极管在大致垂直于其长边方向的方向上一维排列而构成。光检测元件5以光电二极管的一维排列方向与基板2的长边方向大致一致并且光检测部5a朝着基板2的前面2a侧的方式进行配置。还有，光检测元件5并不限定于光电二极管阵列，也可以是C-MOS影像传感器或CCD影像传感器等。

在光检测元件5，设置有入射到基板2以及透镜部3的光Lm所通过的光通过孔5b。光通过孔5b以与光吸收层12的开口部12a相对的方式沿着光电二极管的一维排列方向与光检测部5a并排设置。光通过孔5b为在大致垂于基板2的长边方向并且大致平行于基板2的前面2a的方向上延伸的狭缝，在相对于光检测部5a以高精度被定位的状态下由蚀刻等形成。

光检测元件9的光检测部9a与光检测元件5的光检测部5a相同，通过长条状的光电二极管在大致垂直于其长边方向的方向上一维排列而构成。光检测元件9以光电二极管的一维排列方向与基板2的长边方向大致一致并且光检测部9a朝着基板2的前面2a侧的方式进行配置。还有，光检测元件9与光检测元件5相同，并不限定于光电二极管阵列，也可以是C-MOS影像传感器或CCD影像传感器等。

在光检测元件5的基板2侧（在这里是光检测元件5与基板2、绝缘层11或者光吸收层12之间），填充有至少使光L1透过的底部填充（underfill）材料20。同样，在光检测元件9的基板2侧（在这里是光检测元件9与基板2、绝缘层11或者光吸收层12之间），填充有至少使光L3透过的底部填充材料20。在图2所表示的结构中，底部填充材料20被填充于光检测元件5,9与基板2之间的整体，但也可以是底部填充材料20仅被填充于凸点13的周边的结构。还有，从绝缘层11以及光吸收层12露出的垫圈部10b作为分光模块1的外部端子而发挥功能。即，在从光吸收层12露出的垫圈部10b，电连接而且物理连接有外部配线等。

如图2、3所示，在基板2的后面2b，设置有夹持反射部7且具有球面状的外侧表面3a的透镜部3。透镜部3由与基板2相同的材料、光透过性树脂、光透过性的无机·有机混合材料、或者复制成形用的光透过性低熔点玻璃、塑料等而成为半球状的透镜被与其底面3b大致垂直并且互相大致平行的2个平面切下而形成有侧面3c的形状。透镜部3被嵌合于形成于基板2的后面2b的抗蚀层15的开口部15a，并由至少使光Lm,L1,L3透过的光学树脂材料19而被粘结于基板2的后面2b。还有，透镜形状并不限定于球面透镜，也可以是非球面透镜。

在此，透镜部3的侧面3c如图3（a）所示可以与基板2的边（外缘）相一致，如图3（b）所示也可以位于基板2的边（外缘）的内侧。在使透镜部3的侧面3c位于基板2的边（外缘）的内侧的情况下，通过将抗蚀层15的开口部15a制成对应于透镜部3的底面（前面）的形状，从而能够防止透镜部3在透镜部3的安装时在旋转方向上发生移动而在透镜部3的安装位置上发生偏移。

在透镜部3的后侧设置有分光部4,8。分光部4以与光检测元件5相对的方式位于基板2的长边方向上的一侧。分光部8以与光检测元件9相对的方式位于基板2的长边方向上的另一侧。分光部4具有以覆盖形成于衍射层6的衍射光栅图形4a以及衍射光栅图形4a的方式形成的反射层17。同样，分光部8具有以覆盖形成于衍射层6的衍射光栅图形8a以及衍射光栅图形8a的方式形成的反射层18。

衍射层6以沿着透镜部3的外侧表面3a的方式被形成为膜状，在衍射层6，以沿着其周缘6a成为比衍射层6厚的方式一体形成有凸缘部16。衍射层6以及凸缘部16通过使光固化性的环氧树脂、丙烯酸树脂、氟类树脂、PMMA、硅酮树脂、或者有机无机混合树脂等复制用光学树脂光固化而加以设置。衍射光栅图形4a,8a例如是锯齿状截面的闪耀光栅（blazed grating）、矩形状截面的二元光栅（binary grating）、正弦波状截面的全息光栅（holographic grating）等，并通过沿着基板2的长边方向并排设置多个沟槽而构成。反射层17,18为膜状，例如通过蒸镀Al或Au等而形成。

衍射层6在从后侧进行观察的情况下被形成为圆形状，凸缘部16在从后侧进行观察的情况下被形成为圆环状。另外，各个反射层17,18在从后侧进行观察的情况下被形成为圆形状，并包含于形成有分别对应的衍射光栅图形4a,8a的区域。还有，在从后侧进行观察的情况下，以包含并且覆盖反射层17,18的方式将钝化膜等保护层14形成于衍射层6的外侧（后侧）的表面上。保护层14为膜状，例如由MgF₂或SiO₂等的蒸镀膜或者具有防水性、防湿性的有机膜等所形成。

反射部7相对于光检测元件5的光检测部5a和光检测元件9的光检测部9a、以及光吸收层12而位于后侧（即分光部4,8侧）。再有，反射部7与光吸收层12中的光检测部5a和光检测部9a之间的区域R相对，并在从前侧进行观察的情况下，包含光吸收层12中的光检测元件5与光检测元件9之间的区域R1（即光吸收层12中从光检测元件5与光检测元件9之间露出于前侧的部分）。

在如以上所述构成的分光模块1中，入射到基板2以及透镜部3的光Lm被分光部4分光并且被反射到前侧。在被分光部4分光的光Lm中，光L1向前侧行进并被光检测元件5检测。另外，在被分光部4分光的光Lm中，光L2向前侧行进并被反射部7反射到后侧。然后，被反射部7反射的光L2被分光部8分光并且被反射到前侧。在被分光部8分光的光Lm中，光L3向前侧行进并被光检测元件9检测。这样，因为除了分光部4和光检测元件5之外设置有分光部8和光检测元件9，所以相对于宽波长范围的光和不同波长范围的光能够提高检测灵敏度并能够加宽可检测的波长范围。

再有，在光检测元件5的光检测部5a与光检测元件9的光检测部9a之间设置有光通过孔5b以及光吸收层12，并以与该光吸收层12（即区域R）相对的方式设置有反射部7。如以上所述，通过利用光检测部5a与光检测部9a之间的区域，从而能够防止分光模块1的大型化。

另外，在从光通过孔5b使光Lm入射到基板2以及透镜部3的时候，环境光La容易到达光通过孔5b的周边，但是这样的环境光La被光吸收层12中的光检测部5a与光检测部9a之间的区域R吸收。于是，即使使环境光La的一部分透过光吸收层12的区域R，该一部分的光也由以与光吸收层12的区域R相对并且包含光吸收层12中的区域R1的方式设置的反射部7而被可靠地反射到光吸收层12的区域R侧。由此，能够抑制起因于环境光La的入射的杂散光的发生。

在此，如果环境光La的一部分（特别是长波长光成分）透过区域R而入射到透镜部3的话，则作为杂散光的一部分，在透镜部3内增加了对分光器特性来说不要的杂散光。光L2与光L1相比较光的强度多半不是那么大，所以光L2的衍射光即光L3，光强度进一步发生降低。即，光L2,L3容易很大地受到由于环境光La而产生的杂散光的影响。为了减轻这样的状况，如以上所述设置反射部7是极为有效的。

如以上所述，根据本发明，能够防止大型化并能够高精度地检测宽波长范围的光和不同波长范围的光。

再有，在光吸收层12，被设置于光检测元件5与光检测元件9之间的区域R1，在从基板2的前侧进行观察的情况下被包含于反射部7。由此，能够更加可靠地将透过了区域R1的环境光La的一部分反射至区域R侧。

还有，通过将分光部4,8设置于透镜部3的外侧表面3a上，从而能够以厚度为1μm~20μm的方式极薄地形成衍射层6。由此，可以抑制在衍射层6的光吸收，并可以提高光的利用效率。而且，通过极薄地形成衍射层6从而能够抑制起因于热或水分的衍射层6的变形（伸缩等），并可以确保稳定的分光特性以及高可靠性。另外，通过将分光部4,8设置于外侧表面3a上从而相比于衍射层6能够可靠而且容易地增厚凸缘部16，从而可以防止衍射层6从外侧表面3a发生剥离。

对以上所述的分光模块1的制造方法进行说明。

首先，如图4（a）所示，准备基板2。之后，如图4（b）所示，将配线10形成于基板2的前面2a。再有，如图4（c）所示，在基板2的前面2a，以使成为配线10的垫圈部10a,10b的部分向前侧露出，并覆盖成为配线10的连接部10c的部分的方式，形成绝缘层11。在形成绝缘层11的时候，同时形成作为绝缘层11的一部分的绝缘部11a,11b。还有，绝缘部11a和绝缘部11b也可以分别由不同的材料形成，从而作为2个种类的光学滤波器而发挥功能。

接着，如图5（a）所示，在基板2的前面2a，以使成为垫圈部10a,10b的部分向前侧露出，并覆盖成为连接部10c的部分的方式，形成光吸收层12。之后，如图5（b）所示，在基板2的后面2b，形成由从后面2b侧起按顺序为基底层7a、中间层7b、反射层7c的层叠构造构成的反射部7。例如，为将基底层7a制成Ti层或者Cr层，将中间层7b制成Pt层，将反射层7c制成Au层的层叠构造。再有，如图5（c）所示，在基板2的后面2b，形成具有开口部15a的抗蚀层15。

还有，反射层7c并不限定于Au层，也可以是由反射率高的Al等金属膜或者金属氧化膜构成的层。另外，也可以由电介质多层膜镜面形成反射部7。这些材料的选择中，根据由分光模块处理的波长而选择反射率高的材料。

接着，如图6（a）所示，以光检测部5a与开口部12b内相对且光通过孔5b与开口部12a内相对的方式，由通过凸点13的倒装焊接（facedown bonding）而将光检测元件5安装于配线10的垫圈部10a上。同样，光检测元件9以光检测部9a与开口部12c内相对的方式由通过凸点13的倒装焊接而被安装于配线10的垫圈部10a上。接着，将底部填充材料20填充于光检测元件5,9的基板2侧。

另外，将分光部4,8形成于透镜部3。具体是，对于在透镜部3的外侧表面3a的顶点附近滴下的复制用光学树脂，推压刻有分别对应于衍射光栅图形4a,8a的光栅的光透过性的母光栅（master grating）。然后，在该状态下通过照射光而使复制用光学树脂固化，优选为了稳定化而通过实施加热固化来形成衍射层6以及凸缘部16。另外，作为树脂材料也可以使用热固化性树脂，仅由热和压力施加来形成衍射层6等。之后，剥离母光栅，通过将Al或Au等掩模蒸镀或者全面蒸镀于衍射层6的外侧表面从而分别形成反射层17,18。进一步，通过将MgF₂或SiO₂等掩模蒸镀或者全面蒸镀于衍射光栅图形4a,8a以及反射层17,18的外侧表面，或者通过将树脂涂布于衍射光栅图形4a,8a以及反射层17,18的外侧表面，从而形成保护层14。

接着，如图6（b）所示，在形成于基板2的后面2b的抗蚀层15的开口部15a内，涂布光学树脂材料19，以嵌合于开口部15a的方式将形成有分光部4,8的透镜部3接合于基板2的后面2b。然后，通过照射光使光学树脂材料19固化从而获得分光模块1。

还有，抗蚀层15的开口部15a以相对于成为用于将光检测元件5,9定位于基板2的基准部的基板2上的图形（没有图示）具有规定的位置关系的方式由光刻形成。此时，分光部4,8因为相对于透镜部3被高精度地定位，所以仅通过将透镜部3嵌合于开口部15a，能够将分光部4,8定位于基板2。另外，光检测元件5,9由作为基准部的基板2上的图形（没有图示）而被定位于基板2。因此，仅通过将透镜部3嵌合于开口部15a，从而除了分光部4和光检测元件5之外还能够实现分光部8与光检测元件9的对准（alignment）。

如以上所说明的那样，反射部7设置于基板2与透镜部3之间。根据该结构，能够容易而且高精度地将反射部7形成于相对于光吸收层12中的区域R为分光部4,8侧且与光吸收层12中的区域R1相对的位置上。而且，通过将基底层7a形成于基板2的后面2b且将反射层7c形成于该基底层7a上，从而设置反射部7，并以夹持该反射部7的方式接合基板2和透镜部3。由此，因为反射层7c面对分光部4,8侧，所以能够可靠地反射光L2。

本发明并不限定于以上所述的实施方式。

例如，也可以将反射部7作为金属片等并通过埋入到基板2的内部或透镜部3的内部来进行设置。另外，也可以不将光通过孔5b设置于光检测元件5，作为使光Lm入射到基板2以及透镜部3的光入射部，将光通过孔设置于光吸收层12中的区域R1。再有，由分光模块处理的衍射次数并不限定于光L1为-1次光、光L2为0次光，光L1和光L2的次数也可以不同。

产业上的利用可能性

根据本发明，可以提供一种能够防止大型化并能够高精度地检测宽波长范围的光和不同波长范围的光的分光模块。

符号的说明

1…分光模块、2…基板（第2部分）、3…透镜部（第1部分）、4…分光部（第1分光部）、5…检测元件（第1光检测元件）、5a…检测部（第1光检测部）、5b…光通过孔（光入射部）、7…反射部、8…分光部（第2分光部）、9…检测元件（第2光检测元件）、9a…检测部（第2光检测部）、12…光吸收层、R…区域（光吸收层中的第1光检测部与第2光检测部之间的区域）、R1…区域（光吸收层中的第1光检测元件与第2光检测元件之间的区域）、Lm…光、L1…光（第1光）、L2…光（第2光）、L3…光（第3光）。

Claims

1.一种分光模块，其特征在于：

具备：

主体部，使从一侧入射的光透过；

第1分光部，被配置于所述主体部的另一侧，对入射到所述主体部的光进行分光并且反射到所述主体部的一侧；

第1光检测元件，被配置于所述主体部的一侧，检测由所述第1分光部分光后的第1光，该第1光的次数为第1次数；

反射部，反射由所述第1分光部分光后的第2光，该第2光的次数为第2次数；

第2分光部，被设置于所述主体部的另一侧，对被所述反射部反射的所述第2光进行分光并且反射到所述主体部的一侧；以及

第2光检测元件，被配置于所述主体部的一侧，检测由所述第2分光部分光后的第3光，

在所述主体部的一侧，在所述第1光检测元件的第1光检测部与所述第2光检测元件的第2光检测部之间设置有使光入射到所述主体部的光入射部以及吸收光的光吸收层，

所述反射部相对于所述第1光检测部和所述第2光检测部、以及所述光吸收层而位于所述第1分光部以及所述第2分光部侧，与所述光吸收层相对。

2.如权利要求1所述的分光模块，其特征在于：

所述光吸收层中的所述第1光检测元件与所述第2光检测元件之间的区域在从所述主体部的一侧进行观察的情况下包含于所述反射部。

3.如权利要求1所述的分光模块，其特征在于：

所述主体部具有第1部分、相对于所述第1部分位于所述第1光检测元件以及第2光检测元件侧并与所述第1部分接合的第2部分，

所述反射部被设置于所述第1部分与所述第2部分之间。