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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektroskopiemodul, das Licht beugt und detektiert.
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Hintergrundtechnik
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Als ein herkömmliches Spektroskopiemodul ist eines bekannt, das eine blockförmige Halterung umfasst, die eine bikonvexe Linse mit einer ersten konvexen Oberfläche, die mit einer Spektroskopieeinheit wie zum Beispiel einem Blaze-Beugungsgitter versehen ist, und einer zweiten konvexen Oberfläche, die mit einem Fotodetektor wie zum Beispiel einer Fotodiode versehen ist (siehe zum Beispiel
JP H04 - 294 223 A ) definiert. In einem solchen Spektroskopiemodul wird auf die zweite konvexe Oberfläche auftreffendes Licht durch die Spektroskopieeinheit gebeugt und ein so gebeugtes Licht wird durch den Fotodetektor detektiert. Weiterer Stand der Technik ist in
US 2005 / 0 018 189 A1 ,
JP 2009 - 092 680 A ,
JP 2009 - 300 420 A und
DE 693 16 063 T2 offenbart.
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Darstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Das oben genannte Spektroskopiemodul kann kleiner ausgeführt werden, aber es ist schwer, seine Detektionsempfindlichkeit für Licht mit einem breiten Wellenlängenbereich oder verschiedene Wellenlängenbereiche des Lichts zu verbessern. Der Grund hierfür ist, dass das Beugungs-Blaze-Gitter charakteristisch eine hohe Effizienz für Licht in einem spezifischen Wellenlängenbereich aufweist.
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Angesichts dieser Umstände ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spektroskopiemodul bereitzustellen, das Licht in einem breiten Wellenlängenbereich oder in verschiedenen Wellenlängenbereichen des Lichts genau detektieren kann, wobei es dabei nicht größer wird.
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Lösung der Aufgabe
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Zum Lösen der oben genannten Aufgabe umfasst das Spektroskopiemodul gemäß der vorliegenden Erfindung eine Haupteinheit, die mit einem eingedrückten Abschnitt versehen ist, der eine konkav gekrümmte Oberfläche und einer Öffnung zu einer Seite aufweist; eine erste Spektroskopieeinheit, die auf der gekrümmten Oberfläche ausgebildet ist, um Licht, das auf den eingedrückten Abschnitt auftrifft, zu beugen und das Licht zu der einen Seite der Haupteinheit zu reflektieren; einen ersten Fotodetektor, der so gehalten wird, dass er der gekrümmten Oberfläche gegenüberliegt, um ein erstes Licht, das Beugungslicht einer ersten Ordnung aufweist und durch die erste Spektroskopieeinheit gebeugt ist, zu detektieren; eine Reflexionseinheit zum Reflektieren eines zweiten Lichts, das ein Beugungslicht einer zweiten Ordnung aufweist und durch die erste Spektroskopieeinheit gebeugt ist; eine zweite Spektroskopieeinheit, die auf der gekrümmten Oberfläche ausgebildet ist, um das zweite Licht, das durch die Reflexionseinheit reflektiert wird, zu beugen und das zweite Licht zu der einen Seite der Haupteinheit zu reflektieren; und einen zweiten Fotodetektor, der gegenüber der gekrümmten Oberfläche gehalten wird, um ein drittes Licht zu detektieren, das durch die zweite Spektroskopieeinheit gebeugt wird; wobei auf der einen Seite der Haupteinheit ein Lichteintrittsabschnitt zum Einlassen des Lichts in den eingedrückten Abschnitt und eine Lichtabsorptionsschicht zum Absorbieren des Lichts zwischen einem ersten Lichtdetektionsabschnitt des ersten Fotodetektors und einem zweiten Lichtdetektionsabschnitt des zweiten Fotodetektors angeordnet ist; und wobei die Reflexionseinheit näher an der ersten und zweiten Spektroskopieeinheit als der erste und zweite Lichtdetektionsabschnitt und die Lichtabsorptionsschicht angeordnet ist und der Lichtabsorptionsschicht gegenüberliegt.
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In diesem Spektroskopiemodul wird auf die Einheit des eingedrückten Abschnitts eintreffendes Licht durch die erste Spektroskopieeinheit zu einer Seite der Haupteinheit gebeugt und reflektiert. In dem durch die erste Spektroskopieeinheit gebeugten Licht dringt das erste Licht zu der einen Seite der Haupteinheit vor und wird durch den ersten Fotodetektor detektiert. In dem durch die erste Spektroskopieeinheit gebeugten Licht dringt das zweite Licht zu der einen Seite der Haupteinheit vor und wird durch die Reflexionseinheit zu der anderen Seite der Haupteinheit reflektiert. Das zweite Licht, das durch die Reflexionseinheit reflektiert wird, wird gebeugt und durch die zweite Spektroskopieeinheit auf die eine Seite der Haupteinheit reflektiert. In dem durch die zweite Spektroskopieeinheit gebeugten Licht dringt das dritte Licht zu der einen Seite der Haupteinheit vor und wird durch den zweiten Fotodetektor detektiert. Da die zweite Spektroskopieeinheit und der zweite Fotodetektor somit zusätzlich zu der ersten Spektroskopieeinheit und dem ersten Fotodetektor vorgesehen sind, kann die Detektionsempfindlichkeit für Licht in einem weiten Wellenlängenbereich oder in verschiedenen Wellenlängenregionen des Lichts verbessert werden. Ferner werden der Lichteintrittsabschnitt und die Lichtabsorptionsschicht zwischen dem ersten Lichtdetektionsabschnitt des ersten Fotodetektors und dem zweiten Lichtdetektionsabschnitt des zweiten Fotodetektors vorgesehen, während die Reflexionseinheit so angeordnet ist, dass sie der Lichtabsorptionsschicht gegenüberliegt. Damit kann die Verwendung einer Region zwischen dem ersten und zweiten Lichtdetektionsabschnitt verhindern, dass das Spektroskopiemodul größer wird. Wenn Licht in den eingedrückten Abschnitt von dem Lichteintrittsabschnitt eingelassen wird, wird Umgebungslicht, das wahrscheinlich den Lichteintrittsabschnitt erreicht, durch die Lichtabsorptionsschicht absorbiert. Jeder Teil von Umgebungslicht, das durch die Lichtabsorptionsschicht transmittiert wird, wird durch die Reflexionseinheit auf die Lichtabsorptionsschicht reflektiert, die so angeordnet ist, dass sie der Lichtabsorptionsschicht gegenüberliegt. Dies kann verhindern, dass Streulicht durch den Eintritt von Umgebungslicht erzeugt wird. Aufgrund des zuvor beschriebenen, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, Licht in einem weiten Wellenlängenbereich oder in verschiedenen Wellenlängenregionen des Lichts genau zu detektieren, während die Größe nicht wächst.
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Bevorzugt ist eine Region zwischen dem ersten und zweiten Fotodetektor in der Lichtabsorptionsschicht, gesehen von der einen Seite der Haupteinheit, in der Reflexionseinheit enthalten. In dieser Struktur kann ein Teil des Umgebungslichts, der durch die Lichtabsorptionsschicht transmittiert wird, zuverlässiger zu der Lichtabsorptionsschicht reflektiert werden.
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Bevorzugt umfasst das Spektroskopiemodul ferner ein Substrat, das auf der einen Seite der Haupteinheit angeordnet ist, um den eingedrückten Abschnitt zu bedecken, wobei der erste und zweite Fotodetektor auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet sind und die Reflexionseinheit auf der anderen Oberfläche des Substrats angeordnet ist. In dieser Struktur kann die Reflexionseinheit leicht und genau an einer Position, die näher an der ersten und zweiten Spektroskopieeinheit liegt als die Lichtabsorptionsschicht, gegenüber der Lichtabsorptionsschicht ausgebildet werden. Wenn sie auf der anderen Oberfläche des Substrats vorgesehen ist, kann es für die Reflexionseinheit erforderlich sein, dass sie als mehrlagige Struktur ausgebildet ist, inklusive einer Reflexionsschicht mit einer vorteilhaften Reflexionscharakteristik und einer Gründungsschicht, die mit dem Substrat kompatibel ist. Hier wird die Reflexionseinheit bereitgestellt, indem die Gründungsschicht auf der anderen Oberfläche des Substrats ausgebildet wird und die Reflexionsschicht auf der Gründungsschicht gebildet wird, und das Substrat und die Haupteinheit miteinander derart verbunden sind, dass die Reflexionseinheit der gekrümmten konkaven Oberfläche gegenüberliegt. Dies ermöglicht es der Reflexionsschicht, der ersten und zweiten Spektroskopieeinheit zugewandt zu sein, wodurch das zweite Licht zuverlässig reflektiert werden kann.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung kann ein Spektroskopiemodul bereitstellen, das Licht in einem weiten Wellenlängenbereich oder in verschiedenen Wellenlängenregionen des Lichts genau detektieren kann, ohne dabei größer zu werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Draufsicht eines Spektroskops, in dem eine erste Ausführungsform eines Spektroskopiemoduls gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
- 2 ist eine Schnittansicht des Spektroskopiemoduls, die entlang der Linie II-II der 1 genommen ist;
- 3 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie III-III der 2 genommen ist;
- 4 ist eine Schnittansicht, die einen Hauptteil des Spektroskopiemoduls der 2 vergrößert;
- 5 ist eine Schnittansicht zum Erklären eines Herstellungsverfahrens des Spektroskopiemoduls der 2;
- 6 ist eine Schnittansicht zum Erklären des Herstellungsverfahrens des Spektroskopiemoduls der 2;
- 7 ist eine Schnittansicht zum Erklären des Herstellungsverfahrens des Spektroskopiemoduls aus 2;
- 8 ist eine Draufsicht eines Spektroskops, in dem eine zweite Ausführungsform des Spektroskopiemoduls gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird; und
- 9 ist eine Schnittansicht, die einen Hauptteil einer anderen Ausführungsform des Spektroskopiemoduls gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt werden. In den Zeichnungen werden dieselben oder äquivalente Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und eine wiederholende Beschreibung ausgelassen. Erste Ausführungsform
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Wie in 1 illustriert ist, umfasst ein Spektroskop 20 ein Spektroskopiemodul 1 und eine Verpackung 21 zum Aufnehmen des Spektroskopiemoduls 1. Die Verpackung 21 weist eine Box 22, die wie eine rechteckige parallelepipedische Box geformt ist, und einen Deckel 23, der zu einer länglichen Platte geformt ist, auf. Die Box 22 und der Deckel 23 sind aus einem Lichtabsorbtionsmaterial, wie zum Beispiel Kunststoff oder Keramik, die Licht absorbieren, hergestellt. Der Deckel 23 ist mit einer Lichteintrittsöffnung 23a ausgebildet, um Licht von außen in die Box 22 einzulassen, während eine Lichteintrittsöffnungsplatte 23b, die Licht durch sie hindurch transmittiert, an der Lichteintrittsöffnung 23a befestigt ist. Die Box 22 öffnet sich zu der Vorderseite, während ihre Öffnung mit einem eingedrückten Abschnitt 22a ausgebildet ist, der einen länglichen Querschnitt aufweist, in den der Deckel 23 passt. Mehrere Leitungen 24 sind in beiden Seitenflächen parallel zu der Längsrichtung der Box 22 eingebettet. Hintere Endteile der Leitungen 24 werden in die Box 22 gelegt, während sich ihre vorderen Endteile aus der Box 22 heraus erstrecken.
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Wie in 1 und 2 illustriert ist, umfasst das Spektroskopiemodul 1 eine rechtwinklige parallelepipedische Haupteinheit 3 mit einem halbkugelförmigen eingedrückten Abschnitt 3a mit einer konkaven gekrümmten Oberfläche 3b und einer Öffnung auf der Frontseite (einer Seite), ein Substrat (Lichtabsorptionsschicht) 2, das auf der Vorderseite der Haupteinheit 3 angeordnet ist, um den eingedrückten Abschnitt 3a zu bedecken, eine Spektroskopieeinheit (erste Spektroskopieeinheit) 7, die Licht Lm, das durch das Substrat 2 auf den eingedrückten Abschnitt 3a auftrifft, beugt und es zu der Vorderseite reflektiert, und einen Fotodetektor (erster Fotodetektor) 4, der eine Lichtkomponente detektiert (erstes Licht mit einem Beugungslicht einer ersten Ordnung) L1, die das Licht erster Ordnung ist, das durch die Spektroskopieeinheit 7 gebeugt wird. Das Spektroskopiemodul 1 umfasst auch eine Reflexionseinheit 6, die eine Lichtkomponente (zweites Licht mit einem Beugungslicht zweiter Ordnung) L2, welche das Licht nullter Ordnung ist, das durch die Spektroskopieeinheit 7 gebeugt wird, zu der Rückseite (der anderen Seite) reflektiert, eine Spektroskopieeinheit 8, die das Licht L2 beugt, das durch die Reflexionseinheit 6 reflektiert wird, und es zu der Vorderseite reflektiert, und einen Fotodetektor (zweiter Fotodetektor) 9, der eine Lichtkomponente (drittes Licht) L3 detektiert, das durch die Spektroskopieeinheit 8 gebeugt wird.
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Das Substrat 2 wird durch ein Licht absorbierendes Material, wie zum Beispiel schwarze Decklacke, gefärbte Kunststoffe (wie zum Beispiel Silikon, Epoxy, Acryl, Urethan, Polyimit und Verbundkunststoffe), die Füllstoffe (wie zum Beispiel Kohlenstoff und Oxide) darin enthalten, Metalle, wie zum Beispiel Cr und Co oder Oxide hiervon, ihre mehrlagigen Filme und poröse Keramiken und Metalle oder Metalloxide, gebildet und weist Öffnungen 2c, 2d auf. Die Öffnung 2c ist in der Längsrichtung des Substrats 2 auf einer Seite angeordnet, während die Öffnung 2d in der Längsrichtung des Substrats 2 auf der anderen Seite angeordnet ist. Die Öffnung 2c ist ein Loch, durch welches das Licht Lm, das auf den eingedrückten Abschnitt 3a der Haupteinheit 3 auftrifft, und das Licht L1, das durch die Spektroskopieeinheit 7 gebeugt wird, gelangen. Die Öffnung 2c ist ein Loch, durch welches das Licht L3, das durch die Spektroskopieeinheit 8 gebeugt wird, hindurchgelangt.
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Ein Verdrahtungsmuster 10, das durch einen Einschichtfilm aus Al, Au oder dergleichen oder einen Mehrschichtfilm aus Cr-Pt-Au, Ti-Pt-Au, Ti-Ni-Au, Cr-Au oder dergleichen gebildet wird, wird auf der Vorderseite (einer Seite) 2a des Substrats 2 ausgebildet. Das Verdrahtungsmuster 10 enthält mehrere Feldeinheiten 10a, mehrere Feldeinheiten 10b und mehrere Verbindungseinheiten 10c zum Verbinden der entsprechenden Feldeinheiten 10a, 10b miteinander. Die mehreren Feldeinheiten 10b sind so angeordnet, dass sie den hinteren Endteilen der Leitungen 24, die in der Box 22 eingebettet sind, entsprechen. Eine Antireflexionsschicht, die durch einen einlagigen Film aus CrO und dergleichen oder einem mehrlagigen Film aus Cr-CrO und dergleichen gebildet wird, wird näher an der Frontfläche 2a des Substrats 2 ausgebildet, als das Verdrahtungsmuster 10.
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Äußere Anschlüsse der länglichen plättchenförmigen Fotodetektoren 4, 9 sind mit ihren entsprechenden Feldeinheiten 10a durch abwärts gerichtetes Verbinden durch Erhebungen 11 verbunden. Der Fotodetektor 4 ist in der Längsrichtung des Substrats 2 auf einer Seite derart angeordnet, dass sein Licht detektierender Abschnitt 4a der Öffnung 2c des Substrats 2 gegenüberliegt. Der Fotodetektor 9 ist in der Längsrichtung des Substrats 2 auf der anderen Seite derart angeordnet, dass sein Licht detektierender Abschnitt 9a der Öffnung 2d des Substrats 2 gegenüberliegt. Ein Unterfüllmaterial wird zwischen die Fotodioden 4, 9 und die Vorderseite 2a des Substrats 2 so angebracht, dass es die Feldeinheiten 10a und die Erhebungen 11 bedeckt.
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Der Lichtdetektionsabschnitt 4a des Fotodetektors 4 ist durch eindimensionales Anordnen länglicher Fotodioden in einer im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Längsrichtung verlaufenden Richtung konstruiert. Der Fotodetektor 4 ist derart angeordnet, dass die eindimensionale Anordnungsrichtung der Fotodioden im Wesentlichen mit der Längsrichtung des Substrats 2 zusammenfällt, während der Lichtdetektionsabschnitt 4a zu der Vorderfläche 2a des Substrats 2 hin ausgerichtet ist. Der Fotodetektor 4 ist nicht auf den Fotodioden-Array beschränkt, sondern kann ein C-MOS Bildsensor, ein CCD-Bildsensor oder dergleichen sein.
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Der Fotodetektor 4 ist mit einem Lichttransmissionsloch (Lichteinlassabschnitt) 4b versehen, durch den das Licht Lm, das auf den eingedrückten Abschnitt 3a der Haupteinheit 3 auftrifft, hindurchgelangt. Das Lichttransmissionsloch 4b ist in der Längsrichtung des Substrats 2 auf der anderen Seite angeordnet und liegt gegenüber der Öffnung 2c des Substrats 2. Das Lichttransmissionsloch 4b, das ein Schlitz ist, der sich in einer im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung des Substrats 2 und im Wesentlichen parallel zu der Vorderfläche 2a des Substrats 2 verlaufenden Richtung erstreckt, wird durch Ätzen oder dergleichen ausgebildet, während es in Bezug auf den Lichtdetektionsabschnitt 4a hochgenau positioniert ist.
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Wie beim Lichtdetektionsabschnitt 4a des Fotodetektors 4 ist der Lichtdetektionsabschnitt 9a des Fotodetektors 9 durch eindimensionales Anordnen länglicher Fotodioden in einer im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Längsrichtung verlaufenden Richtung konstruiert. Der Fotodetektor 9 ist derart angeordnet, dass die eindimensionale Anordnungsrichtung von Fotodioden im Wesentlichen mit der Längsrichtung des Substrats 2 zusammenfällt, während der Lichtdetektionsabschnitt 9a zu der Vorderseite 2a des Substrats 2 hin ausgerichtet ist. Wie der Fotodetektor 4 ist der Fotodetektor 9 nicht auf den Fotodioden-Array beschränkt, sondern kann ein C-MOS-Bildsensor, ein CCD-Bildsensor oder dergleichen sein.
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Die Feldeinheiten 10b funktionieren als äußere Anschlüsse des Spektroskopiemoduls 1. Das bedeutet, die Feldeinheiten 10b sind elektrisch mit den hinteren Endteilen ihrer entsprechenden Leitungen 24 jeweils mit Drähten 25 verbunden. Als eine Folge wird ein elektrisches Signal, das erzeugt wird, wenn der Lichtdetektionsabschnitt 4a des Fotodetektors 4 das Licht L1 empfängt, aus dem Spektroskop 20 durch die Erhebung 11, Verdrahtungsmuster 10, Drähte 25 und Leitungen 24 auf der Fotodetektor 4-Seite herausgeführt. Ähnlich wird ein elektrisches Signal, das erzeugt wird, wenn der Lichtdetektionsabschnitt 9a des Fotodetektors 9 das Licht L3 empfängt, aus dem Spektroskop 20 durch die Erhöhungen 11, Verdrahtungsmuster 10, Drähte 25 und Leitungen 24 auf der Fotodetektor 9-Seite herausgeführt.
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Wie in 2 illustriert ist, wird die rechteckige parallelepipedische Haupteinheit 3 mit der rückseitigen Fläche (anderen Oberfläche) 2b des Substrats 2 verbunden. Die Haupteinheit 3 wird durch einen Licht abschattenden oder Licht absorbierenden Kunststoff gebildet, wobei Beispiele hierfür flüssigkristalline vollaromatische Polyesterstoffe, Polykarbonate und schwarzes Epoxy umfassen. Die gekrümmte Oberfläche 3b des eingedrückten Abschnitts 3a, der mit dem Substrat 2 bedeckt ist, kann auch asphärisch sein.
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Wie in 2 bis 4 illustriert ist, sind die Spektroskopieeinheiten 7, 8 in der Nähe des Bodens der gekrümmten Oberfläche 3b des eingerückten Abschnitts 3a angeordnet. Die Spektroskopieeinheit 7 ist in der Längsrichtung des Substrats 2 auf einer Seite angeordnet, sodass sie dem Fotodetektor 4 gegenüberliegt. Die Spektroskopieeinheit 8 ist in der Längsrichtung des Substrats 2 auf der anderen Seite angeordnet, sodass sie dem Fotodetektor 9 gegenüberliegt. Die Spektroskopieeinheit 7 weist ein Beugungsgittermuster 7a auf, das auf einer Beugungsschicht 5 ausgebildet ist, und eine Reflexionsschicht 12, die ausgebildet ist, um das Beugungsgittermuster 7a zu bedecken. Ähnlich weist die Spektroskopieeinheit 8 ein Beugungsgittermuster 8a auf, das auf der Beugungsschicht 5 ausgebildet ist, und eine Reflexionsschicht 13, die ausgebildet ist, um das Beugungsgittermuster 8a zu bedecken.
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Die Beugungsschicht 5 wird, von der Vorderseite aus gesehen, kreisförmig ausgebildet. Die Reflexionsschichten 12, 13, jeweils von der Vorderseite aus gesehen kreisförmig ausgebildet, sind in entsprechenden Bereichen enthalten, die mit ihren entsprechenden Beugungsgittermustern 7a, 8a ausgebildet sind.
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Die Beugungsschicht 5 ist wie ein Film in Übereinstimmung mit der gekrümmten Oberfläche 3b des eingedrückten Abschnitts 3a ausgebildet. Die Beugungsschicht 5 wird durch Fotoentwickeln eines optischen Kunststoffs für einen Abguss bereitgestellt, wie zum Beispiel fotoentwickelbare Epoxy-Kunststoffe, Acryl-Kunststoffe, Fluorin-basierte Kunststoffe, PMMA, Silikon und organische/anorganische Hybridkunststoffe. Die Beugungsgittermuster 7a, 8a, von denen jedes ein Blaze-Gitter mit einem Sägezahnquerschnitt ist, werden durch Nebeneinanderlegen mehrerer Nuten entlang der Längsrichtung des Substrats 2 konstruiert. Die Reflexionsschichten 12, 13 werden zu Filmen geformt, beispielsweise durch Verdampfen von Al oder Au.
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Wie in 2 illustriert ist, ist die Reflexionseinheit 6 auf der rückseitigen Fläche 2b des Substrats 2 angeordnet, sodass sie der gekrümmten Oberfläche 3b des eingedrückten Abschnitts 3a gegenüberliegt. Als eine Folge ist die Reflexionseinheit 6 auf der Rückseite (das heißt auf der näheren Seite zu den Spektroskopieeinheiten 7, 8) des Lichtdetektionsabschnitts 4a des Fotodetektors 4, des Lichtdetektionsabschnitts 9a des Fotodetektors 9 und des Substrats 2 angeordnet. Die Reflexionseinheit 6 liegt gegenüber einer Region R, gesehen von der Vorderseite aus, zwischen den Lichtdetektionsabschnitten 4a, 9a in dem Substrat 2 und enthält eine Region R1 zwischen den Fotodetektoren 4, 9 in dem Substrat 2 (das heißt einem Teil des Substrats 2, der zu der Vorderseite durch einen Spalt zwischen den Fotodetektoren 4, 9 freigelegt ist).
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In einem so konstruierten Spektroskopiemodul 1 wird das Licht Lm, das von dem Lichttransmissionsloch 4b des Fotodetektors 4 durch die Öffnung 2c des Substrats auf den eingedrückten Abschnitt 3a auftrifft, gebeugt und durch die Spektroskopieeinheit 7 zur Vorderseite reflektiert. In dem durch die Spektroskopieeinheit 7 gebeugten Licht Lm dringt das Licht L1 zu der Vorderseite vor und wird durch den Fotodetektor 4 detektiert. In dem durch die Spektroskopieeinheit 7 gebeugten Licht dringt das Licht L2 zur Vorderseite vor und wird durch die Reflexionseinheit 6 zur Rückseite reflektiert. Das durch die Reflexionseinheit 6 reflektierte Licht L2 wird durch die Spektroskopieeinheit 8 gebeugt und zu der Vorderseite reflektiert. In dem durch die Spektroskopieeinheit 8 gebeugten Licht dringt das Licht L3 zu der Vorderseite vor und wird durch den Fotodetektor 9 detektiert. Da die Spektroskopieeinheit 8 und der Fotodetektor 9 damit zusätzlich zu der Spektroskopieeinheit 7 und dem Fotodetektor 4 vorhanden sind, kann die Detektionsempfindlichkeit für Licht in einem weiten Wellenlängenbereich oder verschiedenen Wellenlängenregionen des Lichts verbessert werden, um den detektierbaren Wellenlängenbereich zu verbreitern.
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Das Licht transmittierende Loch 4b ist zwischen den Lichtdetektionsabschnitten 4a, 9a der Fotodetektoren 4, 9 angeordnet, während die Reflexionseinheit 6 so vorgesehen ist, dass sie der Region R im Substrat 2 gegenüberliegt. Damit kann die Verwendung der Region zwischen den Lichtdetektionsabschnitten 4a, 9a verhindern, dass das Spektroskopiemodul 1 größer wird.
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Umgebungslicht La, das wahrscheinlich das Lichttransmissionsloch 4b und seine Umgebung erreicht, wenn das Licht Lm auf den eingedrückten Abschnitt 3a von dem Lichttransmissionsloch 4b aus auftrifft, wird in der Region R in dem Substrat 2 absorbiert. Jeder Teil des Umgebungslichts La, das durch die Region R in dem Substrat 2 transmittiert wird, wird durch die Reflexionseinheit 6 zuverlässig zu der Region R in dem Substrat 2 reflektiert, die so angeordnet ist, dass sie der Region R in dem Substrat 2 gegenüberliegt und die Region R1 von ihr enthält. Dies kann verhindern, dass Streulicht durch das auftreffende Umgebungslicht La erzeugt wird.
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Jeder Teil des Umgebungslichts La (insbesondere eine langwellige Lichtkomponente), der durch die Region R in dem Substrat 2, das durch ein Licht absorbierendes Material gebildet wird, in die Vertiefung 3a eindringt, wird ein Teil des Streulichts und vergrößert das für Spektrometercharakteristika unnötige Streulicht. Das Laserlicht L2 hat hauptsächlich eine Lichtintensität, die nicht so hoch wie diejenige des Lichts L1 ist, wodurch das Licht L3, das ein gebeugtes Licht des Lichts L2 ist, seine Lichtintensität weiter reduziert. Das heißt, die Lichter L2, L3 sind für durch das Umgebungslicht La erzeugtes Streulicht sehr empfindlich. Das Bereitstellen der Reflexionseinheit 6, wie zuvor genannt wurde, ist extrem effektiv, um einen solchen Zustand abzuschwächen.
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Aufgrund des zuvor Beschriebenen kann das Spektroskopiemodul 1 Licht in einem breiten Wellenlängenbereich oder in verschiedenen Wellenlängenregionen von Licht genau detektieren, während es nicht größer wird.
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Ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Spektroskopiemoduls 1 wird nun erklärt werden.
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Wie in 5(a) illustriert ist, wird die Haupteinheit 3 mit dem eingedrückten Abschnitt 3a aus einem Kunststoff geformt. Danach wird das foto-entwickelbare Kunststoffmaterial 14 auf dem Boden der gekrümmten Oberfläche 3b des eingedrückten Abschnitts 3a und darum herum aufgebracht, wie in 5(b) illustriert ist. Wie in 6(a) illustriert ist, wird dann ein Hauptgitter 15, das eine Form zum Ausbilden der Beugungsgittermuster 7a, 8a ist, gegen das aufgetragene Kunststoffmaterial 14 gedrückt, während das Kunststoffmaterial 14 durch Bestrahlung mit Licht ausgehärtet wird, um die Beugungsschicht 5 bereitzustellen, die mit den Beugungsgittermustern 7a, 8a ausgebildet ist. Hier kann, falls nötig, die Beugungsschicht 5 wärmebehandelt werden, um verstärkt zu werden. Ein heiß härtender Kunststoff kann auch als das Kunststoffmaterial 14 verwendet werden, um die Beugungsschicht 5 und dergleichen durch Wärme- und Druckanwendung allein auszubilden. Wie in 6(b) illustriert ist, wird ferner Al, Au oder dergleichen aufgedampft, um die Beugungsgittermuster 7a, 8a zu bedecken, wodurch die Reflexionsschichten 12, 13 gebildet werden. Dies bildet die Spektroskopieeinheiten 7, 8.
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Auf der anderen Seite wird, wie in 7(a) illustriert ist, das Verdrahtungsmuster 10 auf der Vorderseite 2a des Substrats 2 mit den Öffnungen 2c, 2d ausgebildet. Danach werden, wie in 7(b) illustriert ist, eine Gründungsschicht 6a, eine Zwischenschicht 6b und eine Reflexionsschicht 6c auf die rückseitige Fläche 2b des Substrats 2 übereinander gelegt, um die Reflexionseinheit 6 zu bilden, die durch eine mehrlagige Struktur dargestellt wird. Ein Beispiel der mehrlagigen Struktur der Reflexionseinheit 6 umfasst die Gründungsschicht 6a, die aus Ti oder Cr hergestellt ist, die Zwischenschicht 6b, die aus Pt hergestellt ist, und die Reflexionsschicht 6c, die aus Au hergestellt ist. Danach wird der Fotodetektor 4 auf seinen entsprechenden Feldeinheiten 10a des Verdrahtungsmusters 10 durch abwärts gerichtetes Verbinden durch die Erhöhungen 11 derart angebracht, dass der Lichtdetektionsabschnitt 4a und das Lichttransmissionsloch 4b der Öffnung 2c des Substrats 2 gegenüberliegen, wie in 7(c) illustriert ist. Ähnlich wird der Fotodetektor 9 auf seinen entsprechenden Feldeinheiten 10a des Verdrahtungsmusters 10 durch abwärts gerichtetes Verbinden durch die Erhöhungen 11 derart angebracht, dass der Lichtdetektionsabschnitt 9a der Öffnung 2d des Substrats 2 gegenüberliegt.
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Die Reflexionsschicht 6c ist nicht auf die Au-Schicht beschränkt, sondern kann eine Schicht sein, die aus einem hochreflektierenden Metallfilm oder Metalloxidfilm auf der Grundlage von Al oder dergleichen hergestellt ist. Die Reflexionseinheit 6 kann auch durch einen dielektrischen mehrlagigen Spiegel gebildet sein. Als diese Materialien werden diejenigen ausgewählt, die eine hohe Reflexionsfähigkeit gemäß der durch das Spektroskopiemodul zu behandelnden Wellenlängen aufweisen.
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Schließlich wird das Substrat 2, das mit den Fotodetektoren 4, 9 montiert ist, mit der Haupteinheit 3 verbunden, um den eingedrückten Abschnitt 3a zu bedecken, wodurch das Spektroskopiemodul 1 erhalten wird, wie in 2 illustriert ist.
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Wie im Vorhergehenden erklärt wurde, wird die Reflexionseinheit 6 in dem Herstellungsverfahren des Spektroskopiemoduls 1 auf der rückseitigen Fläche 2b des Substrats 2 angeordnet. Dies ermöglicht es, die Reflexionseinheit 6 leicht und genau an einer Position auszubilden, die näher an den Spektroskopieeinheiten 7, 8 liegt, als die Lichtdetektionsabschnitte 4a, 9a der Fotodetektoren 4, 9 und das Substrat 2, das der Region R in dem Substrat 2 gegenüberliegt. Die Reflexionseinheit 6 wird auch durch Ausbilden der Gründungsschicht 6a auf der rückseitigen Fläche 2b des Substrats 2 und durch Bilden der Reflexionsschicht 6c auf der Gründungsschicht 7a bereitgestellt. Dies ermöglicht es, dass die Reflexionsschicht 6c den Spektroskopieeinheiten 7, 8 zugewandt ist, wodurch das Licht L2 zuverlässig reflektiert werden kann.
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Zweite Ausführungsform
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Wie in 8 illustriert ist, wird bei einem Spektroskopiemodul 1 in einem Spektroskop 30 eine Haupteinheit 3 mit einem eingedrückten Abschnitt 3c mit einem länglichen Querschnitt ausgebildet, in den ein Deckel 23 passt, während ein eingedrückter Abschnitt 3d mit einem länglichen Querschnitt auf der Bodenfläche des eingedrückten Abschnitts 3c ausgebildet ist. Mehrere Leitungen 24 werden in beiden Seitenflächen senkrecht zu der Längsrichtung der Haupteinheit 3 eingebettet. Hintere Endteile der Leitungen 24 werden in dem eingedrückten Abschnitt 3d freigelegt, während sie in Kontakt mit der Bodenfläche des eingedrückten Abschnitts 3d sind, wobei ihre vorderen Endteile sich zu der Außenseite der Haupteinheit 3 erstrecken. Damit funktioniert die Haupteinheit 3 des Spektroskopiemoduls 1 als eine Verpackung in dem Spektroskop 30.
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Ein eingedrückter Abschnitt 3e mit einem länglichen Querschnitt wird auf der Bodenfläche des eingedrückten Abschnitts 3d ausgebildet, während ein halbkugelförmiger eingedrückter Abschnitt 3a mit einer konkaven gekrümmten Oberfläche 3b und einer Öffnung zu der Vorderseite (einer Seite) auf der Bodenfläche des eingedrückten Abschnitts 3e ausgebildet ist. Die gekrümmte Oberfläche 3b ist mit Spektroskopieeinheiten 7, 8 versehen. Ein Licht transmittierendes Substrat 2, das zu einem länglichen Plättchen aus Licht transmittierendem Glas, wie zum Beispiel BK7, Pyrex (registrierte Marke) oder Silika, Licht transmittierendem geformtem Glas, Licht transmittierenden Kunststoffen oder dergleichen geformt ist, wird in den eingedrückten Abschnitt 3e der Haupteinheit 3 gefügt und mit einem Kunststoff oder dergleichen daran gebunden.
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Die Bodenfläche der Haupteinheit 3 ist mit einem Paar Nuten 29 versehen. Die Nuten 29 sind auf beiden Seiten der Spektroskopieeinheiten 7, 8 in einer Richtung angeordnet, in der die Beugungsgittermuster 7a, 8a angeordnet sind, während sie sich entlang einer Richtung senkrecht zu einer Richtung erstrecken, in der die Nuten der Beugungsgittermuster 7a, 8a angeordnet sind. Während die Nuten 29 integral mit der Haupteinheit 3 ausgebildet sind, wenn sie die letztgenannte bilden, werden Senken, die während des Kunststoffformens der Haupteinheit 3 auftreten, durch das Paar Nuten 29 in der Anordnungsrichtung der Nuten der Beugungsgittermuster 7a, 8a vermieden, wodurch die Positionsabweichung der Nuten der Beugungsgittermuster 7a, 8a in dieser Richtung weiter unterdrückt wird. Wenn eine Positionsabweichung in den Nuten der Beugungsgittermuster 7a, 8a in Bezug auf ihre Anordnungsrichtung auftritt, kann sich die Wellenlänge von Licht, das dadurch gebeugt wird, verschieben. Hier wird die Positionsabweichung in den Nuten der Beugungsgittermuster 7a, 8a in Bezug auf ihre Anordnungsrichtung, das heißt die spektrale Lichtbeugungsrichtung, unterdrückt, wodurch spektroskopische Charakteristika nicht verringert werden.
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Ein Verdrahtungsmuster 10 mit mehreren Feldeinheiten 10a, mehreren Feldeinheiten 10b und mehreren Verbindungseinheiten 10c zum miteinander Verbinden der entsprechenden Feldeinheiten 10a, 10b sind auf der Frontfläche 2a des Licht transmittierenden Substrats 2 ausgebildet. Die mehreren Feldeinheiten 10b sind so angeordnet, dass sie jeweiligen Endteilen der Leitungen 24 entsprechen, die in der Haupteinheit 3 eingebettet sind. Eine Antireflexionsschicht, die durch einen einlagigen Film aus CrO und dergleichen oder einen mehrlagigen Film aus Cr-CrO und dergleichen gebildet wird, wird näher an der Vorderfläche 2a des Substrats 2 als das Verdrahtungsmuster 10 ausgebildet.
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Eine Lichtabsorptionsschicht 27 wird auf der Vorderfläche 2a des Substrats 2 ausgebildet. Die Lichtabsorptionsschicht 27 bedeckt die Verbindungseinheiten 10c des Verdrahtungsmusters 10, während sie die Feldeinheiten 10a, 10b des Verdrahtungsmusters 10 freilegen. Die Licht absorbierende Schicht 27 ist mit Öffnungen 27a, 27b, 27c versehen. Die Öffnung 27b ist in der Längsrichtung des Substrats 2 auf einer Seite angeordnet, während die Öffnung 27c in der Längsrichtung des Substrats 2 auf der anderen Seite angeordnet ist. Die Öffnung 27a ist zwischen den Öffnungen 27b, 27c angeordnet. Die Öffnung 27a ist ein Loch, durch das Licht Lm, das auf das Substrat 2 und den eingedrückten Abschnitt 3a auftritt, hindurchgelangt. Die Öffnung 27b ist ein Loch, durch welches das Licht L1, das durch die Spektroskopieeinheit 7 gebeugt wird, hindurchgelangt, während die Öffnung 27c ein Loch ist, durch welches das Licht L3, das durch die Spektroskopieeinheit 8 gebeugt wird, hindurchgelangt. Beispiele für Materialien für die Lichtabsorptionsschicht 27 umfassen schwarze Decklacke, gefärbte Kunststoffe (wie zum Beispiel Silikon, Epoxy, Acryl, Urethan, Polyimide und Verbundkunststoffe) mit Füllstoffen (wie zum Beispiel Kohlenstoff und Oxide) darin, Metalle, wie zum Beispiel Cr und Co oder Oxide hiervon, ihre mehrlagigen Filme und poröse Keramiken und Metalle oder Metalloxide.
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Eine Isolierschicht 26 wird zwischen der Vorderfläche des Substrats 2 und der Lichtabsorptionsschicht 27 ausgebildet. Die Isolationsschicht 26 bedeckt die Verbindungseinheiten 10c des Verdrahtungsmusters 10, während die Feldeinheiten 10a, 10b des Verdrahtungsmusters 10 freigelegt sind. Ein Isolierteil 27a, der ein Teil der Isolierschicht 26 ist, bedeckt einen Teil auf einer Seite in der Längsrichtung des Substrats 2 innerhalb der Öffnung 27b. Ein Isolierteil 26b, der ein Teil der Isolierschicht 26 ist, bedeckt einen Teil auf der anderen Seite in der Längsrichtung des Substrats 2 innerhalb der Öffnung 27c. Die Isolierteile 26a, 26b fungieren als optische Filter zum Abschneiden vorbestimmter Wellenlängenregionen von Licht.
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Äußere Anschlüsse von Fotodetektoren 4, 9, die zu länglichen Plättchen geformt sind, sind durch abwärts gerichtetes Verbinden durch Erhöhungen 11 mit den Feldeinheiten 10a verbunden, die von der Isolierschicht 26 und der Licht absorbierenden Schicht 27 freigelegt sind. Ein Unterfüllmaterial 28, durch das zumindest das Licht L1 transmittiert wird, füllt einen Raum auf der Substrat 2-Seite des Fotodetektors 4 (hier zwischen dem Fotodetektor 4 und dem Substrat 2, der Isolationsschicht 26 oder der Lichtabsorptionsschicht 27). Ähnlich füllt ein Unterfüllmaterial 28, durch das zumindest das Licht L3 transmittiert wird, einen Raum auf der Substrat 2-Seite des Fotodetektors 9 (hier zwischen dem Fotodetektor 9 und dem Substrat 2, der Isolierschicht 26 oder Licht absorbierenden Schicht 27). Das Unterfüllmaterial 28 füllt den gesamten Raum zwischen dem Fotodetektor 4, 9 und dem Substrat 2 in der in 8 illustrierten Struktur, kann jedoch auch allein die Umgebungen der Erhebungen 11 füllen. Die Feldeinheiten 10b, die von der Isolationsschicht 26 und der Licht absorbierenden Schicht 27 freigelegt sind, fungieren als äußere Anschlüsse. Das heißt, die Feldeinheiten 10b sind durch Drähte 25 mit den hinteren Endteilen der Leitungen 24 drahtgebunden, um elektrisch hiermit verbunden zu sein.
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In dem somit konstruierten Spektroskopiemodul 1 wird das Licht Lm, das durch das Substrat 2 von dem Lichttransmissionsloch 4b des Fotodetektors 4 und der Öffnung 27a der Lichtabsorptionsschicht 27 auf den eingedrückten Abschnitt 3a auftrifft, gebeugt und durch die Spektroskopieeinheit 7 zu der Vorderseite reflektiert. In dem Licht, das durch die Spektroskopieeinheit 7 gebeugt wird, dringt das Licht L1 zu der Vorderseite vor und wird durch den Fotodetektor 4 detektiert. In dem Licht, das durch die Spektroskopieeinheit 7 gebeugt wird, dringt das Licht L2 zu der Vorderseite vor und wird durch die Reflexionseinheit 6 zu der rückwärtigen Seite reflektiert. Das Licht L2, das durch die Reflexionseinheit 6 reflektiert wird, wird gebeugt und durch die Spektroskopieeinheit 8 zu der Vorderseite reflektiert. In dem Licht, das durch die Spektroskopieeinheit 8 gebeugt wird, dringt das Licht L3 zu der Vorderseite vor und wird durch den Fotodetektor 9 detektiert. Da die Spektroskopieeinheit 8 und der Fotodetektor 9 damit zusätzlich zu der Spektroskopieeinheit 7 und dem Fotodetektor 4 vorgesehen sind, kann die Detektionsempfindlichkeit für Licht in einem breiten Wellenlängenbereich oder verschiedenen Wellenlängenregionen von Licht verbessert werden.
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Das Lichttransmissionsloch 4b ist zwischen den Lichtdetektionsabschnitten 4a, 9a der Fotodetektoren 4, 9 angeordnet, während die Reflexionseinheit 6 so vorgesehen ist, dass sie der Region R zwischen den Lichtdetektionsabschnitten 4a, 9a in der Lichtabsorptionsschicht 27 gegenüberliegt. Damit kann die Verwendung der Region zwischen den Lichtdetektionsabschnitten 4a, 9a verhindern, dass das Spektroskopiemodul 1 größer wird.
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Umgebungslicht La, das wahrscheinlich das Lichttransmissionsloch 4b und dessen Umgebung erreicht, wenn das Licht Lm von dem Lichttransmissionsloch 4b auf den eingedrückten Abschnitt La auftrifft, wird in der Region R in der Lichtabsorptionsschicht 27 absorbiert. Jeder Teil des Umgebungslichts La, der durch den Bereich R in der Lichtabsorptionsschicht 27 transmittiert wird, wird durch die Reflexionseinheit 6, die so angeordnet ist, dass sie der Region R in der Lichtabsorptionsschicht 27 gegenüberliegt und die Region R1 hiervon enthält (eine Region zwischen den Fotodetektoren 4, 9 in der Lichtabsorptionsschicht 27) zuverlässig auf die Region R in der Lichtabsorptionsschicht 27 reflektiert. Dies kann Streulicht, das durch das Auftreffen des Umgebungslichts La erzeugt wird, verhindern.
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Wegen des Vorhergehenden kann das Spektroskopiemodul 1 Licht in einem weiten Wellenlängenbereich oder in verschiedenen Wellenlängenregionen von Licht genau detektieren, während vermieden wird, dass es dabei größer wird.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt.
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Wie beispielsweise in 9 illustriert ist, können Beugungsgittermuster 7a, 8a auf der gekrümmten Oberfläche 3b des eingedrückten Abschnitts 3a der Haupteinheit 3 unmittelbar (ohne die Beugungsschicht 5 vorzusehen) ausgebildet sein. Der Typ der Beugungsgittermuster 7, 8 kann ein Blaze-Gitter sein, das einen Sägezahnquerschnitt aufweist, wie in 9(a) illustriert ist, ein binäres Gitter mit einem rechtwinkligen Querschnitt, wie in 9(b) illustriert ist, oder ein Holographiegitter, das einen sinusförmigen Querschnitt aufweist.
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Ohne den Fotodetektor 4 mit dem Lichttransmissionsloch 4b vorzusehen, kann die Region R1 in dem Substrat 2, die als Lichtabsorptionsschicht fungiert, oder die Region R1 in der Lichtabsorptionsschicht 27 mit einem Lichttransmissionsloch als einem Lichteinlassabschnitt zum Einlassen des Lichts Lm in den eingedrückten Abschnitt 3a versehen sein. Im Hinblick auf die Beugungsordnung, mit der das Spektroskopiemodul umzugehen hat, sind die Lichter L1, L2 nicht auf die erste Ordnung und nullte Ordnung als jeweilige Lichter beschränkt, solange ihre Ordnungen sich voneinander unterscheiden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Erfindung kann ein Spektroskopiemodul bereitstellen, das Licht in einem weiten Wellenlängenbereich oder in verschiedenen Wellenlängenregionen von Licht genau detektieren kann, während es nicht größer werden muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spektroskopiemodul ;
- 2
- Substrat;
- 3
- Haupteinheit;
- 3a
- eingedrückter Abschnitt;
- 3b
- gekrümmte Oberfläche;
- 4
- Fotodetektor (erster Fotodetektor),
- 4a
- Lichtdetektionsabschnitt (erster Lichtdetektionsabschnitt);
- 4b
- Lichttransmissionsloch;
- 6
- Reflexionseinheit;
- 7
- Spektroskopieeinheit (erste Spektroskopieeinheit);
- 8
- Spektroskopieeinheit (zweite Spektroskopieeinheit);
- 9
- Fotodetektor (zweiter Fotodetektor);
- 9a
- Lichtdetektionsabschnitt (zweiter Lichtdetektionsabschnitt);
- R
- Region (Region zwischen dem ersten und zweiten Lichtdetektionsabschnitt);
- R1
- Region (Region zwischen dem ersten und zweiten Lichtdetektionsabschnitt);
- Lm
- zu messendes Licht;
- L1
- Licht (erstes Licht);
- L2
- Licht (zweites Licht);
- L3
- Licht (drittes Licht)
