JP2004309146A

JP2004309146A - 分光光度計

Info

Publication number: JP2004309146A
Application number: JP2003098804A
Authority: JP
Inventors: Etsuro Shimizu; 悦朗清水; Hitoshi Komine; 仁小峰
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2004-11-04
Also published as: US7092090B2; US20040196458A1

Abstract

【課題】光学部品間の高位置精度と小型性を維持しながら、高性能で高安定測定が可能であると共に高信頼性のある安価な分光光度計を提供する。
【解決手段】光導波路２と、該光導波路内に入射光を入射させるための光入射スリット３と、前記光導波路内に入射させた入射光を分光するための回折格子４と、該回折格子で分光された入射光を検出するためのフォトダイオードアレイ６とを備えた分光光度計において、前記光導波路と光入射スリットと回折格子とを光導波路基板１に一体的に形成し、該光導波路基板に設けた実装部５に、前記フォトダイオードアレイを形成した光電変換素子基板７を実装して分光光度計を構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、分光光度計、特に一体化された小型の分光光度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特願２００１−３４０３０９号
【０００３】
分光光度計は、生化学分析装置などの多くの分析装置に用いられている。光学部品を組み合わせて構成する分光光度計においては、波長精度アップのための光学部品間の位置合わせずれの改善と、小型化に課題があり、この解決策として、１チップ型の分光光度計に関わる技術が、本件出願人の出願に係る特願２００１−３４０３０９号（特許文献１）において提案されている。
【０００４】
図２１に、上記特願２００１−３４０３０９号で提案されている小型分光光度計の分解斜視図を示す。図２１において、１０１はＳｉ基板、１０２はＳｉ基板１０１をエッチング除去して形成された光導波路、１０３は光導波路１０２のＳｉ基板１０１の段差端面部に形成された光入射スリット、１０４は光入射スリット１０３と対向する光導波路１０２の端面部に形成された光学素子としての回折格子、１０５は光入射スリット１０３が形成された光導波路１０２の端面側に、Ｓｉ基板１０１の一部が受光部となるように形成された光電変換素子としてのフォトダイオードアレイである。ここで、光入射スリット１０３，回折格子１０４の中心及びフォトダイオードアレイ１０５を構成する個々のフォトダイオードの受光面は、ローランドの円上に配置されるように形成されている。
【０００５】
また、光導波路１０２の底面１０６には、ＡｌあるいはＡｕなどの金属による反射膜がコーティングされて、反射面を構成している。更に、回折格子１０４の表面にもＡｌあるいはＡｕなどの金属による反射膜が薄くコーティングされている。１０７は光導波路１０２を封止するための基板であり、光導波路側となる面上にはＡｌあるいはＡｕなどの金属による反射膜１０８がコーティングされており、そしてＳｉ基板１０１と密着され、光導波路１０２を封止して分光光度計を構成するようになっている。
【０００６】
このように構成された分光光度計においては、光入射スリット１０３より入射した光は、矢印１０９で示すように、回折格子１０４で反射・分光され、フォトダイオードアレイ１０５に入射し、フォトダイオードから得られた信号は、外部に設けられたアンプ及び信号処理回路などにより信号処理される。なお、光入射スリット１０３へは、光ファイバー１１０により光が入射されるようになっている。
【０００７】
以上のように構成された分光光度計によれば、以下のような効果が得られる。まず、光入射スリット、光学素子である回折格子及び光電変換素子を構成する各フォトダイオードが、ローランドの円上に配置されるため、測定精度が向上する。また、半導体技術を用いて簡単に製造できると共に、光導波路、光入射スリット、回折格子及びフォトダイオードが一体的に形成可能、すなわち１チップ化が可能となり、小型化できる。更に、光入射スリットから光電変換素子までが光導波路内に構成されるため、光の利用効率が向上し、小型化しても光電変換素子からの出力が損なわれることなく測定が可能となる。更に、光学部品間などの位置調整も不要となり、信頼性のある分光光度計が実現可能となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記構成の分光光度計には、次のような問題点がある。第１に、従来の上記構成の分光光度計は、光入射スリット、回折格子及びフォトダイオードといった各光学素子の全てが連続した工程で作製されるため、製造に要する時間が長いことである。第２に、本来単独の部品としては数工程で出来上がるはずの光学素子にも、小型分光光度計の作製に関わる全ての工程が加わるので、分光光度計としての単価が高くなることである。例えば、光導波路は、この分光光度計の中でも最も大きな面積を占める素子であるが、これを単体として作製すると、エッチングと製膜及び張り合わせの数工程しかかからないものである。これに比べ、フォトダイオードはその占める面積が小さいものの、この部位の製造には数十もの工程を要する。全ての光学素子を連続した工程で作製する従来の分光光度計においては、このように単体としては簡単に製造できるはずの光導波路にもフォトダイオードの長い製造時間が重なり、結果として、この分光光度計の単価は高いものとなってしまう。また、全ての光学部品がフォトダイオードと同じ高価な半導体材料を用いなくてはならない点も、単価が高い要因となっている。
【０００９】
本発明は、従来の分光光度計における上記問題点を解消するためになされたもので、光学部品間の高位置精度と小型性を維持しながらも、高性能で高安定測定が可能であると共に、高信頼性のある安価な分光光度計を提供することを目的とする。
【００１０】
請求項毎に目的を述べると、請求項１及び２は、高性能で高安定測定が可能であると共に、高信頼性のある安価な小型の分光光度計を提供することを目的とする。請求項３〜７は、分光光度計における最適な光学素子基板及び光学素子を提供することを目的とする。請求項８〜１６は、分光光度計における最適な光電変換素子基板及び光電変換素子を提供することを目的とする。請求項１７〜２２は、分光光度計における最適な光導波路基板を提供することを目的とする。請求項２３〜２５は、分光光度計における光導波路基板と光電変換素子基板との最適な接続手段を提供することを目的とする。請求項２６は、入射光を効率よく利用できる分光光度計を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、光導波路と、該光導波路内側の端面に設けられ該光導波路内に入射光を入射させるための光入射スリットと、前記光導波路内側の端面もしくは前記光導波路内に設けられ該光導波路内に入射させた入射光を分光するための光学素子と、前記光導波路内側の端面に設けられ前記光学素子で分光された入射光を検出するための光電変換素子とを少なくとも備えてなる分光光度計において、前記光導波路と前記光入射スリット及び前記光学素子を光導波路基板に一体的に形成し、該光導波路基板に、前記光電変換素子が形成された光電変換素子基板を実装して構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
また請求項２に係る発明は、光導波路と、該光導波路内側の端面に設けられ該光導波路内に入射光を入射させるための光入射スリットと、前記光導波路内側の端面もしくは前記光導波路内に設けられ該光導波路内に入射させた入射光を分光するための光学素子と、前記光導波路内側の端面に設けられ前記光学素子で分光された入射光を検出するための光電変換素子とを少なくとも備えてなる分光光度計において、前記光導波路と前記光入射スリットを光導波路基板に一体的に形成し、該光導波路基板に、前記光学素子が形成された光学素子基板と前記光電変換素子が形成された光電変換素子基板を実装して構成したことを特徴とするものである。
【００１３】
以上のような構成とすることにより、高性能で高安定測定が可能であると共に、高信頼性のある安価で小型の分光光度計を実現できる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る分光光度計において、前記光学素子は、曲面状にエッチングされた前記光学素子基板の表面に形成されていることを特徴とするものであり、また請求項４に係る発明は、請求項２に係る分光光度計において、前記光学素子は、湾曲可能な光学素子基板の表面に形成され、該光学素子基板を湾曲させて前記光導波路基板に実装させていることを特徴とするものであり、また請求項５に係る発明は、請求項２に係る分光光度計において、前記光学素子は、前記光導波路の高さと同じ高さ領域を有する光学素子基板の前記同一高さ領域の表面に形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
以上のような構成とすることにより、光学素子を搭載した基板をその特性並びに用途に応じて選択・作製できるため、最適な構造を有する光学素子を備えた分光光度計が実現できる。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光学素子は、回折格子であることを特徴とするものであり、また請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光学素子は、プリズムであることを特徴とするものである。
【００１７】
以上のような構成とすることにより、用途並びに特性に応じた最適な光学素子を選択することができる。
【００１８】
請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光電変換素子は、曲面状にエッチングされた光電変換素子基板に形成されていることを特徴とするものであり、また請求項９に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光電変換素子は、湾曲可能な光電変換素子基板の表面に形成され、該光電変換素子基板を湾曲させて前記光導波路基板に実装させていることを特徴とするものであり、また請求項１０に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光電変換素子は、前記光導波路の高さと同じ高さ領域を有する光電変換素子基板の前記同一高さ領域の表面に形成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
以上のような構成とすることにより、光電変換素子を搭載した基板を、その特性並びに用途に応じて選択・作製できるため、最適な構造を有する光電変換素子を備えた分光光度計が実現できる。
【００２０】
請求項１１に係る発明は、請求項１〜１０のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光電変換素子は、フォトダイオードであることを特徴とするものであり、また請求項１２に係る発明は、請求項１〜１０のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光電変換素子は、ラインセンサであることを特徴とするものである。
【００２１】
以上のような構成とすることにより、用途並びに特性に応じた最適な光電変換素子を選択することができる。
【００２２】
請求項１３に係る発明は、請求項１〜１２のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光電変換素子基板は、信号処理回路を備えていることを特徴とするものである。
【００２３】
このような構成とすることにより、種々の機能を付加した高機能で小型の分光光度計が実現可能となる。
【００２４】
請求項１４に係る発明は、請求項１〜１３のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光電変換素子基板は、Ｓｉ基板であることを特徴とするものであり、また請求項１５に係る発明は、請求項１〜１３のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光電変換素子基板は、化合物半導体基板であることを特徴とするものであり、また請求項１６に係る発明は、請求項１〜１３のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光電変換素子基板は、電子部品が搭載された絶縁性基板であることを特徴とするものである。
【００２５】
以上のような構成とすることにより、特性並びに用途に応じた最適な光電変換素子基板が選択・作製可能となる。
【００２６】
請求項１７に係る発明は、請求項１〜１６のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光導波路基板の前記光電変換素子基板あるいは前記光学素子基板の少なくとも一方に対応する実装部は、前記光導波路面より深くエッチングされて形成されていることを特徴とするものであり、また請求項１８に係る発明は、請求項１〜１７のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光導波路基板の前記光電変換素子基板に対応する実装部は、スリットを有していることを特徴とするものである。
【００２７】
以上のような構成とすることにより、光導波路を伝播してきた光を最大限利用できるため、高性能な分光光度計が実現可能となる。
【００２８】
請求項１９に係る発明は、請求項１〜１８のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光導波路基板は、前記光電変換素子基板及び外部端子との電気的接続用の電極パッド及び配線領域を備えていることを特徴とするものである。
【００２９】
このような構成とすることにより、光導波路基板と光電変換素子との電気的接続が容易になり、信号の授受が正確で簡単な分光光度計が実現できる。
【００３０】
請求項２０に係る発明は、請求項１〜１９のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光導波路基板は、プラスチックであることを特徴とするものであり、また請求項２１に係る発明は、請求項１〜１９のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光導波路基板は、金属であることを特徴とするものであり、また請求項２２に係る発明は、請求項１〜１９のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光導波路基板は、セラミックであることを特徴とするものである。
【００３１】
以上のような構成とすることにより、用途並びに特性に応じた最適な光導波路基板を選択できる。
【００３２】
請求項２３に係る発明は、請求項１〜２２のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光導波路基板と前記光電変換素子基板との接続は、金属ワイヤにて行われていることを特徴とするものであり、また請求項２４に係る発明は、請求項１〜２２のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光導波路基板と前記光電変換素子基板との接続は、フリップチップボンディングにて行われていることを特徴とするものであり、また請求項２５に係る発明は、請求項１〜２２のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光導波路基板と前記光電変換素子基板との接続は、異方導電性樹脂にて行われていることを特徴とするものである。
【００３３】
以上のような構成とすることにより、用途並びに特性に応じて、光導波路基板と光電変換素子基板との最適な接続手段を用いることができる。
【００３４】
請求項２６に係る発明は、請求項１〜２５のいずれか１項に係る分光光度計において、前記光導波路は、前記光導波路面側に反射膜がコーティングされたカバー基板にて封止されていることを特徴とするものである。
【００３５】
このような構成とすることにより、光導波路への入射光を最大限利用可能となる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
次に、本発明に係る分光光度計の実施の形態について説明する。まず、第１の実施の形態について説明する。図１の（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明に係る分光光度計の第１の実施の形態を示す分解斜視図である。図１の（Ａ）において、１はその一部分が凹状に加工された光導波路２が形成された光導波路基板であり、金属，セラミック，プラスチックなどが使用可能で、材料としての制約はないが、ここではプラスチック基板を用いている。３は光導波路２の端面、つまり光導波路基板１の段差端面部に形成された光入射スリット、４は光入射スリット３と対向する光導波路２の端面部に形成された光学素子としての回折格子、５は光導波路２の光入射スリット３が形成された端面側に形成された光電変換素子の実装部で、いずれも光導波路基板１に一体に形成されている。
【００３７】
光電変換素子の実装部５には、図１の（Ｂ）に拡大して示すように、光導波路基板１とは別体で構成された、光電変換素子としてのフォトダイオードアレイ６が配置された光電変換素子基板７が、フォトダイオードアレイ６の受光面が回折格子４に対峙するように実装されている。この光電変換素子基板７は、Ｓｉ，ＧａＡｓのような半導体基板でも、あるいは抵抗、コンデンサなどの電子部品が搭載されたセラミックもしくはガラス繊維強化エポキシ樹脂などの絶縁基板であってもいいが、ここではＳｉ基板を用いている。また、光電変換素子基板７は回折格子４と対向する表面が曲面状にエッチングされ、そのエッチング表面に受光面を有する構造となっている。更に、フォトダイオードアレイ６はエッチング表面に受光面を設けた特殊な構造となっている。なお、光電変換素子基板７として絶縁基板が用いられる場合は、別個に形成されたフォトダイオードアレイ６が曲面状表面に貼り付けなどで配設される。
【００３８】
８は光導波路基板１上に形成された電極パッドであり、光電変換素子基板７上に設けられたフォトダイオードアレイ６の電極パッド９と、ＡｕやＡｌなどの金属ワイヤー（図示せず）にて電気接続されている。１０は光導波路基板１上に設けられたＡｌなどの金属からなる電気配線で、電極パッド８で受けたフォトダイオード信号を分光光度計外に取り出すように、光導波路基板１の側面に設けられた端子１１に接続されている。ここで、光入射スリット３，回折格子４の中心、及びフォトダイオードアレイ６の受光面は、光電変換素子基板７が光導波路基板１に実装された状態で、ローランドの円上に配置されるように形成されている。
【００３９】
光導波路２の底面１２には、ＡｌあるいはＡｕなどの金属による反射膜がコーティングされており、更に、回折格子４の表面にもＡｌあるいはＡｕなどの金属による反射膜が薄くコーティングされている。図１の（Ｃ）に示す１３は光導波路２を封止するためのカバー基板であり、光導波路側となる面上にはＡｌあるいはＡｕなどの金属による反射膜１４がコーティングされており、そして光導波路基板１と密着され、光導波路２を封止して分光光度計を構成するようになっている。
【００４０】
このように構成された分光光度計においては、光入射スリット３より入射した光は矢印光路１５で示すように、回折格子４で反射・分光され、フォトダイオードアレイ６の受光部に入射し、フォトダイオードから得られた信号は、電気配線１０，端子１１を介して、外部に設けられたアンプ及び信号処理回路など（図示せず）に送信され、ここで信号処理される。なお、光入射スリット３へは光ファイバー１６により光が導入されるようになっている。そして、光ファイバー１６を光入射スリット３の近くに配置するために、光導波路基板１とカバー基板１３の双方に、凹状に加工されたファイバー挿入部２８，２９が設けられている。
【００４１】
次に、光電変換素子基板７の形態と、該光電変換素子基板上に設けられたフォトダイオードアレイ６から電気信号を取り出すための電気接続について、更に詳細に説明する。図２は、フォトダイオードアレイ６が配置された光電変換素子基板７が光導波路基板１に実装した様子を、光が入射する方向から見た拡大斜視図である。フォトダイオードアレイ６の受光面は、光電変換素子基板７が光導波路基板１に実装された状態で、光入射スリット３及び回折格子４と共に、ローランドの円上に配置されるように、エッチングで曲面加工された光電変換素子基板７の表面部に形成されている。光電変換素子基板７は、光導波路基板１に接着やハンダ付けなどの手法で固着されている。光導波路基板１の電極パッド８と光電変換素子基板７の電極パッド９とは、Ａｌ，Ａｕなどの金属ワイヤー１８により電気接続がとられている。
【００４２】
ここで、光導波路２の底面１２とカバー基板１３上の反射膜１４の間の空間内が光通過領域であるため、フォトダイオードアレイ６の受光面の下端１９の位置が光導波路２の底面１２に到達するように、光電変換素子基板７を光導波路基板１に固着できれば、光導波路２を伝播してきた光の利用効率が最大になる。このため、図３に示すように、光電変換素子基板７が実装される光導波路基板１の実装部５の底面を光導波路２の底面１２より深く形成し、フォトダイオードアレイ６の受光面の下端１９の位置が光導波路２の底面１２に到達するように、実装部５を加工することが望ましい。
【００４３】
図４は、光導波路基板１をカバー基板１３で封止した状態を上面より見た透視図である。カバー基板１３は光導波路２を覆い、且つ、フォトダイオードアレイ６の電極パッド９と光導波路基板１の電極パッド８とを接続する金属ワイヤー１８に接触しないようにして配置し、密着されている。ここで、より確実に光導波路２を覆い、金属ワイヤー１８との接触を避けるためには、図５もしくは図６に示すように、カバー基板１３を、五角形以上の多角形もしくは曲線を組み合わせた形状のように、金属ワイヤー１８を避けるようなカバー基板形状とすることが好ましい。あるいは、図７に示すように、カバー基板１３の金属ワイヤー配置部分に対応する部分に、切り欠き部１３ａを設けてもよい。
【００４４】
ここで示した金属ワイヤー１８によるフォトダイオードアレイ６の電極パッド９と光導波路基板１の電極パッド８との電気接続は、既に半導体電気接続技術として確立されており、技術的に容易で安価であると共に、信頼性の高い実装手法である。
【００４５】
以上のような構成によれば、光入射スリット、回折格子、光導波路の各光学素子が１つの基板に一体に、且つ、プラスチックなどの安価な材料で作製できることと、並びに光学素子に比較して高価なフォトダイオードがその機能上必要最小限の大きさで済むことにより、光学部品を高位置精度で配置でき、従来と同等の機能を維持しながらも、低価格で小型の分光光度計を作製することができる。
【００４６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る分光光度計の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光電変換素子基板と光導波路基板との電気的接続手段を他の形態としたものである。図８は、本発明に係る分光光度計の第２の実施の形態の要部を示すもので、フォトダイオードアレイ６が配置された光電変換素子基板７を光導波路基板１に実装する態様を、光が入射する方向から見た分解斜視図で、図２に示した第１の実施の形態と対応する部分には同一符号を付して示している。
【００４７】
図８において、光導波路基板１の光電変換素子の実装部５の底部に光導波路基板側の電極パッド８が設けられ、光導波路基板１の表面から実装部５の側面を通ってこの電極パッド８まで、電気配線１０がレイアウトされている。フォトダイオードアレイ６が設けられた光電変換素子基板７は、その底面に配置した電極パッド９を光導波路基板１における光電変換素子の実装部５内の電極パッド８と向き合わせるようにして、実装されるようになっている。このような実装構成は、フリップチップボンディングや異方導電性樹脂を用いた接続手法により実現される。なお、電気配線１０上には、その電極パッド８を除き、絶縁膜がコートされている。
【００４８】
ここで、光電変換素子基板７は光導波路２の高さと同じ高さになるように形成することが望ましいが、必ずしも同じ高さに形成されなければならないとは限らない。光電変換素子基板７の高さの方が低い場合には、特別な加工を施すことなく、カバー基板１３で封止すればよい。一方、光電変換素子基板７の高さが光導波路２より高くなる場合には、光電変換素子基板７の実装位置に対応するカバー基板側に凹部を設けて、光電変換素子基板７が実装できるようにすればよい。
【００４９】
以上説明したようなフォトダイオードアレイ６の電極パッド９と光導波路基板１上の電極パッド８との電気接続においては、金属ワイヤーを用いて接続する場合のように、光導波路基板１の表面より高く持ち上がった金属ワイヤーがカバー基板１３に接触して、断線やショートを引き起こすというようなことがないので、電気的接続の歩留りを向上させることができる。
【００５０】
（第３の実施の形態）
次に、本発明に係る第３の実施の形態について説明する。本実施の形態においては、第１及び第２の実施の形態とはフォトダイオードアレイの受光面の構成が異なり、これに伴い、光電変換素子基板と光導波路基板との電気接続手法の形態を異にするものである。この他の構成は、第１の実施の形態と同様である。図９の（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明に係る分光光度計の第３の実施の形態を示す分解斜視図であり、図１に示した第１の実施の形態と同一の構成要素には同一符号を付して示している。
【００５１】
図９の（Ａ）に示すように、フォトダイオードアレイ６及びその受光面が表面に形成された平板状の光電変換素子基板部を研磨あるいはエッチングするなどして薄膜化させた光電変換素子基板７を用意し、該薄膜化光電変換素子基板７を、図９の（Ｂ），（Ｃ）に示すように光導波路基板１の実装部５へ、その受光面が光入射方向に向くように湾曲させると共に、垂直に立てて固着・実装する。この実装状態で、フォトダイオードアレイ６の受光面、光入射スリット３，回折格子４の中心はローランドの円上に配置されている。ここで、第１の実施の形態と同様に、薄膜化光電変換素子基板７が実装される光導波路基板１の実装部５の底面を光導波路面より深く形成し、フォトダイオードアレイ６の受光面の下端１９の位置が光導波路２の底面１２に到達するように構成すれば、薄膜化光電変換素子基板７の湾曲具合と光導波路基板１に対する位置出しを再現よく実現できる。
【００５２】
次に、この実施の形態における薄膜化光電変換素子基板７と光導波路基板１との電気的接続手法について説明する。図１０は、フォトダイオードアレイ６が配置された薄膜化光電変換素子基板７が光導波路基板１に実装される態様を光が入射する方向からみた斜視図であり、図１１は、その実装状態を示す斜視図である。図１０において、光導波路基板１上の電気配線１０は実装部５の背面壁部５ａを通って実装部５の底部まで配設され、その終端である電極パッド８は、実装部５の底面から実装部５と光導波路２の境界を越えて光導波路２にはみ出して形成されている。湾曲された薄膜化光電変換素子基板７の表面には受光面と電極パッド９が設けられており、この電極パッド９は光電変換素子基板７の下端面に近づけて配置されている。そして、薄膜化光電変換素子基板７を湾曲させて光導波路基板１の実装部５に配置した後、図１１に示すように、光導波路基板１の電極パッド８と光電変換素子基板７の電極パッド９とを導電性接着剤あるいはハンダ２１にて電気接続し、実装されている。
【００５３】
本実施の形態においては、薄膜化光電変換素子基板７の受光面の湾曲さを維持するのが大切であり、このためには、光電変換素子の実装部５の背面壁部５ａを曲面状に加工し、ここに薄膜化光電変換素子基板７を押し当てて固着するのが好ましい。また、この薄膜化光電変換素子基板７の高さによっては、第２の実施の形態で説明したように、カバー基板１３に凹部を設けて光電変換素子基板７の上端部がカバー基板内に収まるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００５４】
この実施の形態によれば、第１及び第２の実施の形態のように曲面状にエッチングされた表面部に受光面を設けた特殊な構造のフォトダイオードを用いなくてもよいので、光電変換素子基板をコストダウンできる。
【００５５】
（第４の実施の形態）
次に、本発明に係る第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光電変換素子基板と光導波路基板との更に別の電気的接続手法に関するものである。図１２は、本発明に係る分光光度計の第４の実施の形態の要部を示す図で、フォトダイオードアレイ６が配置された光電変換素子基板７が光導波路基板１に実装される態様を、光が入射する方向から見た分解斜視図である。
【００５６】
図１２において、光導波路基板１の光電変換素子の実装部５内の加工された背面壁部５ａに光導波路基板側の電極パッド８が設けられ、この電極パッド８まで電気配線１０が配設されている。光電変換素子の電極パッドは光電変換素子基板７の裏面に設けられており（図示せず）、光電変換素子基板７上の裏面電極パッドと光導波路基板１上の電極パッド８とを向き合わせて電気的接続がなされるようになっている。この電気的接続には、フリップチップや導電性樹脂などが用いられる。また、光電変換素子基板７の裏面電極パッドとフォトダイオードアレイ６との接続は、基板中の拡散層を介して行ってもよいし、あるいは貫通電極もしくは基板の側面配線を用いてもよい。なお、本実施の形態に係る電気的接続手法は、光電変換素子基板の形状に関わりなく、第１〜第３の実施の形態において示した光電変換素子基板など如何なる形状の光電変換素子基板にも適用できることは勿論である。
【００５７】
この実施の形態においては、光電変換素子基板のフォトダイオードアレイの受光面側の面に電極パッドを設ける必要がないため、受光面側の面で受光面積を大きくとることができる。したがって、第１から第３の実施の形態よりも大きな信号出力を取り出すことが可能となり、安定した分光光度測定が可能となる。
【００５８】
（第５の実施の形態）
次に、本発明に係る分光光度計の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光電変換素子基板と光導波路基板との更に他の電気的接続手法に関するものである。図１３の（Ａ），（Ｂ）は、本発明に係る分光光度計の第５の実施の形態の要部を示す図で、図１３の（Ａ）は、フォトダイオードアレイ６が配置された光電変換素子基板７が光導波路基板１に実装される態様を、光が入射する方向から見た分解斜視図であり、図１３の（Ｂ）は、光電変換素子基板７が実装された状態の、図１３の（Ａ）のＢ−Ｂ′線に沿った断面図を示している。
【００５９】
図１３の（Ａ），（Ｂ）に示すように、光電変換素子基板７の実装部５の底面が光導波路基板１の光導波路底面１２よりも深堀りされ、この深堀り部の光導波路２側の側面に光導波路基板側の電極パッド８が設けられ、光導波路基板１の表面から実装部５の側壁部及び底面を通って電極パッド８まで金属配線１０が配設されている。光電変換素子基板７の受光面下部には電極パッド９が設けられており、深堀りされた実装部５へ配置した光電変換素子基板上の電極パッド９と光導波路基板上の電極パッド８とを向き合わせて電気的接続をとるようになっている。この電気接続には、フリップチップや導電性樹脂２１などが用いられる。なお、本実施の形態の電気的接続手法は、光電変換素子基板の形状に関わりなく、第１〜第３の実施の形態において示した光電変換素子基板など如何なる形状の光電変換素子基板にも適用できることは勿論である。
【００６０】
この実施の形態においては、光電変換素子基板のフォトダイオードの受光面側に電極パッドが設けられているものの、この電極パッドが光導波路２に対し露出されないので、光導波路２に露出した受光部面積を大きくとれ、大きな信号電流を取り出すことが可能となる。
【００６１】
（第６の実施の形態）
次に、本発明に係る分光光度計の第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光電変換素子基板のサイズが非常に大きい場合の実装形態に関するものである。図１４は、本実施の形態におけるカバー基板と光導波路基板と光電変換素子基板の構成部分を示す断面図である。
【００６２】
図１４に示すように、この実施の形態における光電変換素子基板７には、フォトダイオードアレイ６の他にフォトダイオード信号の処理回路２５が搭載されている。カバー基板１３には貫通孔１３ｂが形成されており、この貫通孔１３ｂ内に光電変換素子基板７が挿入され、その電極パッド９がカバー基板１３の外側に露出されるようになっている。光電変換素子基板７のフォトダイオードアレイ６は、光導波路２に面するように配置される一方、信号処理回路２５の多くの部分は貫通孔１３ｂ内に配置されるようになっている。これは、信号処理回路の光による誤動作を防ぐためである。電極パッド９は、フレキシブルな配線材２６の一端に導電性接着剤あるいはハンダ２１にて接続されており、このフレキシブルな配線材２６の他端は導電性基板あるいはハンダ２１にて、光導波路基板１の電極パッド８に接続されている。フレキシブルな配線材２６としては、例えばボリイミドシートよりなるフレキシブル基板が用いられるが、ＡｌやＡｕ金属ワイヤーであってもよい。但し、金属ワイヤーを用いる場合には、導電性接着剤あるいはハンダ２１が不要である。また、光電変換素子基板７の電極パッド９に一端を接続したフレキシブルな配線材２６は、必ず光導波路基板１と電気接続をとらなければならないものではなく、分光光度計の外部の電気部材やパッケージと電気接続をとってもかまわない。
【００６３】
この実施の形態においては、大きなサイズの光電変換素子基板を実装できるので、光電変換素子として大規模なラインセンサを持つ光電変換素子基板や、Ａ／Ｄ変換などの信号処理機能をも有する光電変換素子基板を実装でき、分光光度計の機能を向上できる。更に、信号処理回路をＣＭＯＳで光電変換素子基板上に形成すれば、受光信号の増幅及び演算も可能となり、使い勝手のよい高機能な分光光度計が実現できる。
【００６４】
（第７の実施の形態）
次に、本発明に係る第７の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光電変換素子のみならず光学素子も別基板で作製して光導波路基板に実装するように構成したものである。図１５は、本発明に係る分光光度計の第７の実施の形態を示す分解斜視図である。
【００６５】
図１５において、３１は回折格子４が配設された単体の光学素子基板であり、側面が曲面状にエッチングされた樹脂，金属，セラミックスなどの平板基材の曲面状側面に、高精度にブレーズがエッチング加工され、その表面にＡｌやＡｕなどの反射材がコートされて、回折格子４が形成されている。この単体の光学素子基板３１と光電変換素子基板７が光導波路基板１に実装されて分光光度計が構成されている。ここで、光電変換素子基板７のフォトダイオードアレイ６の受光面、光入射スリット３，回折格子４の中心はローランドの円上に配置されている。なお、図中、３２は光導波路基板１に設けられた光学素子基板３１の実装部で、光導波路２の底面１２よりも深く堀り込まれ、位置決めしやすくなっている。また、光導波路基板１並びに光電変換素子基板７の構成は他の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００６６】
ここで、光導波路基板１と光学素子基板３１との実装位置ずれ、並びに光導波路基板１と光電変換素子基板７との実装位置ずれが、分光光度計としての波長精度に影響を与える場合もあるが、回折格子４にブレーズのピッチが小さいものを用いれば回折格子の分散が大きくなるので、実装時の位置ずれが波長分解能に与える影響を小さくできる。また、光学素子基板３１として単体で作製する回折格子は、光導波路基板１と一体に形成する場合に比べ、適用できる加工法の種類が多いので、作製精度が良く、したがってブレーズピッチの小さいものを作製できる。
【００６７】
このような構成によれば、回折格子及び光電変換素子をそれぞれ単体で作製することでコストダウンを実現できると共に、分散の大きい回折格子を用いることで性能を維持することができる。
【００６８】
（第８の実施の形態）
次に、本発明に係る分光光度計の第８の実施の形態について説明する。本実施の形態は、他の形状を有する光学素子基板を提供するものである。図１６の（Ａ），（Ｂ）は、本発明に係る分光光度計の第８の実施の形態における光学素子基板の構成を示す図である。
【００６９】
図１６の（Ａ）において、３３はブレーズで、平板状の光学素子基板３４の表面にノコギリ歯状に形成されている。ブレーズ３３のパターニング法には、フォトリソグラフィとエッチングなどが用いられる。この光学素子基板３４は、図１６の（Ｂ）に示すように、湾曲された状態で光導波路基板１に実装される。図１６の（Ａ）に示すように、光学素子基板３４に図中点線矢印で示すような凹レンズ状のカーブを持たせれば、ブレーズ３３からなる回折格子に凹面集光作用を持たせることができるので、この回折格子を持つ光学素子基板３４を光導波路基板１に実装したときに、光導波路中を伝播する光線を平行化でき、光導波路壁面への多数回反射による光導波路内での光量損失を改善できる。
【００７０】
この実施の形態によれば、平板状基板の表面にブレーズを形成する技術の方が、基板の曲面状側面部にブレーズを形成する技術よりも加工精度がよいので、光学素子基板の曲面状側面に沿ってブレーズを有する第７の実施の形態の回折格子よりも、鋭く加工されたブレーズからなる回折格子を備えた光学素子基板が得られる。これにより、回折効率が向上し、分光光度計の出力を大きくとれる。
【００７１】
（第９の実施の形態）
次に、本発明に係る分光光度計の第９の実施の形態について説明する。本実施の形態は、他の形状を有する光導波路基板を備えた分光光度計に関するものである。図１７は、本発明に係る分光光度計の第９の実施の形態を示す分解斜視図である。
【００７２】
図１７において、光導波路基板１の回折格子配設領域３５と光電変換素子基板７の実装部５は、光導波路２の底面１２と同じ高さで光導波路基板１の側壁が切り落とされて形成されている。回折格子４が配設された光学素子基板３４は、上記切り落とされた回折格子配設領域３５に、光導波路基板１の外側面より貼り付けて実装されるようになっている。回折格子４は光学素子基板３４の一部分にブレーズ３３を刻んで作製されており、光導波路基板１に実装したときに回折格子４の位置と光導波路の位置が一致するようになっている。光電変換素子基板７は同様に、切り落とされた光電変換素子基板の実装部５に、光導波路基板１の外側面より貼り付けて実装されるようになっている。このとき、光電変換素子基板７の光電変換素子の受光面と光導波路２の位置が一致するようになっている。光電変換素子基板７は、その裏面にてフレキシブル配線材３６と電気接続されている。ここで、光電変換素子の受光面、光入射スリット、回折格子の中心はローランドの円上に配置されている。なお、カバー基板１３も、光導波路基板１の外側面に貼り付け実装された光学素子基板３４及び光電変換素子基板７の実装形状に対応させて、切り欠き形成されている。
【００７３】
図１８は図１７に示した分光光度計の組み立てた状態におけるＣ−Ｃ′線における断面図を示している。光導波路基板１，カバー基板１３，光学素子基板３４，光電変換素子基板７が互いに密着して組み立てられている。この形態においては、２つの基板と光学素子基板３４及び光電変換素子基板７を貼り合わせるだけで簡単に作製できるが、貼り合わせ部からの光漏れの心配がある。これを解決するためには、光学素子基板３４と光電変換素子基板７のそれぞれの光導波路２と対面する領域を、凸状に加工するのが効果的であり、この態様を図１９の断面図で示す。
【００７４】
図１９において、光学素子基板３４には光導波路２の高さ分（矢印３７で示す）だけ凸状に加工された領域３４ａが設けられ、この表面に回折格子４が加工されている。また、光電変換素子基板７にも光導波路２の高さ分だけ凸状に加工された領域７ａが設けられ、この表面にフォトダイオードアレイ６が配置されている。そして、この回折格子４，フォトダイオードアレイ６の受光部と光入射スリット３とがローランドの円上に配置されている。
【００７５】
このように構成された分光光度計においては、光学素子基板３４と光電変換素子基板７のそれぞれの凸状領域３４ａ，７ａを、光導波路基板１とカバー基板１３とで噛み合わせた構造となるので、外部からの光導波路２への光漏れを防止する効果が得られる。
【００７６】
本実施の形態によれば、以上説明してきたように、４つの基板を貼り合わせるだけで簡単に作製できるので、安価な分光光度計を作製できる。
【００７７】
（第１０の実施の形態）
次に、本発明に係る第１０の実施の形態について説明する。図２０は、本発明に係る分光光度計の第１０の実施の形態を示す分解斜視図である。
【００７８】
この実施の形態においては、図２０に示すように、光電変換素子基板７が光導波路基板１と貼り合わされる部分に受光スリット３８が設けられている。この受光スリット３８は、所望の波長の集光位置に開口されている。光電変換素子基板７は、この受光スリット３８に密着するように光導波路基板１の側面より貼り合わされている。受光スリット３８の開口幅は、各フォトダイオードの受光部の幅より狭く形成されており、この開口幅と受光部の幅の差以内の光電変換素子基板７の貼り合わせずれがあっても、受光部が受ける中心波長は変化しない。
【００７９】
本実施の形態によれば、光電変換素子基板の位置ずれがあっても、受光部が受ける中心波長が劣化しない分光光度計を作製することができる。
【００８０】
なお、上記各実施の形態では、光電変換素子としてフォトダイオードアレイを、光学素子として回折格子を用いたものを示したが、これらには限定されず、光電変換素子としてラインセンサ、光学素子としてプリズムを用いてもよいことは勿論である。、例えば、光電変換素子として走査回路を搭載したラインセンサを用いれば、少ない端子数で多くの波長信号を得ることができる。また第１〜第７の実施の形態において、光学素子としてプリズムを用いる場合には、光導波路内端面ではなく光導波路内に設けてもよい。また、光学レンズを光導波路内、あるいは光入射スリットと光ファイバーの挿入部の間に設けてもよい。この場合には、光導波路中における光量の損失を抑制することができる。更に、光導波路基板に電極パッド、電気配線及び端子を設けて光電変換素子基板からの電気信号を取り出せるようにしたものについて説明したが、カバー基板に電極パッド、電気配線及び端子を設けてカバー基板から信号を取り出すように構成してもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、請求項１及び２に係る発明によれば、高性能で高安定測定が可能であると共に、高信頼性のある安価な小型の分光光度計を実現することができる。また請求項３〜５に係る発明によれば、光学素子を搭載した基板の構造並びに形状を光学素子特性に合わせて最適化できる。また請求項６及び７に係る発明によれば、用途並びに特性に応じた最適な光学素子を選択することができる。また請求項８〜１０に係る発明によれば、光電変換素子を搭載した基板の構造並びに形状を光電変換素子特性に合わせて最適化できる。また請求項１１及び１２に係る発明によれば、用途並びに特性に応じた最適な光電変換素子を選択することができる。また請求項１３に係る発明によれば、種々の機能を付加した高機能で小型の分光光度計が実現できる。また請求項１４〜１６に係る発明によれば、特性並びに用途に応じて光電変換素子を搭載する最適な基板が選択・作製できる。また請求項１７及び１８に係る発明によれば、光導波路を伝播してきた光を最大限利用できるため、高性能な分光光度計が実現可能となる。また請求項１９に係る発明によれば、信号の授受が正確で簡単な分光光度計が実現できる。また請求項２０〜２２に係る発明によれば、用途並びに特性に応じた最適な光導波路基板を選択・作製できる。また請求項２３〜２５に係る発明によれば、光導波路基板と光電変換素子基板との接続が簡単な手段で、且つ正確に実現できる。また請求項２６に係る発明によれば、光導波路へ入射した光を損失なく効率よく利用可能な分光光度計が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態に係る分光光度計を説明するための分解斜視図である。
【図２】図１に示した第１の実施の形態に係る分光光度計の光電変換素子基板と光導波路基板との電気的接続を説明するための拡大図である。
【図３】図１に示した第１の実施の形態に係る分光光度計の光導波路基板の光電変換素子基板実装部を説明するための断面図である。
【図４】図１に示した第１の実施の形態に係る分光光度計を上面から見た透視図である。
【図５】図１に示した第１の実施の形態の変形例の分光光度計を上面から見た透視図である。
【図６】図１に示した第１の実施の形態の他の変形例の分光光度計を上面から見た透視図である。
【図７】図１に示した第１の実施の形態の更に他の変形例の分光光度計を上面から見た透視図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る分光光度計における光電変換素子基板並びに光導波路基板を説明するための拡大斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る分光光度計を説明するための分解斜視図である。
【図１０】図９に示した第３の実施の形態に係る分光光度計の光電変換素子基板並びに光導波路基板を説明するための拡大分解斜視図である。
【図１１】図９に示した第３の実施の形態に係る分光光度計の光電変換素子基板の実装部分を説明するための拡大斜視図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る分光光度計における光電変換素子基板並びに光導波路基板を説明するための拡大分解斜視図である。
【図１３】本発明の第５の実施の形態に係る分光光度計における光電変換素子基板並びに光導波路基板を説明するための拡大分解斜視図及び拡大断面図である。
【図１４】本発明の第６の実施の形態に係る分光光度計を説明するための断面図である。
【図１５】本発明の第７の実施の形態に係る分光光度計を説明するための分解斜視図である。
【図１６】本発明の第８の実施の形態に係る分光光度計における光学素子基板を説明するための斜視図である。
【図１７】本発明の第９の実施の形態に係る分光光度計を説明するための分解斜視図である。
【図１８】図１７に示した第９の実施の形態に係る分光光度計を示す断面図である。
【図１９】図１７及び図１８に示した第９の実施の形態に係る分光光度計の変形例を示す断面図である。
【図２０】本発明の第１０の実施の形態に係る分光光度計を説明するための分解斜視図である。
【図２１】従来の分光光度計を説明するための分解斜視図である。
【符号の説明】
１光導波路基板
２光導波路
３光入射スリット
４回折格子
５実装部
５ａ実装部の背面壁部
６フォトダイオードアレイ
７光電変換素子基板
７ａ凸状領域
８，９電極パッド
１０電気配線
１１端子
１２光導波路底面
１３カバー基板
１３ａ切り欠き部
１３ｂ貫通孔
１４反射膜
１５光路
１６光ファイバー
１８金属ワイヤー
１９受光面下端
２１接着剤あるいはハンダ
２５信号処理回路
２６フレキシブル配線材
２８，２９ファイバー挿入部
３１光学素子基板
３２光学素子基板実装部
３３ブレーズ
３４光学素子基板
３４ａ凸状領域
３５回折格子配設領域
３６フレキシブル配線材
３７光導波路高さ
３８受光スリット

Claims

光導波路と、該光導波路内側の端面に設けられ該光導波路内に入射光を入射させるための光入射スリットと、前記光導波路内側の端面もしくは前記光導波路内に設けられ該光導波路内に入射させた入射光を分光するための光学素子と、前記光導波路内側の端面に設けられ前記光学素子で分光された入射光を検出するための光電変換素子とを少なくとも備えてなる分光光度計において、前記光導波路と前記光入射スリット及び前記光学素子を光導波路基板に一体的に形成し、該光導波路基板に、前記光電変換素子が形成された光電変換素子基板を実装して構成したことを特徴とする分光光度計。
光導波路と、該光導波路内側の端面に設けられ該光導波路内に入射光を入射させるための光入射スリットと、前記光導波路内側の端面もしくは前記光導波路内に設けられ該光導波路内に入射させた入射光を分光するための光学素子と、前記光導波路内側の端面に設けられ前記光学素子で分光された入射光を検出するための光電変換素子とを少なくとも備えてなる分光光度計において、前記光導波路と前記光入射スリットを光導波路基板に一体的に形成し、該光導波路基板に、前記光学素子が形成された光学素子基板と前記光電変換素子が形成された光電変換素子基板を実装して構成したことを特徴とする分光光度計。
前記光学素子は、曲面状にエッチングされた前記光学素子基板の表面に形成されていることを特徴とする請求項２に係る分光光度計。
前記光学素子は、湾曲可能な光学素子基板の表面に形成され、該光学素子基板を湾曲させて前記光導波路基板に実装させていることを特徴とする請求項２に係る分光光度計。
前記光学素子は、前記光導波路の高さと同じ高さ領域を有する光学素子基板の前記同一高さ領域の表面に形成されていることを特徴とする請求項２に係る分光光度計。
前記光学素子は、回折格子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光学素子は、プリズムであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光電変換素子は、曲面状にエッチングされた光電変換素子基板に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光電変換素子は、湾曲可能な光電変換素子基板の表面に形成され、該光電変換素子基板を湾曲させて前記光導波路基板に実装させていることを特徴とする１〜７のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光電変換素子は、前記光導波路の高さと同じ高さ領域を有する光電変換素子基板の前記同一高さ領域の表面に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光電変換素子は、フォトダイオードであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光電変換素子は、ラインセンサであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光電変換素子基板は、信号処理回路を備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光電変換素子基板は、Ｓｉ基板であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光電変換素子基板は、化合物半導体基板であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光電変換素子基板は、電子部品が搭載された絶縁性基板であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光導波路基板の前記光電変換素子基板あるいは前記光学素子基板の少なくとも一方に対応する実装部は、前記光導波路面より深くエッチングされて形成されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光導波路基板の前記光電変換素子基板に対応する実装部は、スリットを有していることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光導波路基板は、前記光電変換素子基板及び外部端子との電気的接続用の電極パッド及び配線領域を備えていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光導波路基板は、プラスチックであることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光導波路基板は、金属であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光導波路基板は、セラミックであることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光導波路基板と前記光電変換素子基板との接続は、金属ワイヤにて行われていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光導波路基板と前記光電変換素子基板との接続は、フリップチップボンディングにて行われていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光導波路基板と前記光電変換素子基板との接続は、異方導電性樹脂にて行われていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に係る分光光度計。
前記光導波路は、前記光導波路面側に反射膜がコーティングされたカバー基板にて封止されていることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか１項に係る分光光度計。