JP2011053143A - 分光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性の高い分光モジュールを提供する。
【解決手段】 この分光モジュールでは、回折層６よりも厚くなるように回折層６の周縁６ａに沿って鍔部７が一体的に形成されており、しかも、レンズ部３の曲面３ａにおいて鍔部７と接触する部分が粗面となっている。これにより、曲面３ａとの接着性が高まった鍔部７によって、回折層６が包囲されることになる。そのため、回折層６を薄型化しても、回折層６がレンズ部３の凸状の曲面３ａから剥離するのを防止することができる。更に、この分光モジュールでは、鍔部７においてレンズ部３の曲面３ａと対向する後面７ａが平坦面となっている。これにより、光が鍔部７内に入射しても、その光は鍔部７の平坦面である後面７ａに達する。そのため、迷光として光検出素子の光検出部に直接結像される光を低減することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光を分光して検出する分光モジュールに関する。

従来の分光モジュールとして、一方の側から入射した光を透過させる本体部と、本体部の他方の側において、本体部に入射した光を分光すると共に本体部の一方の側に反射する分光部と、本体部の一方の側において、分光部によって分光された光を検出する光検出素子と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平４−２９４２２３号公報 国際公開第２００８／１４９９３９号パンフレット

上述したような分光モジュールにおいては、小型化を図るべく分光部の微細化が進められる一方で、本体部内に生じる迷光の低減等、検出精度の向上が望まれている。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い分光モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る分光モジュールは、一方の側から入射した光を透過させる本体部と、本体部の他方の側に形成された凸状の曲面上に設けられ、本体部に入射した光を分光すると共に本体部の一方の側に反射する分光部と、本体部の一方の側に配置され、分光部によって分光された光を検出する光検出素子と、を備え、分光部は、曲面に沿うように形成された回折層、回折層よりも厚くなるように回折層の周縁に沿って一体的に形成された鍔部、及び回折層の他方の側に形成された反射層を有し、曲面において少なくとも鍔部と接触する部分は、光を散乱させる粗面となっており、鍔部において曲面と対向する面は、平坦面となっていることを特徴とする。

この分光モジュールでは、回折層よりも厚くなるように回折層の周縁に沿って鍔部が一体的に形成されており、しかも、曲面において鍔部と接触する部分が粗面となっている。これにより、曲面との接着性が高い鍔部によって回折層が包囲されることになるので、回折層を薄型化しても、回折層が本体部の凸状の曲面から剥離するのを防止することができる。更に、この分光モジュールでは、鍔部において曲面と対向する面が平坦面となっている。これにより、粗面の凹凸が鍔部によって埋められるがために光が粗面で散乱させられずに鍔部内に入射しても、その光は鍔部の平坦面に達するので、迷光として光検出素子に直接結像される光を低減することができる。よって、分光モジュールの信頼性を向上させることが可能となる。

本発明に係る分光モジュールにおいては、曲面において回折層と接触し且つ回折層の回折格子パターンと対向する部分は、曲面において鍔部と接触する部分に比べ、滑らかな面となっていることが好ましい。この構成によれば、本体部の凸状の曲面と回折層の回折格子パターンとの間におけるボイド等の発生が抑制されるので、回折格子パターンに対して行き来する測定すべき光の散乱等を防止することができる。従って、分光モジュールの検出精度を向上させることが可能となる。

本発明に係る分光モジュールにおいては、鍔部において曲面と対向する面は、光を散乱させる粗面となっていることが好ましい。この構成によれば、鍔部内に入射した光が鍔部の平坦面（一部又は全部が粗面とされた平坦面）で散乱させられるので、迷光として光検出素子に直接結像される光をより確実に低減することができる。

本発明によれば、信頼性の高い分光モジュールを提供することができる。

本発明に係る分光モジュールの一実施形態の平面図である。 図１のII−II線に沿っての断面図である。 図１の分光モジュールのレンズ部の斜視図である。 図１の分光モジュールの分光部の断面図である。 図１の分光モジュールの分光部の下面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の分光部の断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１，２に示されるように、分光モジュール１は、光Ｌ１を透過させる基板（本体部）２及びレンズ部（本体部）３と、レンズ部３の曲面３ａ上に設けられた分光部４と、基板の前面２ａ上に配置された光検出素子５と、を備えている。分光モジュール１は、光Ｌ１を分光部４で複数の光Ｌ２に分光し、その光Ｌ２を光検出素子５で検出することにより、光Ｌ１の波長分布や特定波長成分の強度等を測定するものである。

基板２は、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、石英等の光透過性ガラスや、光透過性モールドガラス、或いは光透過性プラスチック等によって長方形板状に形成されている。レンズ部３は、基板２と同一の材料、光透過性樹脂、光透過性の無機・有機ハイブリッド材料、或いはレプリカ成形用の光透過性低融点ガラス等によって半球状に形成されている。より具体的には、図３に示されるように、レンズ部３は、曲面３ａ及び前面３ｂを有する半球状のレンズが前面３ｂに略垂直で且つ互いに略平行な２つの平面で切り落とされて側面３ｃが形成された形状となっている。曲面３ａ上に設けられた分光部４によって分光された光Ｌ２は、光検出素子５の光検出部５ａに結像される。

図１，２に示されるように、基板２の後面２ｂとレンズ部３の前面３ｂとは、基板２の長手方向とレンズ部３の側面３ｃとが略平行となった状態で、光学樹脂やダイレクトボンディングによって接合されている。これにより、基板２及びレンズ部３は、前側（本体部の一方の側）から入射した光Ｌ１を透過させることになる。また、分光部４は、基板２及びレンズ部３の後側（本体部の他方の側）に形成された凸状の曲面３ａ上に設けられ、光検出素子５は、基板２及びレンズ部３の前側に配置されることになる。

分光部４は、反射型グレーティングとして構成されており、基板２及びレンズ部３に入射した光Ｌ１を分光すると共に、分光された光Ｌ２を前側に反射する。より具体的には、図４，５に示されるように、分光部４は、曲面３ａに沿うように形成された回折層６、回折層６よりも厚くなるように回折層６の周縁６ａに沿って一体的に形成された鍔部７、及び回折層６の外側（後側）の表面に形成された反射層８を有している。

回折層６には、回折格子パターン９が形成されている。回折格子パターン９は、例えば、鋸歯状断面のブレーズドグレーティング、矩形状断面のバイナリグレーティング、正弦波状断面のホログラフィックグレーティング等であって、基板２の長手方向に沿って複数の溝が並設されることによって構成されている。

回折層６は、後側から見た場合に円形状に形成され、鍔部７は、後側から見た場合に円環状に形成されている。そして、回折格子パターン９が形成された領域Ｇは、後側から見た場合に基板２の長手方向に沿って長尺状の形状となっている。また、反射層８は、後側から見た場合に円形状に形成されており、回折格子パターン９が形成された領域Ｇに含まれている。なお、回折層６の外側（後側）の表面に、後側から見た場合に反射層８を含み且つ覆うようにパッシベーション膜等の保護層が形成されていてもよい。

参考として、各部分の寸法の一例は、次の通りである。まず、回折層６は、外径２ｍｍ〜１０ｍｍ、厚さ１μｍ〜２０μｍであり、鍔部７は、幅０．１ｍｍ〜１ｍｍ、厚さ１０μｍ〜５００μｍである。また、反射層８は、外径１ｍｍ〜７ｍｍ、厚さ１０ｎｍ〜２０００ｎｍである。更に、回折格子パターン９が形成された領域Ｇは、一辺の長さ１．５ｍｍ〜８ｍｍである。

図１，２に示されるように、光検出素子５は、分光部４によって分光された光Ｌ２を検出する光検出部５ａを有している。光検出部５ａは、長尺状のフォトダイオードがその長手方向に略垂直な方向に１次元に配列されて構成されている。光検出素子５は、フォトダイオードの１次元配列方向が基板２の長手方向と略一致し且つ光検出部５ａが基板２の前面２ａ側を向くように配置されている。なお、光検出素子５は、フォトダイオードアレイに限定されず、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等であってもよい。

光検出素子５には、分光部４に進行する光Ｌ１を基板２及びレンズ部３に入射させる光通過孔１２が設けられている。光通過孔１２は、フォトダイオードの１次元配列方向に沿って光検出部５ａと並設されている。光通過孔１２は、基板２の長手方向に略垂直で且つ基板２の前面２ａに略平行な方向に延在するスリットであり、光検出部５ａに対して高精度に位置決めされた状態でエッチング等によって形成されている。

基板２の前面２ａには、ＡｌやＡｕ等の単層膜、或いはＣｒ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ、Ｃｒ−Ａｕ等の積層膜からなる配線１３が形成されている。配線１３は、複数のパッド部１３ａ、複数のパッド部１３ｂ、及び対応するパッド部１３ａとパッド部１３ｂとを接続する複数の接続部１３ｃを有している。配線１３に対して基板２の前面２ａ側には、ＣｒＯ等の単層膜、或いはＣｒ−ＣｒＯ等の積層膜からなる光反射防止層１４が形成されている。

更に、基板２の前面２ａには、ＣｒＯ等の単層膜、ＣｒＯ等を含む積層膜、或いはブラックレジスト等からなる光吸収層１５が形成されている。光吸収層１５は、配線１３のパッド部１３ａ，１３ｂを露出させる一方で、配線１３の接続部１３ｃを覆っている。光吸収層１５には、分光部４に進行する光Ｌ１を通過させるスリット１５ｂ、及び光検出素子５の光検出部５ａに進行する光Ｌ２を通過させる開口１５ａが設けられている。スリット１５ｂは、光検出素子５の光通過孔１２と対向しており、開口１５ａは、光検出部５ａと対向している。

光吸収層１５から露出するパッド部１３ａには、バンプ１６を介したフェースダウンボンディングによって光検出素子５の外部端子が電気的に接続されている。そして、光検出素子５の基板２側（ここでは、光検出素子５と基板２又は光吸収層１５との間）には、少なくとも光Ｌ２を透過させるアンダーフィル材１７が充填されている。なお、図２に示される構成においては、光検出素子５と基板２との間の全体にアンダーフィル材１７が充填されているが、アンダーフィル材１７をバンプ１６の周辺のみに充填する構成としてもよい。また、光吸収層１５から露出するパッド部１３ｂは、分光モジュール１の外部端子として機能する。すなわち、光吸収層１５から露出するパッド部１３ｂには、外部配線等が電気的に接続される。

ここで、上述した分光部４及びその周辺部分について、より詳細に説明する。図４，５に示されるように、レンズ部３の曲面３ａは、回折層６が形成される領域（回折格子パターン９が形成された領域Ｇに対応する領域）Ｒを除いて、サンドブラスト加工やエッチング加工等によって粗面とされている。つまり、曲面３ａにおいて領域Ｒを除いた領域は、基板２の光入出射面である前面２ａ及び後面２ｂやレンズ部３の光入出射面である前面３ｂよりも粗い面（表面粗さが大きい面）とされている。この表面粗さの程度は、例えば０．０５〜５μｍであって、基板２及びレンズ部３内を進行する光がその粗面に入射した際にその光が散乱させられ得る程度である。

これにより、曲面３ａにおいて鍔部７と接触する部分は、光を散乱させる粗面となっている。一方、曲面３ａにおいて回折層６と接触し且つ回折層６の回折格子パターン９と対向する部分（すなわち、領域Ｒ）は、曲面３ａにおいて鍔部７と接触する部分に比べ、滑らかな面となっている。つまり、曲面３ａの領域Ｒは、基板２の光入出射面である前面２ａ及び後面２ｂやレンズ部３の光入出射面である前面３ｂと同程度に滑らかな面となっている。

鍔部７において曲面３ａと対向する後面７ａは、平坦面となっている。ここでは、後面７ａは、基板２の光入出射面である前面２ａ及び後面２ｂやレンズ部３の光入出射面である前面３ｂに略平行となっている。これにより、曲面３ａの粗面の凹凸が鍔部７によって埋められるがために、基板２及びレンズ部３内を進行する光がその粗面で散乱せずに鍔部７内に入射しても、その光は、平坦面である鍔部７の後面７ａに達するので、所定の角度で反射されたり透過したりすることになる（図４の一転鎖線の矢印を参照）。従って、鍔部７内に入射した光が迷光として光検出素子５の光検出部５ａに直接結像されることが防止される。なお、鍔部７の後面７ａの一部又は全部は、曲面３ａにおいて領域Ｒを除いた領域と同様に、光を散乱させる粗面となっていてもよい（図６参照）。一部又は全部が粗面とされた後面７ａにおいては、表面粗さの平均面（表面粗さ平均線を含む面）が略平坦面となる。

以上説明したように、分光モジュール１では、回折層６よりも厚くなるように回折層６の周縁６ａに沿って鍔部７が一体的に形成されており、しかも、レンズ部３の曲面３ａにおいて鍔部７と接触する部分が粗面となっている。これにより、アンカー効果も寄与して曲面３ａとの接着性が高まった鍔部７によって、回折層６が包囲されることになる。そのため、分光モジュール１の小型化に伴って回折層６を薄型化しても、回折層６がレンズ部３の凸状の曲面３ａから剥離するのを防止することができる。更に、分光モジュール１では、鍔部７においてレンズ部３の曲面３ａと対向する後面７ａが平坦面となっている。これにより、曲面３ａの粗面の凹凸が鍔部７によって埋められるがために光が粗面で散乱させられずに鍔部７内に入射しても、その光は鍔部７の平坦面である後面７ａに達する。そのため、上述したように、迷光として光検出素子５の光検出部５ａに直接結像される光を低減することができる。よって、分光モジュール１の信頼性を向上させることが可能となる。なお、レンズ部３の曲面３ａにおいて分光部４が設けられていない領域に入射した光も粗面で散乱させられるので、迷光の抑制に繋がる。

また、レンズ部３の曲面３ａにおいて回折層６と接触し且つ回折層６の回折格子パターン９と対向する部分（すなわち、領域Ｒ）は、曲面３ａにおいて鍔部７と接触する部分に比べ、滑らかな面となっている。これにより、レンズ部３の凸状の曲面３ａと回折層６の回折格子パターン９との間におけるボイド等の発生が抑制されるので、回折格子パターン９に対して行き来する測定すべき光Ｌ１，Ｌ２の散乱等を防止することができる。従って、分光モジュール１の検出精度を向上させることが可能となる。

更に、鍔部７においてレンズ部３の曲面３ａと対向する後面７ａを、曲面３ａにおいて領域Ｒを除いた領域と同様に、光を散乱させる粗面とすれば、鍔部７内に入射した光が鍔部７の平坦面である後面７ａで散乱させられるので、迷光として光検出素子５の光検出部５ａに直接結像される光をより確実に低減することができる。

なお、分光部４を凸状の曲面３ａ上に設けることで、厚さ１μｍ〜２０μｍというように、回折層６を極薄く形成することができる。これにより、回折層６での光吸収を抑制して、光の利用効率を向上させることが可能となる。しかも、回折層６を極薄く形成することで、熱や水分に起因した回折層６の変形（伸縮等）を抑制することができ、安定した分光特性、及び高い信頼性を確保することが可能となる。その一方で、分光部４を凸状の曲面３ａ上に設けることにより、回折層６よりも鍔部７を確実且つ容易に厚くすることができ、曲面３ａから回折層６が剥離するのを防止することが可能となる。

次に、上述した分光モジュール１の製造方法について説明する。

まず、レンズ部３に分光部４を形成する。より具体的には、回折層６が形成される領域（回折格子パターン９が形成された領域Ｇに対応する領域）Ｒを除いて、レンズ部３の曲面３ａをサンドブラスト加工やエッチング加工等によって粗面化する。レンズ部３を準備するに際しては、予め所定の領域が粗面化された成型レンズを用いてもよい。

続いて、レンズ部３の曲面３ａの領域Ｒ付近に、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂又は有機・無機ハイブリッド樹脂等からなる光硬化性のレプリカ用光学樹脂材を塗布する。続いて、樹脂材に、石英等からなる光透過性のマスタモールドを押し当てる。このマスタモールドには、レンズ部３の曲面３ａと略同一の曲率を有する凹状の曲面が設けられており、その凹状の曲面には、回折格子パターン９に対応する複数の溝が形成されている。

そして、樹脂材にマスタモールドを押し当てた状態で、マスタモールドを介して樹脂材に紫外線を照射し、樹脂材を硬化させることにより、回折格子パターン９が形成された回折層６、及び鍔部７を一体的に形成する。このとき、レンズ部３の曲面３ａにおいて鍔部７と接触する部分においては、曲面３ａの粗面の凹凸が鍔部７によって埋められる。

続いて、樹脂材からマスタモールドを離す。なお、離型後には、加熱キュアを行うことによって樹脂材を安定化させることが好ましい。このとき、回折層６よりも厚くなるように回折層６の周縁６ａに沿って鍔部７が一体的に形成されており、しかも、レンズ部３の曲面３ａにおいて鍔部７と接触する部分が粗面となっているので、離型時に、レンズ部３の凸状の曲面３ａに沿うように形成された回折層６がマスタモールドに持っていかれて曲面３ａから剥離するのを防止することができる。

続いて、マスクの開口を介して、回折格子パターン９が形成された領域Ｇ内に、ＡｌやＡｕ等の金属を蒸着することにより反射層８を膜状に形成し、分光部４を得る。なお、反射層８を含み且つ覆うように、パッシベーション膜である保護層を更に形成してもよい。

以上のように分光部４を形成する一方で、基板２に光検出素子５を実装する。より具体的には、まず、基板２の前面２ａに、光反射防止層１４と配線１３とをパターニングして形成し、更に、光吸収層１５を全面に形成した後、パターニングしてパッド部１３ａ，１３ｂを露出させると共に、スリット１５ｂ及び開口１５ａを形成する。続いて、基板２の前面２ａに、フェースダウンボンディングによって光検出素子５を実装する。

そして、光検出素子５の光検出部５ａ及び光通過孔１２に対し分光部４を高精度に位置決めした状態で、光検出素子５が実装された基板２の後面２ｂと、分光部４が形成されたレンズ部３の前面３ｂとを光学樹脂やダイレクトボンディングによって接合し、分光モジュール１を完成させる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、図６に示されるように、レンズ部３の曲面３ａを光学樹脂被膜１８で覆い、光学樹脂被膜１８の外側の曲面１８ａにおいて少なくとも鍔部７と接触する部分を、光を散乱させる粗面としてもよい。なお、上述した実施形態では、レンズ部３の曲面３ａにおいて回折層６が形成される領域を粗面化したり、図６に示される構成では、光学樹脂被膜１８の曲面１８ａにおいて回折層６が形成される領域を粗面化したりしても、粗面の凹凸が回折層６によって埋められれば、測定すべき光Ｌ１，Ｌ２の進行が妨げられることが防止される。

また、分光部が設けられる凸状の曲面は、球面以外の曲面であってもよい。また、基板２及びレンズ部３は、一体的に形成されたものであってもよい。更に、光通過孔が設けられていない光検出素子を採用し、例えば、光吸収層１５のスリット１５ｂから光Ｌ１を入射させてもよい。

１…分光モジュール、２…基板（本体部）、３…レンズ部（本体部）、３ａ…曲面、４…分光部、５…光検出素子、６…回折層、６ａ…周縁、７…鍔部、７ａ…後面、８…反射層、９…回折格子パターン。

Claims (3)

1. 一方の側から入射した光を透過させる本体部と、
   前記本体部の他方の側に形成された凸状の曲面上に設けられ、前記本体部に入射した光を分光すると共に前記本体部の一方の側に反射する分光部と、
   前記本体部の一方の側に配置され、前記分光部によって分光された光を検出する光検出素子と、を備え、
   前記分光部は、前記曲面に沿うように形成された回折層、前記回折層よりも厚くなるように前記回折層の周縁に沿って一体的に形成された鍔部、及び前記回折層の他方の側に形成された反射層を有し、
   前記曲面において少なくとも前記鍔部と接触する部分は、光を散乱させる粗面となっており、
   前記鍔部において前記曲面と対向する面は、平坦面となっていることを特徴とする分光モジュール。
2. 前記曲面において前記回折層と接触し且つ前記回折層の回折格子パターンと対向する部分は、前記曲面において前記鍔部と接触する部分に比べ、滑らかな面となっていることを特徴とする請求項１記載の分光モジュール。
3. 前記鍔部において前記曲面と対向する面は、光を散乱させる粗面となっていることを特徴とする請求項１又は２記載の分光モジュール。

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