JP2015219135A - 光学センサモジュール、光学センサモジュールの製造方法 - Google Patents

光学センサモジュール、光学センサモジュールの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ウエハレベルパッケージで構成され、入射光を効率よく集光可能であり、アセンブリ時の受光素子との光軸合わせが容易であり、小型化とパッケージコスト低減とを実現可能な光学センサモジュールを提供する。
【解決手段】受光素子15を有する受光素子ウエハ31と、入射光を前記受光素子へ集光するミラー50を有する光学窓ウエハ(32、33、34)と、を備える光学センサモジュールであって、光学窓ウエハのミラー50は、湾曲した主鏡51と、主鏡51の光軸上前方に対向させた副鏡52とからなり、主鏡51は中央にバッフル部27を有し、バッフル部27から光束を取り出して受光素子15へ導き、光学窓ウエハ(32、33、34)の入射光の入射面には、光の入射を阻害しない反射防止膜11が形成されてなる光学センサモジュール。
【選択図】図1

Description

本発明は、光学センサモジュールに関する。
光学センサをウエハレベルパッケージで構成する場合、ウエハレベルで搭載することができるレンズや光学窓等の部材(以下、単に「光学窓ウエハ」ともいう。)が必要となる。このような光学窓ウエハとしては、光学センサが可視光センサの場合はガラス製や樹脂製、赤外線センサの場合はゲルマニウム製やシリコン製のものが用いられる。
光学窓ウエハは受光素子が作りこまれた受光素子ウエハに接合され、ダイシングなどで個片化されて、光学センサモジュールが製造される。
光学センサモジュールとしては、簡易な構造で、かつ低コストで製造可能な集光手段を備えたものが求められており、例えば、集光ミラーを用いた赤外線センサ装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1には、低コストで集光効率の高い光学窓を実現する目的で、すり鉢型凹形状のミラーが用いられ、該ミラーがサーモパイルに取り付けられ、金属缶様のパッケージに封止された赤外線センサが開示されている。
このように、集光効率を上げるためにミラーを使って集光する事は知られているが、金属蓋を使った一般的な個片パッケージでの工法であり、ウエハレベルでは実現されていない。
特許文献1の赤外線センサでは、すり鉢型凹形状のミラーを使用しているが、当該ミラーだけでは被写体の集光点がボケやすく、例えば赤外線を利用した温度計測の場合は所望する集光点周辺からの迷光影響があり、温度精度が求め難くなる。そこで、別途フレネル型や凹凸型などのレンズ部材を追加したり、アパーチャーなどの規制窓を設けることにより、集光点を明瞭に絞る必要がある。
この場合、パッケージ化する際のアセンブリコストの低減が難しくなることに加え、個々の光学部品と受光素子との光軸を合わせる必要が生じて組立工数が増えてコストが増大する問題や、部材の追加により構造的に小型化が難しくなり、最終的な製品寸法に制約が生じる等の問題がある。
一方、従来の光学センサモジュールでは、レンズや光学窓の開口面が大きく取れないため集光に限界があり、感度の向上が難しいという問題がある。集光効率を上げるには可能な限り大きなミラーやレンズを用いる必要があるため、受光素子が小さいものであっても最終製品が大型化する傾向にあった。
そこで、本発明は上記課題を鑑み、ウエハレベルパッケージで構成され、入射光を効率よく集光可能であり、アセンブリ時の受光素子との光軸合わせが容易であり、小型化とパッケージコスト低減とを実現可能な光学センサモジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る光学センサモジュールは、受光素子を有する受光素子ウエハと、入射光を前記受光素子へ集光するミラーを有する光学窓ウエハと、を備える光学センサモジュールであって、前記光学窓ウエハの前記ミラーは、湾曲した主鏡と、前記主鏡の光軸上前方に対向させた副鏡とからなり、前記主鏡は中央にバッフル部を有し、該バッフル部から光束を取り出して前記受光素子へ導き、前記光学窓ウエハの前記入射光の入射面には、光の入射を阻害しない反射防止膜が形成されてなることを特徴とする光学センサモジュールである。
本発明の光学センサモジュールによれば、ウエハレベルパッケージで構成され、アセンブリ時の受光素子との光軸合わせが容易な光学センサモジュールを提供することができる。
本実施形態に係る光学センサモジュールの3つの実施形態を示す模式図である。 カセグレン式ミラーの構成と光路を示す説明図である。 本実施形態に係る光学センサモジュールにおける光路の例を示す模式図である。 本実施形態に係る光学センサモジュールにおける光路の例を示す模式図である。 本実施形態に係る光学センサモジュールにおける光路の例を示す模式図である。 光学窓ウエハを構成する主鏡を有するウエハの製造工程の一例を示す説明図である。 光学窓ウエハを構成する副鏡を有するウエハの製造工程の一例を示す説明図である。 受光素子ウエハの構成の一例を示す模式図である。 光学窓ウエハを構成する副鏡を有するウエハの製造工程の一例を示す説明図である。 両凸レンズを備えた光学窓ウエハの製造工程の一例を示す説明図である。 両凸レンズを備えた光学窓ウエハと受光素子ウエハとの接合工程の一例を示す説明図である。
以下、本発明に係る光学センサモジュールについて図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施例の実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
本発明に係る光学センサモジュールを、3つの実施形態を挙げて説明する。
図1(A)〜(C)に示すように、本実施形態の光学センサモジュールは、受光素子15を有する受光素子ウエハ31と、入射光を受光素子15へ集光するミラー50を有する光学窓ウエハ32、33、34と、を備える光学センサモジュールであって、光学窓ウエハ32、33、34のミラー50は、湾曲した主鏡51と、主鏡51の光軸上前方に対向させた副鏡52とからなり、主鏡51は中央にバッフル部27を有し、バッフル部27から光束を取り出して受光素子15へ導き、光学窓ウエハ32、33、34の前記入射光の入射面には、光の入射を阻害しない反射防止膜11が形成されてなる。
以下、図1(A)に示す光学窓ウエハ32を「ミラー集光型光学窓ウエハモジュール32」、図1(B)に示す光学窓ウエハ33を「レンズ付きミラー集光型光学窓ウエハモジュール33」、図1(C)に示す光学窓ウエハ34を「ミラー集光型光学窓ウエハ34」ともいう。
本実施形態において、ミラー50は、図2に示す所謂カセグレン式の集光ミラーの構成を基本としている。
図2に示すように、入射光53は主鏡51により反射され、集光されて副鏡52へ向かう。副鏡52で反射された収束光54は主鏡の中央に設けられた開口(バッフル部)から受光素子へ導かれる。
このように、カセグレン式の集光ミラーを適用することにより、高い集光効率が得られるとともに、反射により光路を折りたたむことができ光学窓ウエハの長さを短縮することができる。
図3〜図5に、本実施形態の光学センサモジュールにおける光路を示す。
図3は、図1(A)に示す第一の実施形態の光学センサモジュール、図4は、図1(B)に示す第二の実施形態の光学センサモジュール、図5は、図1(C)に示す第三の実施形態の光学センサモジュールの例をそれぞれ示している。
光学窓ウエハ32、33、34は、主鏡51、副鏡52及びバッフル部27以外の領域であって、光路ではない領域には、不要な入光を遮るための遮光領域が形成されていることが好ましい。
また、光学窓ウエハ32、33、34の材質としては、所望の波長の光の集光が可能であれば特に限定されず、例えば、赤外線の集光が可能な光学センサを構成する場合はシリコンウエハ及びゲルマニウムウエハ等から選択することができ、可視光線の集光が可能な光学センサを構成する場合はガラスウエハ等から選択することができる。
<第一の実施形態>
図1(A)及び図3に示す第一の実施形態の光学センサモジュールは、光学窓ウエハ(ミラー集光型光学窓ウエハモジュール)32が、湾曲した主鏡51を有するウエハ(以下、「主鏡ウエハ」ともいう)35と、副鏡52を有するウエハ(以下、「副鏡ウエハ」ともいう)36とが接合されてなるモジュール構造である。主鏡51の中央に設けられたバッフル部27は貫通孔である。
ミラー集光型光学窓ウエハモジュール32には、湾曲した主鏡51と主鏡51の光軸上前方に対向させた副鏡52とを形成するとともに、主鏡51の中央にバッフル部27を形成し、入射光の入射面には、光の入射を阻害しない反射防止膜11を形成する。得られたミラー集光型光学窓ウエハモジュール32を、受光素子ウエハ31に対して位置決めして固着することにより本実施形態の光学センサモジュールが製造される。
以下、製造工程について説明する。
図6に、ミラー集光型光学窓ウエハモジュール32を構成する主鏡ウエハ35の製造工程の一例を示す。
図6(A)に示すウエハ材(光学窓材料ウエハ基板)35aとしては、例えば、シリコンウエハやガラスウエハ等が挙げられる。
図6(B)に示すように、エッチングによりウエハ材35aに凹面26を形成する。
ウエハ材35aがシリコンウエハの場合は、例えば、グレースケールマスクを用いて反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;RIE)により加工形成することができ、ウエハ剤35aがガラスの場合は、例えば、ブラストによる機械加工やウェットエッチング工法により加工形成することができる。
次に、図6(C)に示すように、バッフル部27を加工する。上記の凹面26の形成方法と同様のエッチング方法で加工することができるが、ウエハ材35aがシリコンウエハの場合において、RIEにより加工を行うときは、エッチングの貫通により装置ステージがダメージを受けるのを防止するために、下敷きとなるシリコンウエハを貼り付けてから行う(図示せず)。
次に、図6(D)に示すように、副鏡ウエハ36との接合面に接合下地18、受光素子ウエハ31との接合面に遮光膜を兼ねた接合下地18a、及び主鏡51となる反射膜19をスパッタリングにより成膜する。
ウエハ間の接合方法としては、例えば、金属接合、接着剤接合、拡散接合などが挙げられる。接合されるウエハ材がシリコンウエハ同士の場合、拡散接合とすることができるが、成膜工程が多く接合面の浄化が複雑になる。金属接合とする場合、例えば、金80%と錫20%の合金を用いて接合を行う。
本実施形態では、金属接合の接合下地18として、チタン、ニッケル、及び金などをスパッタリング工法にて成膜する。成膜される膜厚としては、例えば、チタンを約100nm、ニッケルを約100nm、及び金を約200nmとすることができる。
接合下地18aは、ダイシング後の切り口面からの入光をできるだけ遮光できるように、可能な限り広範に成膜されることが好ましい。
主鏡51となる反射膜19は、光学的に反射しやすいクロムやチタンなどで製膜され、膜厚としては、例えば、クロムを約100nm、チタンを約100nmとすることができる。
図7に、ミラー集光型光学窓ウエハモジュール32を構成する副鏡ウエハ36の製造工程の一例を示す。
図7(A)に示すウエハ材(光学窓材料ウエハ基板)36aとしては、例えば、シリコンウエハやガラスウエハ等が挙げられる。
図7(B)に示すように、主鏡ウエハ35との接合面に接合下地18、及び副鏡52となる反射膜19をスパッタリングにより成膜する。成膜方法は、図6(D)において説明した主鏡ウエハ35に対するスパッタリング方法と同様である。
次に、図7(C)に示すように、主鏡ウエハ35との接合面に成膜した接合下地18に接合材10を塗布する。接合方法が金属接合の場合は、例えば、金80%と錫20%の合金ペーストをスクリーン印刷などで塗布し、リフローで仮焼成する。接着剤接合の場合、接着剤でガラスフリットを使用する場合も印刷後焼成工程が必要となる。
次に、図7(D)に示すように、反射防止膜11を成膜する。入射光の入射面に形成される反射防止膜11は、光の入射を阻害しないことが必要であるため、透過波長に応じた金属系の膜等を成膜する。成膜時は先に成膜している反射膜19、接合下地18や接合材10をレジストで保護して成膜する。
図6に示した工程により製造された主鏡ウエハ35と、図7に示した工程により製造された副鏡ウエハ36とを接合することにより、ミラー集光型光学窓ウエハモジュール32が構成される。
ミラー集光型光学窓ウエハモジュール32は、主鏡ウエハ35と副鏡ウエハ36との距離を、ウエハの厚みや接合材の厚みによって調整することができる。
図8に、受光素子15を備えた受光素子ウエハ31の構成を示す。
ミラー集光型光学窓ウエハモジュール32と接合する面には接合下地18が形成され、さらに接合材10が塗布されている。対向する他方の面には、接合下地18及び実装用端子部16が形成されている。
ミラー集光型光学窓ウエハモジュール32を、受光素子ウエハ31に対して位置決めして固着することにより、図1(A)に示す光学センサモジュールが製造される。
位置決めの方法としては、例えば、ミラー集光型光学窓ウエハモジュール32及び受光素子ウエハ31の双方にアライメントマークを形成し、それぞれの該アライメントマークに合わせる方法が挙げられる。
<第二の実施形態>
図1(B)及び図4に示す第二の実施形態の光学センサモジュールは、光学窓ウエハ(レンズ付きミラー集光型光学窓ウエハモジュール)33が、湾曲した主鏡51を有するウエハ(以下、「主鏡ウエハ」ともいう)35と、副鏡52を有し、レンズが形成されてなるウエハ(以下、「副鏡ウエハ」ともいう)37とが接合されてなるモジュール構造である。主鏡51の中央に設けられたバッフル部27は貫通孔である。
本実施形態の光学センサモジュールは、レンズ付きミラー集光型光学窓ウエハモジュール33には、湾曲した主鏡51と主鏡51の光軸上前方に対向させた副鏡52とを形成するとともにレンズを形成し、さらに主鏡51の中央にバッフル部27を形成し、入射光の入射面には、光の入射を阻害しない反射防止膜11を形成し、得られたレンズ付きミラー集光型光学窓ウエハモジュール33を受光素子ウエハ31に対して位置決めして固着することにより製造される。
以下、製造工程について説明する。
図9に、レンズ付きミラー集光型光学窓ウエハモジュール33を構成する、レンズ付き副鏡ウエハ37の製造工程の一例を示す。
図9(A)に示すウエハ材(光学窓材料ウエハ基板)37aとしては、例えば、シリコンウエハやガラスウエハ等が挙げられる。
図9(B)に示すように、エッチングによりウエハ材37aに凸レンズ23を形成する。
ウエハ材37aがシリコンウエハの場合は、例えば、グレースケールマスクを用いて反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;RIE)により加工形成することができ、ウエハ材37aがガラスの場合は、例えば、ブラストによる機械加工やウェットエッチング工法により加工形成することができる。
次に、図9(C)に示すように、主鏡ウエハ35との接合面に接合下地18、及び副鏡52となる反射膜19をスパッタリングにより成膜する。成膜方法は、上述した図6(D)のミラー集光型光学窓ウエハモジュール32を構成する主鏡ウエハ35におけるスパッタリング方法と同様である。
次に、図9(D)に示すように、主鏡ウエハ35との接合面に成膜した接合下地18に接合材10を塗布する。塗布方法は、上述した図7(C)のミラー集光型光学窓ウエハモジュール32を構成する副鏡ウエハ36における方法と同様である。
次に、図9(E)に示すように、反射防止膜11を成膜する。入射光の入射面に形成される反射防止膜11は、光の入射を阻害しないことが必要であるため、透過波長に応じた金属系の膜等を成膜する。成膜方法は、上述した図7(D)のミラー集光型光学窓ウエハモジュール32を構成する副鏡ウエハ36における方法と同様である。
上述の図6に示した工程により製造された主鏡ウエハ35と、図9に示した工程により製造された副鏡ウエハ37とを接合することにより、レンズ付きミラー集光型光学窓ウエハモジュール33が構成される。
レンズ付きミラー集光型光学窓ウエハモジュール33は、主鏡ウエハ35と副鏡ウエハ37との距離を、ウエハの厚みや接合材の厚みによって調整することができる。
レンズ付きミラー集光型光学窓ウエハモジュール33を、図8に示す受光素子ウエハ31に対して位置決めして固着することにより、図1(B)に示す光学センサモジュールが製造される。
なお、ミラー集光型光学窓ウエハモジュール33における副鏡ウエハ37のレンズは、広角に集光可能な構造であれば、凹レンズであっても凸レンズであってもよい。
また、副鏡52を湾曲面としたり、バッフル部27の開口面積を小さくする等して光量の減少を低減することができる。
本実施形態における副鏡ウエハ37はレンズと一体の構造であるが、独立してレンズウエハを設け、主鏡ウエハ、副鏡ウエハ及びレンズウエハを接合した複数の光学機能ウエハを組み合わせた光学窓ウエハモジュールとすることもできる。
上述の第一の実施形態のミラー集光型光学窓ウエハモジュール32及び第二の実施形態のレンズ付きミラー集光型光学窓ウエハモジュール33は、主鏡ウエハと副鏡ウエハとの距離を、ウエハの厚みや接合材の厚みによって調整することができる。
<第三の実施形態>
図1(C)及び図5に示す第三の実施形態の光学センサモジュールは、光学窓ウエハ34が両凸レンズを備え、前記両凸レンズの両面に反射膜19が形成され、反射膜19の内側面の一方が主鏡51、他方が副鏡52である。主鏡51の中央に設けられたバッフル部27は無穴型のバッフルであり、反射防止膜11により形成された導光領域である。
本実施形態の光学センサモジュールは、ミラー集光型光学窓ウエハ34には、レンズ一体型のミラー集光型光学窓ウエハ34を受光素子ウエハ31に対して位置決めして固着することにより製造される。
以下、製造工程について説明する。
図10にレンズ一体型のミラー集光型光学窓ウエハ34の製造工程の一例を示す。
図10(A)に示すウエハ材(光学窓材料ウエハ基板)34aとしては、例えば、シリコンウエハやガラスウエハ等が挙げられる。
図10(B)に示すように、エッチングによりウエハ材34aに凸面(主鏡凸面)46、及び受光素子ウエハ31との接合部であって入光距離を確保するための入光距離壁47を形成する。
ウエハ材34aがシリコンウエハの場合は、例えば、グレースケールマスクを用いて反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;RIE)により加工形成することができ、ウエハ材34aがガラスの場合は、例えば、ブラストによる機械加工やウェットエッチング工法により加工形成することができる。
加工成形後は、図10(C)に示すように未加工の面が上方となるようにウエハを反転させる。
次に、図10(D)に示すようにエッチングにより凸面(副鏡凸面)48、及び保護壁49を形成する。保護壁49は、受光素子ウエハ31との接合時に、接合装置等で光学窓部を直接押圧することなく接合するために設けられる。
次に、図10(E)に示すように、副鏡52となる反射膜19をスパッタリングなどの方法で成膜する。
反射膜19の内側面が副鏡となるため、クロムを約100nm、またはチタンを約100nmの厚さとなるように成膜する。
成膜後、未成膜の対向面が上方となるようにウエハを反転させる。
次に、図10(F)に示すように、受光素子ウエハ31との接合面に接合下地18、及び主鏡51となる反射膜19をスパッタリングにより成膜する。
反射膜19の内側面が主鏡51となるので、反射膜19は密着層であるクロムまたはチタンのみの成膜でよい。
一方、接合下地18の成膜方法は、上述した図6(D)のミラー集光型光学窓ウエハモジュール32を構成する主鏡ウエハ35におけるスパッタリング方法と同様である。膜厚は、例えばチタンを約100nm、ニッケルを約100nm、金を約200nmとすることができる。
反射膜19と接合下地18との同時成膜を行う場合、レジスト加工の手間を省く目的で反射膜19に金まで成膜しても問題は無い。
次に、図10(G)に示すように、反射防止膜11を成膜する。入射光の入射面に形成される反射防止膜11は、光の入射を阻害しないことが必要であるため、透過波長に応じた金属系の膜等を成膜する。成膜方法は、上述した図7(D)のミラー集光型光学窓ウエハモジュール32を構成する副鏡ウエハ36における方法と同様である。
図11に光学センサモジュールの製造工程を示す。
図11(A)に示すように、図10の工程により製造されたミラー集光型光学窓ウエハ34を、図8に示す受光素子ウエハ31に対して位置決めして固着する。
次に、図11(B)に示すように、ミラー集光型光学窓ウエハ34に対してダイシングを行い個片化する。符号38はダイシングにより保護壁49を除去した部位である。
以上の工程により、図1(C)に示す光学センサモジュールが製造される。
本実施形態の光学センサモジュールは、カセグレン型ミラー構造を応用した集光効率の高い光学窓を簡易なプロセスで製造することができる。すなわち、主鏡部と副鏡部を1つの光学窓ウエハ構造に作りこみ、反射膜と反射防止膜を組合わせて、高効率に集光し、収束反射させて受光素子に入光させることが可能なウエハレベルのアレイ状光学窓が実現できる。
光学窓ウエハは、受光素子ウエハと半導体工程で用いられるアライナー装置等により位置決めされ接合される事で、光軸をウエハレベルでアライメントでき、光軸調整コストを低減することができる。
また、最終製品として、集光効率が高い光学窓を有しながら小型であり、かつ低コストで製造可能な光学センサを提供することができる。
10 接合材
11 反射防止膜
15 受光素子
16 実装用端子部
18 接合下地
18a 遮光接合下地
19 反射金属膜
23 凸レンズ
26 凹面
27 バッフル部
31 受光素子ウエハ
32 光学窓ウエハ(ミラー集光型光学窓ウエハモジュール)
33 光学窓ウエハ(レンズ付きミラー集光型光学窓ウエハモジュール)
34 光学窓ウエハ(レンズ一体型ミラー集光型光学窓ウエハ)
35 主鏡ウエハ
35a ウエハ材(光学窓材料ウエハ基板)
36 副鏡ウエハ
36a ウエハ材(光学窓材料ウエハ基板)
37 レンズ付き副鏡ウエハ
37a ウエハ材(光学窓材料ウエハ基板)
46 主鏡凸面
47 入光距離壁(接合部)
48 副鏡凸面
49 光学窓部保護壁
50 集光ミラー
51 主鏡
52 副鏡
53 入射光
54 収束光
特開2012−103226号公報

Claims (10)

  1. 受光素子を有する受光素子ウエハと、入射光を前記受光素子へ集光するミラーを有する光学窓ウエハと、を備える光学センサモジュールであって、
    前記光学窓ウエハの前記ミラーは、湾曲した主鏡と、前記主鏡の光軸上前方に対向させた副鏡とからなり、前記主鏡は中央にバッフル部を有し、該バッフル部から光束を取り出して前記受光素子へ導き、
    前記光学窓ウエハの前記入射光の入射面には、光の入射を阻害しない反射防止膜が形成されてなることを特徴とする光学センサモジュール。
  2. 前記光学窓ウエハは、前記主鏡を有するウエハと、前記副鏡を有するウエハとが接合されてなるモジュール構造であることを特徴とする請求項1に記載の光学センサモジュール。
  3. 前記副鏡を有するウエハは、レンズが形成されてなることを特徴とする請求項2に記載の光学センサモジュール。
  4. 前記光学窓ウエハは両凸レンズを備え、前記両凸レンズの両面に反射膜が形成され、前記反射膜の内側面の一方が主鏡、他方が副鏡であることを特徴とする請求項1に記載の光学センサモジュール。
  5. 前記バッフル部が貫通孔であることを特徴とする請求項2または3に記載の光学センサモジュール。
  6. 前記バッフル部は、反射防止膜により形成された導光領域であることを特徴とする請求項4に記載の光学センサモジュール。
  7. 前記光学窓ウエハは、不要な入光を遮るための遮光領域が形成されてなることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の光学センサモジュール。
  8. 前記光学窓ウエハは、シリコンウエハ及びゲルマニウムウエハのいずれかであり、赤外線の集光が可能であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の光学センサモジュール。
  9. 前記光学窓ウエハはガラスウエハであり、可視光線の集光が可能であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の光学センサモジュール。
  10. 請求項1から9に記載の光学センサモジュールの製造方法であって、
    前記光学窓ウエハには、湾曲した主鏡と前記主鏡の光軸上前方に対向させた副鏡とを形成するとともに、前記主鏡の中央にバッフル部を形成し、前記入射光の入射面には、光の入射を阻害しない反射防止膜を形成し、
    前記光学窓ウエハを、前記受光素子ウエハに対して位置決めして固着することを特徴とする光学センサモジュールの製造方法。
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