JP2024026098A - 分光ユニット及び分光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ファブリペロー干渉フィルタによる分光精度を向上させることができる分光ユニット及び分光モジュールを提供する。【解決手段】分光ユニット１００は、筐体２と、筐体２に設けられた光入射部８０と、筐体２内に配置され、互いの距離が可変とされた第１ミラー部及び第２ミラー部を有するファブリペロー干渉フィルタ１０と、を備える。光入射部８０は、アパーチャ７１が形成されたアパーチャ部７０と、アパーチャ７１とファブリペロー干渉フィルタ１０との間に配置されたバンドパスフィルタ１４と、を有する。アパーチャ部７０は、第１ミラー部及び第２ミラー部の対向方向である方向Ａにおけるアパーチャ７１の長さを方向Ａに垂直な方向におけるアパーチャ７１の幅で除した値が０．５以上となるように、構成されている。方向Ａから見た場合に、アパーチャ７１の外縁は、バンドパスフィルタ１４の外縁の内側に位置している。【選択図】図７

Description

本発明は、分光ユニット及び分光モジュールに関する。

対象物に照射する光を出射する光源と、対象物で反射された光又は対象物を透過した光を分光する分光ユニットと、分光ユニットによって分光された光を検出する光検出器と、を備える分光モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような分光モジュールによれば、例えば、対象物の成分を非破壊で分析することができる。

特開２０１４－１４５６４３号公報

上述したような分光モジュールにおいては、分光ユニットにファブリペロー干渉フィルタが適用される場合がある。その場合に、ファブリペロー干渉フィルタによる分光精度を向上させることは、例えば、対象物の成分の分析精度を向上させる上で極めて重要である。

本発明は、ファブリペロー干渉フィルタによる分光精度を向上させることができる分光ユニット及び分光モジュールを提供することを目的とする。

本発明の分光ユニットは、筐体と、筐体に設けられた光入射部と、筐体内に配置され、互いの距離が可変とされた第１ミラー部及び第２ミラー部を有するファブリペロー干渉フィルタと、を備え、光入射部は、アパーチャが形成されたアパーチャ部と、アパーチャとファブリペロー干渉フィルタとの間に配置されたバンドパスフィルタと、を有し、アパーチャ部は、第１ミラー部及び第２ミラー部の対向方向におけるアパーチャの長さを対向方向に垂直な方向におけるアパーチャの幅で除した値が０．５以上となるように、且つアパーチャを通過した光の全てがバンドパスフィルタに入射するように、構成されている。

この分光ユニットでは、アパーチャの長さをアパーチャの幅で除した値が０．５以上となるように、且つアパーチャを通過した光の全てがバンドパスフィルタに入射するように、アパーチャ部が構成されている。そのため、アパーチャを通過した光の全てが、その入射角度の範囲が狭められた状態でバンドパスフィルタに入射することになる。これにより、バンドパスフィルタが適切に機能し、所望の波長範囲の光が、その入射角度の範囲が狭められた状態でファブリペロー干渉フィルタに入射することになる。したがって、ファブリペロー干渉フィルタによって得られる分光スペクトルにおいて分解能が向上する。よって、この分光ユニットによれば、ファブリペロー干渉フィルタによる分光精度を向上させることができる。

本発明の分光ユニットでは、アパーチャ部は、アパーチャを通過してバンドパスフィルタを透過した光の全てがファブリペロー干渉フィルタに入射するように、構成されていてもよい。これによれば、筐体内において迷光が発生するのを抑制することができる。

本発明の分光ユニットでは、対向方向から見た場合に、アパーチャの外縁は、ファブリペロー干渉フィルタの光透過領域の外縁の内側に位置していてもよい。これによれば、アパーチャを通過した光のうちファブリペロー干渉フィルタの光透過領域を透過する光の割合を増加させることができる。

本発明の分光ユニットは、筐体内に配置され、ファブリペロー干渉フィルタを透過した光を検出する光検出器を更に備えてもよい。これによれば、迷光に起因するノイズの発生を抑制しつつ、分光された光を精度良く検出することができる。また、光検出器が筐体内に配置されているため、光検出器を備える分光ユニットの小型化を図ることができる。

本発明の分光ユニットでは、アパーチャの光入射開口及び光出射開口は、円形状を呈していてもよい。これによれば、所望の性能を有するアパーチャを容易に形成することができる。

本発明の分光ユニットでは、アパーチャの径は、光入射開口と光出射開口との間において一定であってもよい。或いは、アパーチャの径は、光入射開口から光出射開口に向かって一定の変化率で変化していてもよい。或いは、アパーチャの径は、光入射開口から光出射開口に向かって０以上の変化率で変化しており、変化率は、光入射開口と光出射開口との間において連続しており、光入射開口と光出射開口との間の少なくとも一部において変化していてもよい。これらの場合にも、所望の性能を有するアパーチャを容易に形成することができる。

本発明の分光ユニットでは、アパーチャ内の領域は、空間であってもよい。これによれば、アパーチャを通過することによる光の損失を防止することができる。

本発明の分光ユニットは、筐体と別体で形成され、アパーチャ部が設けられたアパーチャ部材を更に備えてもよい。これによれば、好適な材料の選択等、アパーチャ部の設計の自由度を向上させることができる。また、筐体に大きな光入射開口を形成することで筐体内におけるファブリペロー干渉フィルタの位置精度を緩和しつつ、アパーチャとファブリペロー干渉フィルタとの位置関係を調整することができる。

本発明の分光ユニットでは、アパーチャ部材には、筐体を位置決めする位置決め部が設けられていてもよい。これによれば、振動等によってアパーチャとファブリペロー干渉フィルタとの位置関係にずれが生じるのを防止することができる。また、アパーチャ部及び位置決め部がアパーチャ部材に設けられているため、アパーチャ部と位置決め部との間の位置精度を確保することができる。

本発明の分光ユニットでは、アパーチャ部材には、光源が配置される孔が形成されていてもよい。これによれば、孔及びアパーチャがアパーチャ部材に形成されているため、光源とアパーチャとの間の位置精度を確保することができる。

本発明の分光ユニットでは、アパーチャ部材は、筐体を収容するパッケージの少なくとも一部を構成していてもよい。これによれば、筐体内において迷光が発生するのをより確実に抑制することができる。

本発明の分光ユニットでは、バンドパスフィルタは、筐体の一部を介してアパーチャ部から離間していてもよい。これによれば、バンドパスフィルタが筐体内に配置されることになるため、物理的干渉等からバンドパスフィルタを保護することができる。

本発明の分光ユニットでは、バンドパスフィルタは、アパーチャ部に接触していてもよい。これによれば、アパーチャを通過した光の全てをより確実にバンドパスフィルタに入射させることができる。

本発明の分光ユニットでは、アパーチャ部は、筐体と一体で形成されていてもよい。これによれば、振動等によってアパーチャとファブリペロー干渉フィルタとの位置関係にずれが生じるのを単純な構成で防止することができる。

本発明の分光モジュールは、上述した分光ユニットと、光源と、分光ユニットの筐体、及び光源を収容するパッケージと、を備え、アパーチャの光入射開口及び光源の光出射部は、互いに隣り合うようにパッケージの外表面に沿って配置されている。

この分光モジュールによれば、ファブリペロー干渉フィルタによる分光精度が向上した反射型の分光モジュールを実現することができる。

本発明の分光モジュールでは、アパーチャの光入射開口及び光源の光出射部は、外表面に形成された凹部内に位置していてもよい。これによれば、アパーチャ部材の外表面を対象物に接触させた状態でも、凹部内の領域が光路として確保されるため、対象物への光の照射、及び対象物で反射された光の検出を実施することができる。

本発明の分光モジュールでは、アパーチャは、凹部の第１部分の底面に形成されていてもよい。これによれば、アパーチャ部材の外表面を対象物に接触させた状態でも、対象物で反射された光をアパーチャに確実に入射させることができる。

本発明の分光モジュールでは、第１部分よりも深い凹部の第２部分の底面には、光源が配置される孔が形成されていてもよい。これによれば、アパーチャ部材の外表面を対象物に接触させた状態でも、光源から出射された光を対象物に十分に照射することができる。

本発明の分光モジュールでは、第２部分の底面と凹部の側面との間には、凹状の曲面が形成されていてもよい。これによれば、凹状の曲面で反射された光も対象物に照射されるため、光源から出射された光を対象物により十分に照射することができる。

本発明の分光モジュールでは、対向方向から見た場合に、孔は、アパーチャを含む大きさを有していてもよい。これによれば、光源から出射された光を広範囲に渡って対象物に照射することができる。

本発明によれば、ファブリペロー干渉フィルタによる分光精度を向上させることができる分光ユニット及び分光モジュールを提供することが可能となる。

一実施形態の分光モジュールに適用される光検出装置の断面図である。 図２に示されるファブリペロー干渉フィルタの斜視図である。 図３に示されるIII－III線に沿っての断面図である。 一実施形態の分光モジュールの側面図である。 図４に示される分光モジュールの一部分の断面図である。 図４に示される分光モジュールの一部分の底面図である。 図５に示される分光ユニットの断面図である。 変形例のアパーチャ部の断面図である。 変形例の光入射部の断面図である。

以下、本発明の実施形態について、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。
［光検出装置］

一実施形態の分光モジュールの説明に先立って、当該分光モジュールに適用される光検出装置について説明する。図１に示されるように、光検出装置１は、筐体２を備えている。本実施形態では、筐体２は、ステム３及びキャップ４を有するＣＡＮパッケージである。キャップ４は、一体で形成された側壁５及び天壁６を有している。ステム３及びキャップ４の材料は、例えば金属である。キャップ４は、ラインＬを中心線とする円筒状を呈している。

ステム３の内面３ａには、配線基板７が固定されている。配線基板７の基板材料は、例えば、シリコン、セラミック、石英、ガラス又はプラスチック等である。配線基板７上には、光検出器８、及びサーミスタ等の温度検出器（図示省略）が実装されている。光検出器８は、その受光部の中心線がラインＬに一致するように筐体２内に配置されている。本実施形態では、光検出器８は、赤外線検出器であり、例えば、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、サーモパイル又はボロメータ等の受光素子によって構成されている。なお、光検出器８は、紫外、可視、近赤外の光を検出する場合には、例えばＳｉフォトダイオード等の受光素子によって構成されていてもよい。また、光検出器８は、１つの受光素子によって構成されていてもよいし、或いは、複数の受光素子によって構成されていてもよい。

配線基板７上には、複数のスペーサ９が固定されている。スペーサ９の材料は、例えば、シリコン、セラミック、石英、ガラス又はプラスチック等である。複数のスペーサ９上には、ファブリペロー干渉フィルタ１０が固定されている。ファブリペロー干渉フィルタ１０は、その光透過領域１０ａの中心線がラインＬに一致するように筐体２内に配置されている。なお、複数のスペーサ９は、配線基板７と一体で形成されていてもよい。また、ファブリペロー干渉フィルタ１０は、１つのスペーサ９上に固定されていてもよい。

ステム３には、複数のリードピン１１が固定されている。各リードピン１１は、ステム３との間で電気絶縁性及び気密性が維持された状態で、ステム３を貫通している。各リードピン１１は、ワイヤ１２を介して、配線基板７の電極パッド及びファブリペロー干渉フィルタ１０の端子のそれぞれと電気的に接続されている。これにより、ファブリペロー干渉フィルタ１０、光検出器８及び温度検出器のそれぞれに対する電気信号の入出力等が可能となっている。

筐体２には、開口２ａが形成されている。開口２ａは、その中心線がラインＬに一致するようにキャップ４の天壁６に形成されている。本実施形態では、開口２ａは、ラインＬに平行な方向から見た場合に、円形状を呈している。天壁６の内面６ａには、開口２ａを塞ぐように光透過部材１３が接合されている。光透過部材１３の材料は、例えばガラス等である。光透過部材１３は、ラインＬに平行な方向において互いに対向する光入射面１３ａ及び光出射面１３ｂ、並びに側面１３ｃを有している。光入射面１３ａは、開口２ａにおいてキャップ４の天壁６の外面と略面一となっている。側面１３ｃは、キャップ４の側壁５の内面５ａに接触している。このような光透過部材１３は、開口２ａを下側にした状態でキャップ４の内側にガラスペレットを配置し、そのガラスペレットを溶融させることで、形成される。

光透過部材１３の光出射面１３ｂには、光透過性材料からなる接着部材１５によって、バンドパスフィルタ１４が固定されている。バンドパスフィルタ１４は、光透過部材１３を透過した光のうち、光検出装置１の測定波長範囲の光（所定の波長範囲の光であって、ファブリペロー干渉フィルタ１０の光透過領域１０ａに入射させるべき光）を選択的に透過させる。本実施形態では、バンドパスフィルタ１４は、四角形板状を呈している。バンドパスフィルタ１４は、ラインＬと平行な方向において互いに対向する光入射面１４ａ及び光出射面１４ｂ、並びに４つの側面１４ｃを有している。バンドパスフィルタ１４は、例えばシリコン又はガラス等からなる光透過部材、及び光透過部材の表面に形成された誘電体多層膜によって、構成されている。誘電体多層膜は、高屈折材料（例えばＴｉＯ_２又はＴａ_２Ｏ_５等）からなる膜、及び低屈折材料（例えばＳｉＯ_２又はＭｇＦ_２等）からなる膜によって、構成されている。

接着部材１５は、第１部分１５ａ及び第２部分１５ｂを有している。第１部分１５ａは、接着部材１５のうち、光透過部材１３の光出射面１３ｂとバンドパスフィルタ１４の光入射面１４ａとの間に配置された部分である。第２部分１５ｂは、接着部材１５のうち、光透過部材１３の光出射面１３ｂにおいてバンドパスフィルタ１４の側面１４ｃとキャップ４の側壁５の内面５ａとの間に配置された部分である。

以上のように構成された光検出装置１においては、筐体２の外部から、開口２ａ、光透過部材１３及び接着部材１５を介して、バンドパスフィルタ１４に光が入射すると、所定の波長範囲の光のみがバンドパスフィルタ１４を透過する。バンドパスフィルタ１４を透過した光は、ファブリペロー干渉フィルタ１０の光透過領域１０ａに入射して、後述する第１ミラー部３５と第２ミラー部３６との間の距離に応じた波長の光が光透過領域１０ａを透過する。光透過領域１０ａを透過した光は、光検出器８の受光部に入射して、光検出器８によって検出される。したがって、ファブリペロー干渉フィルタ１０において第１ミラー部３５と第２ミラー部３６との間の距離を変化させながら、光透過領域１０ａを透過した光の強度を光検出器８において検出することで、分光スペクトルを得ることができる。
［ファブリペロー干渉フィルタ］

上述したファブリペロー干渉フィルタ１０について、より詳細に説明する。図２及び図３に示されるように、ファブリペロー干渉フィルタ１０には、第１ミラー部３５と第２ミラー部３６との間の距離に応じた波長の光を透過させる光透過領域１０ａが設けられている。光透過領域１０ａは、例えば、ラインＬを中心線とする円柱状の領域である。

ファブリペロー干渉フィルタ１０は、基板２１を備えている。基板２１は、例えば矩形板状を呈している。基板２１の材料は、例えば、シリコン、石英又はガラス等である。基板２１は、ラインＬに平行な方向において互いに対向する第１表面２１ａ及び第２表面２１ｂを有している。第１表面２１ａは、光入射側（バンドパスフィルタ１４側）の表面である。第２表面２１ｂは、光出射側（光検出器８側）の表面である。

基板２１の第１表面２１ａには、第１層構造体３０が配置されている。第１層構造体３０は、第１反射防止層３１、第１積層体３２、第１中間層３３及び第２積層体３４がこの順序で第１表面２１ａに積層されることで、構成されている。第１積層体３２と第２積層体３４との間には、枠状の第１中間層３３によって空隙（エアギャップ）Ｓが形成されている。基板２１の材料がシリコンである場合には、第１反射防止層３１及び第１中間層３３の材料は、例えば、酸化シリコンである。第１中間層３３の厚さは、例えば数十ｎｍ～数十μｍである。

第１積層体３２のうち光透過領域１０ａに対応する部分は、第１ミラー部３５として機能する。第１積層体３２は、複数のポリシリコン層と複数の窒化シリコン層とが一層ずつ交互に積層されることで、構成されている。第１ミラー部３５を構成するポリシリコン層及び窒化シリコン層のそれぞれの光学厚さは、光透過領域１０ａを透過する光の中心透過波長の１／４の整数倍であることが好ましい。なお、第１ミラー部３５は、第１反射防止層３１を介することなく、基板２１の第１表面２１ａに配置されていてもよい。

第２積層体３４のうち光透過領域１０ａに対応する部分は、第２ミラー部３６として機能する。第２ミラー部３６は、ラインＬに平行な方向において、空隙Ｓを介して第１ミラー部３５と対向している。第２積層体３４は、複数のポリシリコン層と複数の窒化シリコン層とが一層ずつ交互に積層されることで、構成されている。第２ミラー部３６を構成するポリシリコン層及び窒化シリコン層のそれぞれの光学厚さは、光透過領域１０ａを透過する光の中心透過波長の１／４の整数倍であることが好ましい。

なお、第１積層体３２及び第２積層体３４においては、窒化シリコン層の代わりに酸化シリコン層が配置されていてもよい。また、第１積層体３２及び第２積層体３４を構成する各層の材料は、上述した材料に限定されず、例えば、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、フッ化マグネシウム、酸化アルミニウム、フッ化カルシウム、シリコン、ゲルマニウム又は硫化亜鉛等であってもよい。

第２積層体３４において空隙Ｓに対応する部分には、複数の貫通孔３４ｂが形成されている。各貫通孔３４ｂは、第２積層体３４における第１積層体３２とは反対側の表面３４ａから空隙Ｓに至っている。複数の貫通孔３４ｂは、第２ミラー部３６の機能に実質的に影響を与えない程度に形成されている。複数の貫通孔３４ｂは、エッチングによって第１中間層３３の一部を除去することで空隙Ｓを形成するために用いられたものである。

第１積層体３２には、光透過領域１０ａを囲むように第１電極２２が形成されている。第１積層体３２には、光透過領域１０ａを含むように第２電極２３が形成されている。第１電極２２及び第２電極２３は、第１積層体３２のうち空隙Ｓに最も近いポリシリコン層に不純物をドープして低抵抗化することで、形成されている。第２積層体３４には、空隙Ｓを介して第１電極２２及び第２電極２３と対向するように第３電極２４が形成されている。第３電極２４は、第２積層体３４のうち空隙Ｓに最も近いポリシリコン層に不純物をドープして低抵抗化することで、形成されている。なお、第２電極２３は、光透過領域１０ａと略同一以上の大きさを有していればよい。

第１層構造体３０には、１対の第１端子２５及び１対の第２端子２６が設けられている。１対の第１端子２５は、光透過領域１０ａを挟んで互いに対向している。各第１端子２５は、第２積層体３４の表面３４ａから第１積層体３２に至る貫通孔内に配置されている。各第１端子２５は、第１積層体３２に形成された配線２２ａを介して第１電極２２と電気的に接続されている。１対の第２端子２６は、１対の第１端子２５が互いに対向する方向に垂直な方向において、光透過領域１０ａを挟んで互いに対向している。各第２端子２６は、第２積層体３４の表面３４ａから第１中間層３３の内部に至る貫通孔内に配置されている。各第２端子２６は、第１積層体３２に形成された配線２３ａを介して第２電極２３と電気的に接続されていると共に、第２積層体３４に形成された配線２４ａを介して第３電極２４と電気的に接続されている。

第１積層体３２における第２積層体３４側の表面３２ａには、トレンチ２７，２８が設けられている。トレンチ２７は、配線２３ａにおける第２端子２６との接続部分を囲むように環状に延在している。トレンチ２７は、第１電極２２と配線２３ａとを電気的に絶縁している。トレンチ２８は、第１電極２２の内縁に沿って環状に延在している。トレンチ２８は、第１電極２２と第１電極２２の内側の領域（すなわち、第２電極２３が存在する領域）とを電気的に絶縁している。第２積層体３４の表面３４ａには、トレンチ２９が設けられている。トレンチ２９は、第１端子２５を囲むように環状に延在している。トレンチ２９は、第１端子２５と第３電極２４とを電気的に絶縁している。各トレンチ２７，２８，２９内の領域は、絶縁材料であってもよいし、或いは、空隙であってもよい。

基板２１の第２表面２１ｂには、第２層構造体４０が配置されている。第２層構造体４０は、第２反射防止層４１、第３積層体４２、第２中間層４３及び第４積層体４４がこの順序で第２表面２１ｂに積層されることで、構成されている。第２反射防止層４１、第３積層体４２、第２中間層４３及び第４積層体４４は、それぞれ、第１反射防止層３１、第１積層体３２、第１中間層３３及び第２積層体３４と同様の構成を有している。つまり、第２層構造体４０は、基板２１を基準として第１層構造体３０と対称の積層構造を有している。第２層構造体４０は、第１層構造体３０と対応するように構成されることで、ファブリペロー干渉フィルタ１０が反るのを抑制している。

第３積層体４２、第２中間層４３及び第４積層体４４には、光透過領域１０ａを含むように開口４０ａが形成されている。開口４０ａは、例えば、ラインＬを中心線とする円柱状を呈しており、光透過領域１０ａと略同一の径を有している。開口４０ａは、光出射側に開口しており、開口４０ａの底面は、第２反射防止層４１に至っている。開口４０ａは、第１ミラー部３５及び第２ミラー部３６を透過した光を通過させる。

第４積層体４４の光出射側の表面には、遮光層４５が形成されている。遮光層４５の材料は、例えばアルミニウム等である。遮光層４５の表面及び開口４０ａの内面には、保護層４６が形成されている。保護層４６の材料は、例えば酸化アルミニウムである。なお、保護層４６の厚さを１～１００ｎｍ（好ましくは、３０ｎｍ程度）にすることで、保護層４６による光学的な影響を無視することができる。

以上のように構成されたファブリペロー干渉フィルタ１０においては、第１端子２５と第２端子２６との間に電圧が印加されると、第１電極２２と第３電極２４との間に電位差が生じ、当該電位差に応じた静電気力が第１電極２２と第３電極２４との間に発生する。これにより、基板２１に固定された第１ミラー部３５側に第２ミラー部３６が引き付けられ、第１ミラー部３５と第２ミラー部３６との間の距離が変化する。このとき、第２電極と第３電極２４との間には電位差が生じないため、光透過領域１０ａにおける第２ミラー部３６の平坦性が確保される。このように、ファブリペロー干渉フィルタ１０では、第１ミラー部３５及び第２ミラー部３６の互いの距離が可変とされている。ここで、光透過領域１０ａを透過する光の波長は、第１ミラー部３５と第２ミラー部３６との間の距離に依存する。したがって、第１端子２５と第２端子２６との間に印加する電圧を調整することで、光透過領域１０ａを透過する光の波長を調整することができる。
［分光モジュール］

上述した光検出装置１が適用された一実施形態の分光モジュールについて説明する。以下の説明では、第１ミラー部３５及び第２ミラー部３６の対向方向（本実施形態では、ラインＬに平行な方向）を方向Ａという。

図４に示されるように、分光モジュール５０は、光検出装置１と、光源５１と、配線基板５２と、パッケージ５３と、を備えている。光源５１は、対象物２００に照射する光を出射する。光源５１は、例えば、近赤外～中赤外の波長範囲の光を出射する赤外線ランプである。配線基板５２には、光検出装置１の複数のリードピン１１及び光源５１の複数のリードピンが電気的に接続されている。パッケージ５３は、光検出装置１、光源５１、配線基板５２、無線通信用基板（図示省略）及び電池ケース（図示省略）等を収容している。パッケージ５３は、パッケージ本体５４及びアパーチャ部材６０によって構成されている。光検出装置１及び光源５１は、パッケージ５３の一部を構成するアパーチャ部材６０に支持されている。すなわち、分光モジュール５０では、アパーチャ部材６０が支持体として機能している。なお、パッケージ本体５４には、測定を開始させるためのスイッチ５５が設けられている。

図５及び図６に示されるように、アパーチャ部材６０は、その外表面６０ａがパッケージ本体５４の外表面５４ａと面一となった状態で、パッケージ本体５４の開口部５４ｂに取り付けられている。より具体的には、アパーチャ部材６０の本体部６１が開口部５４ｂ内に配置され且つアパーチャ部材６０のフランジ部６２が開口部５４ｂに内側から接触した状態で、ボルト（図示省略）等によってアパーチャ部材６０が開口部５４ｂに固定されている。本実施形態では、フランジ部６２は、本体部６１におけるアパーチャ部材６０の内表面６０ｂ側の部分に一体で形成されている。

アパーチャ部材６０の外表面６０ａには、パッケージ５３の外側に開口する凹部６３が形成されている。凹部６３は、第１部分６４及び第２部分６５によって構成されている。第２部分６５は、第１部分６４よりも深い。第２部分６５の底面６５ａと凹部６３の側面６３ａとの間には、凹状の曲面６３ｂが形成されている。凹状の曲面６３ｂは、底面６５ａ及び側面６３ａによって形成される隅部に施されたラウンド状の面取り面に相当する形状を呈している。アパーチャ部材６０の内表面６０ｂには、パッケージ５３の内側に開口する凹部６６が形成されている。方向Ａから見た場合に、凹部６６の外縁は、凹部６３の第１部分６４の外縁の外側に位置している。凹部６６は、凹部６３の第２部分６５と連通している。

凹部６３の第１部分６４の底面６４ａには、アパーチャ７１が形成されている。アパーチャ７１は、第１部分６４の底面６４ａ及び凹部６６の底面６６ａに開口している。凹部６３の第２部分６５の底面６５ａには、孔６７が形成されている。孔６７は、第２部分６５の底面６５ａ及びアパーチャ部材６０の内表面６０ｂに開口している。孔６７におけるアパーチャ部材６０の内表面６０ｂ側の部分は、方向Ａに垂直な方向における幅が拡幅された拡幅部６７ａとなっている。方向Ａから見た場合に、孔６７は、アパーチャ７１を含む大きさを有している。つまり、方向Ａに垂直な断面における孔６７及びアパーチャ７１のそれぞれの形状が円形状である場合には、当該断面における孔６７の最小径は、当該断面におけるアパーチャ７１の最大径よりも大きい。

凹部６６には、光検出装置１の筐体２が配置されている。より具体的には、筐体２の開口２ａがアパーチャ７１に臨んだ状態で、筐体２のキャップ４が凹部６６に配置されている。これにより、方向Ａにおける筐体２の位置及び方向Ａに垂直な方向における筐体２の位置が位置決めされている。本実施形態では、アパーチャ部材６０のうち凹部６６の周囲部分が、筐体２を位置決めする位置決め部６８として機能している。

孔６７には、光源５１が配置されている。より具体的には、光源５１の光出射部５１ａが凹部６３の第２部分６５に配置され且つ光源５１のリードピン保持部５１ｂが孔６７の拡幅部６７ａに配置された状態で、光源５１が孔６７に配置されている。これにより、方向Ａにおける光出射部５１ａの位置及び方向Ａに垂直な方向における光出射部５１ａの位置が位置決めされている。本実施形態では、アパーチャ部材６０のうち孔６７の周囲部分が、光出射部５１ａを位置決めする位置決め部６９として機能している。

以上のように構成された分光モジュール５０においては、アパーチャ７１の光入射開口７１ａ及び光源５１の光出射部５１ａが、パッケージ５３の一部を構成するアパーチャ部材６０の外表面６０ａに形成された凹部６３内に位置している。つまり、アパーチャ７１の光入射開口７１ａ及び光源５１の光出射部５１ａは、互いに隣り合うようにパッケージ５３の外表面５３ａに沿って配置されている。

上述したアパーチャ７１について、より詳細に説明する。本実施形態では、図７に示されるように、アパーチャ部材６０のうち、凹部６３の第１部分６４の底面６４ａと凹部６６の底面６６ａとの間の部分が、アパーチャ７１が形成されたアパーチャ部７０として機能している。つまり、アパーチャ部７０は、光検出装置１の筐体２と別体で形成されたアパーチャ部材６０に設けられており、バンドパスフィルタ１４は、筐体２の一部であるキャップ４の天壁６を介してアパーチャ部７０から離間している。本実施形態では、アパーチャ部７０及びバンドパスフィルタ１４によって、筐体２に設けられた光入射部８０が構成されており、筐体２、光入射部８０、ファブリペロー干渉フィルタ１０及び光検出器８によって、分光ユニット１００が構成されている。

アパーチャ７１の光入射開口７１ａは、アパーチャ７１のうち、凹部６３の第１部分６４の底面６４ａに開口する部分である。アパーチャ７１の光出射開口７１ｂは、アパーチャ７１のうち、凹部６６の底面６６ａに開口する部分である。アパーチャ７１を通過する光（アパーチャ７１の内面での反射等を無視した理想的な状態でアパーチャ７１を通過する光）の入射角度及び出射角度は、光入射開口７１ａ及び光出射開口７１ｂによって画定される。換言すれば、光入射開口７１ａ及び光出射開口７１ｂは、アパーチャ７１を通過する光（アパーチャ７１の内面での反射等を無視した理想的な状態でアパーチャ７１を通過する光）の入射角度及び出射角度を画定する部分である。

アパーチャ部７０は、方向Ａにおけるアパーチャ７１の長さを方向Ａに垂直な方向におけるアパーチャ７１の幅で除した値（以下、「アパーチャ７１のアスペクト比」という）が０．５以上となるように、且つアパーチャ７１を通過した光（アパーチャ７１の内面での反射等を無視した理想的な状態でアパーチャ７１を通過する光）の全てがバンドパスフィルタ１４に入射するように、構成されている。更に、アパーチャ部７０は、アパーチャ７１を通過してバンドパスフィルタ１４を透過した光の全てがファブリペロー干渉フィルタ１０に入射するように、構成されていている。

方向Ａにおけるアパーチャ７１の長さとは、光入射開口７１ａと光出射開口７１ｂとの間の距離である。方向Ａに垂直な方向におけるアパーチャ７１の幅とは、光入射開口７１ａの有効径と光出射開口７１ｂの有効径との和の１／２の値である。光入射開口７１ａの有効径とは、光入射開口７１ａの形状が円形である場合にはその直径であり、光入射開口７１ａの形状が円形以外である場合にはその面積を有する円の直径である。同様に、光出射開口７１ｂの有効径とは、光出射開口７１ｂの形状が円形である場合にはその直径であり、光出射開口７１ｂの形状が円形以外である場合にはその面積を有する円の直径である。

方向Ａから見た場合に、アパーチャ７１の外縁は、ファブリペロー干渉フィルタ１０の光透過領域１０ａの外縁の内側に位置している。アパーチャ７１内の領域は、空間である。アパーチャ７１は、光の出射角度を画定する光出射開口７１ｂから方向Ａに沿って延び且つ幅が変化しない部分である。本実施形態では、アパーチャ７１の光入射開口７１ａ及び光出射開口７１ｂは、円形状を呈しており、アパーチャ７１の径は、光入射開口７１ａと光出射開口７１ｂとの間において一定である。つまり、アパーチャ７１内の領域は、円柱状を呈している。
［作用及び効果］

以上説明したように、分光ユニット１００では、アパーチャ７１のアスペクト比が０．５以上となるように、且つアパーチャ７１を通過した光の全てがバンドパスフィルタ１４に入射するように、アパーチャ部７０が構成されている。そのため、アパーチャ７１を通過した光の全てが、その入射角度の範囲が狭められた状態でバンドパスフィルタ１４に入射することになる。これにより、バンドパスフィルタ１４が適切に機能し、所望の波長範囲の光が、その入射角度の範囲が狭められた状態でファブリペロー干渉フィルタ１０に入射することになる。したがって、ファブリペロー干渉フィルタ１０によって得られる分光スペクトルにおいて分解能が向上する。よって、分光ユニット１００によれば、ファブリペロー干渉フィルタ１０による分光精度を向上させることができる。なお、分光スペクトルにおいて分解能を向上させる上では、アパーチャ７１のアスペクト比は、１以上であることが好ましく、２以上であることがより好ましい。

また、分光ユニット１００では、アパーチャ７１を通過してバンドパスフィルタ１４を透過した光の全てがファブリペロー干渉フィルタ１０に入射するように、アパーチャ部７０が構成されている。これにより、筐体２内において迷光が発生するのを抑制することができる。

また、分光ユニット１００では、方向Ａから見た場合に、アパーチャ７１の外縁が、ファブリペロー干渉フィルタ１０の光透過領域１０ａの外縁の内側に位置している。これにより、アパーチャ７１を通過した光のうちファブリペロー干渉フィルタ１０の光透過領域１０ａを透過する光の割合を増加させることができる。

また、分光ユニット１００では、ファブリペロー干渉フィルタ１０を透過した光を検出する光検出器８が筐体２内に配置されている。これにより、迷光に起因するノイズの発生を抑制しつつ、分光された光を精度良く検出することができる。また、光検出器８が筐体２内に配置されているため、光検出器８を備える分光ユニット１００の小型化を図ることができる。

また、分光ユニット１００では、アパーチャ７１の光入射開口７１ａ及び光出射開口７１ｂが円形状を呈している。これにより、所望の性能を有するアパーチャ７１を容易に形成することができる。

また、分光ユニット１００では、アパーチャ７１の径が、光入射開口７１ａと光出射開口７１ｂとの間において一定である。これにより、所望の性能を有するアパーチャ７１を容易に形成することができる。

また、分光ユニット１００では、アパーチャ７１内の領域が空間である。これにより、アパーチャ７１を通過することによる光の損失を防止することができる。

また、分光ユニット１００では、アパーチャ部７０が設けられたアパーチャ部材６０が、筐体２と別体で形成されている。これにより、好適な材料の選択等、アパーチャ部７０の設計の自由度を向上させることができる。また、筐体２に大きな開口２ａを形成することで筐体２内におけるファブリペロー干渉フィルタ１０の位置精度を緩和しつつ、アパーチャ７１とファブリペロー干渉フィルタ１０との位置関係を調整することができる。

また、分光ユニット１００では、筐体２を位置決めする位置決め部６８がアパーチャ部材６０に設けられている。これにより、振動等によってアパーチャ７１とファブリペロー干渉フィルタ１０との位置関係にずれが生じるのを防止することができる。また、アパーチャ部７０及び位置決め部６８がアパーチャ部材６０に設けられているため、アパーチャ部７０と位置決め部６８との間の位置精度を確保することができる。

また、分光ユニット１００では、光源５１が配置される孔６７がアパーチャ部材６０に形成されている。これにより、孔６７及びアパーチャ７１がアパーチャ部材６０に形成されているため、光源５１とアパーチャ７１との間の位置精度を確保することができる。

また、分光ユニット１００では、アパーチャ部材６０が、筐体２を収容するパッケージ５３の一部を構成している。これにより、筐体２内において迷光が発生するのをより確実に抑制することができる。

また、分光ユニット１００では、バンドパスフィルタ１４が、筐体２の一部を介してアパーチャ部７０から離間している。これにより、バンドパスフィルタ１４が筐体２内に配置されることになるため、物理的干渉等からバンドパスフィルタ１４を保護することができる。

また、分光モジュール５０では、アパーチャ７１の光入射開口７１ａ及び光源５１の光出射部５１ａが、互いに隣り合うようにパッケージ５３の外表面５３ａに沿って配置されている。よって、分光モジュール５０によれば、ファブリペロー干渉フィルタ１０による分光精度が向上した反射型の分光モジュール５０を実現することができる。

また、分光モジュール５０では、アパーチャ７１の光入射開口７１ａ及び光源５１の光出射部５１ａが、アパーチャ部材６０の外表面６０ａに形成された凹部６３内に位置していている。これにより、図５に示されるように、アパーチャ部材６０の外表面６０ａを対象物２００に接触させた状態でも、凹部６３内の領域が光路として確保されるため、対象物２００への光の照射、及び対象物２００で反射された光の検出を実施することができる。

また、分光モジュール５０では、凹部６３の第１部分６４の底面６４ａにアパーチャ７１が形成されている。これにより、アパーチャ部材６０の外表面６０ａを対象物２００に接触させた状態でも、対象物２００で反射された光をアパーチャ７１に確実に入射させることができる。

また、分光モジュール５０では、第１部分６４よりも深い凹部６３の第２部分６５の底面６５ａに、光源５１が配置される孔６７が形成されている。これにより、アパーチャ部材６０の外表面６０ａを対象物２００に接触させた状態でも、光源５１から出射された光を対象物２００に十分に照射することができる。

また、分光モジュール５０では、第２部分６５の底面６５ａと凹部６３の側面６３ａとの間に凹状の曲面６３ｂが形成されている。これにより、凹状の曲面６３ｂで反射された光も対象物２００に照射されるため、光源５１から出射された光を対象物２００により十分に照射することができる。

また、分光モジュール５０では、方向Ａから見た場合に、孔６７が、アパーチャ７１を含む大きさを有している。これにより、光源５１から出射された光を広範囲に渡って対象物２００に照射することができる。
［変形例］

本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、上述した反射型の分光モジュール５０は、アパーチャ部材６０の外表面６０ａを対象物２００に接触させずに、アパーチャ部材６０の外表面６０ａを対象物２００から離間させた状態でも、対象物２００への光の照射、及び対象物２００で反射された光の検出を実施することができる。また、分光ユニット１００は、光源５１から出射されて対象物２００を透過した光を検出する透過型の分光モジュール５０に適用されてもよい。また、分光ユニット１００が光検出器８を備えず、筐体２外に配置された光検出器８によって、ファブリペロー干渉フィルタ１０を透過した光が検出されてもよい。

また、アパーチャ部７０は、アパーチャ７１のアスペクト比が０．５以上となるように、且つアパーチャ７１を通過した光の全てが少なくともバンドパスフィルタ１４に入射するように、構成されていればよい。また、方向Ａから見た場合に、アパーチャ７１の外縁は、ファブリペロー干渉フィルタ１０の光透過領域１０ａの外縁の外側に位置していてもよい。その場合、筐体２内に入り込む光量を十分に確保することができる。

また、図８の（ａ）に示されるように、アパーチャ７１の径は、光入射開口７１ａから光出射開口７１ｂに向かって一定の縮小率（０よりも大きい一定の縮小率）で縮小していてもよい。つまり、アパーチャ７１内の領域は、光入射開口７１ａから光出射開口７１ｂに向かって径が縮小する円錐台状を呈していてもよい。また、図８の（ｂ）に示されるように、アパーチャ７１の径は、光入射開口７１ａから光出射開口７１ｂに向かって０以上の縮小率で縮小していてもよい。つまり、アパーチャ７１内の領域の一部が円柱状を呈していてもよい。その場合、縮小率は、光入射開口７１ａと光出射開口７１ｂとの間において連続しており（すなわち、段差がなく）、光入射開口７１ａと光出射開口７１ｂとの間の少なくとも一部において増加していてもよい。図８の（ｂ）に示されるアパーチャ７１では、光出射開口７１ｂを含む部分において縮小率が増加している。

また、アパーチャ７１の径は、光入射開口７１ａから光出射開口７１ｂに向かって一定の拡大率（０よりも大きい一定の拡大率）で拡大していてもよい。つまり、アパーチャ７１内の領域は、光入射開口７１ａから光出射開口７１ｂに向かって径が拡大する円錐台状を呈していてもよい。また、アパーチャ７１の径は、光入射開口７１ａから光出射開口７１ｂに向かって０以上の拡大率で縮小していてもよい。つまり、アパーチャ７１内の領域の一部が円柱状を呈していてもよい。その場合、拡大率は、光入射開口７１ａと光出射開口７１ｂとの間において連続しており（すなわち、段差がなく）、光入射開口７１ａと光出射開口７１ｂとの間の少なくとも一部（例えば、光入射開口７１ａを含む部分）において減少していてもよい。

つまり、アパーチャ７１の径は、光入射開口７１ａから光出射開口７１ｂに向かって一定の変化率で変化していてもよい。或いは、アパーチャ７１の径は、光入射開口７１ａから光出射開口７１ｂに向かって０以上の変化率で変化しており、変化率は、光入射開口７１ａと光出射開口７１ｂとの間において連続しており、光入射開口７１ａと光出射開口７１ｂとの間の少なくとも一部において変化していてもよい。いずれの場合にも、所望の性能を有するアパーチャ７１を容易に形成することができる。

また、図９の（ａ）に示されるように、バンドパスフィルタ１４は、アパーチャ部７０に接触していてもよい。図９の（ａ）に示される光入射部８０では、筐体２の開口２ａを覆うようにキャップ４の天壁６上にバンドパスフィルタ１４が配置されており、バンドパスフィルタ１４上にアパーチャ部７０が配置されている。バンドパスフィルタ１４がアパーチャ部７０に接触していると、アパーチャ７１を通過した光の全てをより確実にバンドパスフィルタ１４に入射させることができる。なお、図９の（ａ）に示される光入射部８０においても、アパーチャ部７０は、筐体２と別体で形成されたアパーチャ部材６０である。また、図９の（ｂ）に示されるように、アパーチャ部７０は、筐体２と一体で形成されていてもよい。図９の（ｂ）に示される光入射部８０では、キャップ４の天壁６がアパーチャ部７０として機能しており、天壁６に形成された開口２ａがアパーチャ７１として機能している。アパーチャ部７０が筐体２と一体で形成されていると、振動等によってアパーチャ７１とファブリペロー干渉フィルタ１０との位置関係にずれが生じるのを単純な構成で防止することができる。なお、図９の（ｂ）に示される光入射部８０では、接着部材１５によって天壁６の内面６ａに光透過部材１３が固定されており、光透過部材１３の光出射面１３ｂにバンドパスフィルタ１４が固定されているが、接着部材１５によって天壁６の内面６ａにバンドパスフィルタ１４が固定されていてもよい。また、光入射部８０において、アパーチャ７１とバンドパスフィルタ１４との間に空間が設けられていてもよい。また、アパーチャ７１内に、例えばレンズ及び／又は光ファイバ等が配置されてもよい。

２…筐体、８…光検出器、１０…ファブリペロー干渉フィルタ、１０ａ…光透過領域、１４…バンドパスフィルタ、３５…第１ミラー部、３６…第２ミラー部、５０…分光モジュール、５１…光源、５１ａ…光出射部、５３…パッケージ、５３ａ…外表面、６０…アパーチャ部材、６０ａ…外表面、６３…凹部、６３ａ…側面、６３ｂ…曲面、６４…第１部分、６４ａ…底面、６５…第２部分、６５ａ…底面、６７…孔、６８…位置決め部、７０…アパーチャ部、７１…アパーチャ、７１ａ…光入射開口、７１ｂ…光出射開口、８０…光入射部、１００…分光ユニット。

Claims (22)

1. 筐体と、
   前記筐体に設けられた光入射部と、
   前記筐体内に配置され、互いの距離が可変とされた第１ミラー部及び第２ミラー部を有するファブリペロー干渉フィルタと、を備え、
   前記光入射部は、アパーチャが形成されたアパーチャ部と、前記アパーチャと前記ファブリペロー干渉フィルタとの間に配置されたバンドパスフィルタと、を有し、
   前記アパーチャ部は、前記第１ミラー部及び前記第２ミラー部の対向方向における前記アパーチャの長さを前記対向方向に垂直な方向における前記アパーチャの幅で除した値が０．５以上となるように、構成されており、
   前記対向方向から見た場合に、前記アパーチャの外縁は、前記バンドパスフィルタの外縁の内側に位置している、分光ユニット。
2. 前記アパーチャ部は、前記アパーチャを通過して前記バンドパスフィルタを透過した前記光の全てが前記ファブリペロー干渉フィルタに入射するように、構成されている、請求項１に記載の分光ユニット。
3. 前記筐体内に配置され、前記ファブリペロー干渉フィルタを透過した光を検出する光検出器を更に備える、請求項１又は２に記載の分光ユニット。
4. 前記アパーチャの光入射開口及び光出射開口は、円形状を呈している、請求項１～３のいずれか一項に記載の分光ユニット。
5. 前記アパーチャの径は、前記光入射開口と前記光出射開口との間において一定である、請求項４に記載の分光ユニット。
6. 前記アパーチャの径は、前記光入射開口から前記光出射開口に向かって一定の変化率で変化している、請求項４に記載の分光ユニット。
7. 前記アパーチャの径は、前記光入射開口から前記光出射開口に向かって０以上の変化率で変化しており、
   前記変化率は、前記光入射開口と前記光出射開口との間において連続しており、前記光入射開口と前記光出射開口との間の少なくとも一部において変化している、請求項４に記載の分光ユニット。
8. 前記アパーチャ内の領域は、空間である、請求項１～７のいずれか一項に記載の分光ユニット。
9. 前記筐体と別体で形成され、前記アパーチャ部が設けられたアパーチャ部材を更に備える、請求項１～８のいずれか一項に記載の分光ユニット。
10. 前記アパーチャ部材には、前記筐体を位置決めする位置決め部が設けられている、請求項９に記載の分光ユニット。
11. 前記アパーチャ部材には、光源が配置される孔が形成されている、請求項９又は１０に記載の分光ユニット。
12. 前記アパーチャ部材は、前記筐体を収容するパッケージの少なくとも一部を構成している、請求項９～１１のいずれか一項に記載の分光ユニット。
13. 前記バンドパスフィルタは、前記筐体の一部を介して前記アパーチャ部から離間している、請求項９～１２のいずれか一項に記載の分光ユニット。
14. 前記バンドパスフィルタは、前記アパーチャ部に接触している、請求項９～１２のいずれか一項に記載の分光ユニット。
15. 前記アパーチャ部は、前記筐体と一体で形成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の分光ユニット。
16. 前記アパーチャ部は、前記筐体と別体で形成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の分光ユニット。
17. 請求項１～１６のいずれか一項に記載の分光ユニットと、
    光源と、
    前記分光ユニットの前記筐体、及び前記光源を収容するパッケージと、を備え、
    前記アパーチャの光入射開口及び前記光源の光出射部は、互いに隣り合うように前記パッケージの外表面に沿って配置されている、分光モジュール。
18. 前記アパーチャの前記光入射開口及び前記光源の前記光出射部は、前記外表面に形成された凹部内に位置している、請求項１７に記載の分光モジュール。
19. 前記アパーチャは、前記凹部の第１部分の底面に形成されている、請求項１８に記載の分光モジュール。
20. 前記第１部分よりも深い前記凹部の第２部分の底面には、前記光源が配置される孔が形成されている、請求項１９に記載の分光モジュール。
21. 前記第２部分の前記底面と前記凹部の側面との間には、凹状の曲面が形成されている、請求項２０に記載の分光モジュール。
22. 前記対向方向から見た場合に、前記孔は、前記アパーチャを含む大きさを有している、請求項２０又は２１に記載の分光モジュール。

Images