JP4891841B2 - 分光モジュール - Google Patents

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、例えば特許文献１には、光を透過させる支持体と、支持体に光を入射させる入射スリット部と、支持体に入射した光を分光して反射する凹面回折格子と、凹面回折格子によって分光されて反射された光を検出するダイオードと、を備えるものが開示されている。
特許第３１１９９１７号公報

しかしながら、上述したような分光モジュールにあっては、入射スリット部及びダイオードが支持体に取り付けられるに際し、入射スリット部とダイオードとの相対的な位置関係にずれが生じ、分光モジュールの信頼性が低下するおそれがある。

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、光を透過させる本体部と、本体部の所定の面から本体部に入射した光を分光して所定の面側に反射する分光部と、所定の面上に支持され、分光部によって分光されて反射された光を検出する光検出素子と、を備え、光検出素子は、本体部に入射する光が通過する光通過開口を有し、光通過開口には、本体部に入射する光を導光する光学素子が配置されており、所定の面上には、本体部に入射する光が通過する第１の光通過孔、及び光検出素子の光検出部に入射する光が通過する第２の光通過孔を有する光吸収層が形成されており、本体部は、所定の面を有する第１の光透過部材、及び分光部が形成された第２の光透過部材を有し、分光部は、第２の光透過部材の球面状の外側表面に形成された回折層、及び回折層の外側表面に形成された反射層を有することを特徴とする。

この分光モジュールでは、本体部に入射する光が通過する光通過開口を光検出素子が有している。そのため、光通過開口と光検出素子の光検出部との相対的な位置関係にずれが生じるのを防止することができる。しかも、本体部に入射する光を導光する光学素子が光通過開口に配置されている。そのため、本体部に入射すべき光の一部が光通過開口の光入射側縁部で遮られるようなことなく、本体部に入射すべき光を確実に導光することができる。従って、この分光モジュールによれば、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、光学素子の光入射端面は、光検出素子から突出していることが好ましい。このような構成によれば、本体部に入射すべき光をより一層確実に導光することができる。

本発明に係る分光モジュールにおいては、光通過開口は、所定の面の反対側に形成された凹部、及び凹部の底面に形成された貫通孔を有し、光学素子は、凹部に配置されていることが好ましい。このような構成によれば、本体部に入射すべき光の確実な導光を実現しつつ、貫通孔をスリット化することができる。

本発明に係る分光モジュールにおいては、所定の面には、本体部に入射する光が通過する光通過孔を有する光吸収層が形成されており、光学素子は、その光出射端面が光通過孔と対向した状態で光吸収層に当接していることが好ましい。このような構成によれば、本体部に入射すべき光の確実な導光を実現しつつ、光通過孔をスリット化することができる。

本発明に係る分光モジュールにおいては、光学素子は、光ファイバであることが好ましい。これにより、光ファイバの光入射端面で受けた光を光ファイバのコア径のまま導光することができる。このとき、光ファイバは、バンドルファイバであることが好ましい。これにより、本体部に入射する光の光量を増加させることができる。

本発明によれば、信頼性を向上させることが可能となる。

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。
［第１の実施形態］

図１及び２に示されるように、分光モジュール１は、光を透過させる本体部２と、本体部２の前面（所定の面）２ａから本体部２に入射した光Ｌ１を分光して前面２ａ側に反射する分光部３と、前面２ａ上に支持され、分光部３によって分光されて反射された光Ｌ２を検出する光検出素子４と、を備えている。分光モジュール１は、光Ｌ１を分光部３で複数の光Ｌ２に分光し、その光Ｌ２を光検出素子４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。

本体部２は、前面２ａと略直交する方向に積層された光透過部材２_１，２_２を有している。光透過部材２_１，２_２は、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、石英等の光透過性ガラス等によって長方形薄板状に形成されている。光透過部材２_２は、光透過部材２_１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、或いはレプリカ成型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おり、例えば、光透過部材２_１と同一の材料からなる場合には、光学樹脂やダイレクトボンディングによって本体部２に貼り合わされている。光透過部材２_２は、分光部３によって分光されて反射された光Ｌ２を光検出素子４の光検出部４ａに結像するレンズとして機能する。

分光部３は、光透過部材２_２の外側表面に形成された回折層１４、及び回折層１４の外側表面に形成された反射層５を有する反射型グレーティングである。回折層１４は、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、例えば、光透過部材２_２の外側表面に感光性樹脂を塗布し、石英等からなる光透過性モールド（グレーティングの鋳型）を用いて感光性樹脂をＵＶ硬化させることで形成される。回折層１４は、ＵＶ硬化後に加熱キュアすると、より一層安定した素材となる。反射層５は、膜状であって、例えば、回折層１４の外側表面にＡｌやＡｕ等を蒸着することで形成される。なお、回折層１４の材料は、感光性樹脂に限定されず、感光性ガラス、感光性の無機・有機ハイブリッド材料、或いは熱で変形するような樹脂、ガラス若しくは無機・有機ハイブリッド材料等であってもよい。

光検出素子４は、長尺状のフォトダイオードがその長手方向と略直交する方向に一次元配列されてなる光検出部４ａを有するフォトダイオードアレイである。光検出素子４は、フォトダイオードの一次元配列方向が本体部２の長手方向と略一致し且つ光検出部４ａが本体部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４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。

また、光検出素子４には、本体部２に入射する光Ｌ１が通過する光通過開口４ｂが形成されている。光通過開口４ｂは、本体部２の前面２ａの反対側に形成された凹部４ｃ、及び凹部４ｃの底面に形成された貫通孔４ｄを有している。凹部４ｃ及び貫通孔４ｄは、本体部２の長手方向と略直交する方向に延在する長方形状の開口形状であり、貫通孔４ｄの開口形状は、凹部４ｃの開口形状よりも狭い幅とされている。これらは、光検出素子４の基板の両面側からディープドライエッチング等により形成される。なお、貫通孔４ｄの開口形状は、矩形状に限らず、楕円形状や円形状であってもよい。

凹部４ｃには、本体部２に入射する光を導光する光学素子７が配置されている。光学素子７は、ガラス等からなる直方体形状の部材であり、光学素子７の光入射端面７ａは、光検出素子４から突出している。なお、光学素子７には、ファイバーオプティクスプレート等を用いることが好ましい。

本体部２の前面２ａには、分光部３に進行する光Ｌ１が通過する光通過孔６ａ、及び光検出素子４の光検出部４ａに進行する光Ｌ２が通過する光通過孔６ｂを有する光吸収層６が形成されている。光通過孔６ａは、本体部２の長手方向と略直交する方向に延在するスリットである。光吸収層６は、光通過孔６ａ，６ｂを有するようにパターニングされて、ＣｒＯ、ＣｒＯを含む積層膜、或いはブラックレジスト等によって一体成形される。

光吸収層６の前面は粗面とされており、その前面には、ＡｌやＡｕ等の単層膜、或いはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ、Ｃｒ−Ａｕ等の積層膜からなる配線９が形成されている。配線９は、光通過孔６ｂの周囲に配置された複数のパッド部９ａ、本体部２の長手方向における端部に配置された複数のパッド部９ｂ、対応するパッド部９ａとパッド部９ｂとを接続する複数の接続部９ｃを有している。パッド部９ａには、光検出素子４の外部端子がフリップチップボンディングによって電気的に接続されており、パッド部９ｂには、光検出素子４の出力信号を外部に取り出すためのフレキシブルプリント基板１１が、ワイヤボンディングによって電気的に接続されている。光検出素子４は、光検出部４ａが光吸収層６の光通過孔６ｂと対向した状態で本体部２の前面２ａ上に支持されており、光検出部４ａと前面２ａとの間には、アンダーフィル樹脂として界面で反射を起こさないように屈折率を合わせた光学樹脂１２が充填されている。

なお、光吸収層６と配線９との間には、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、或いはＳｉＯＮ等によって電気絶縁層が膜状に形成されていることが好ましい。光吸収層６がブラックレジストからなる場合には、光吸収層６にカーボンが含まれるため、熱等の影響によってブラックレジストが変質して導電性を有し、電気絶縁層が形成されていないと、ショートするおそれがあるからである。

以上のように構成された分光モジュール１においては、光Ｌ１は、光学素子７によって導光され、貫通孔４ｄ及び光吸収層６の光通過孔６ａを介して本体部２の前面２ａから入射し、光透過部材２_１，２_２を進行して分光部３に到達し、分光部３によって複数の光Ｌ２に分光される。分光された光Ｌ２は、分光部３によって本体部２の前面２ａ側に反射され、光透過部材２_２，２_１、光吸収層６の光通過孔６ｂを進行して光検出素子４の光検出部４ａに到達し、光検出素子４によって検出される。

以上説明したように、この分光モジュール１では、本体部２に入射する光が通過する光通過開口４ｂを光検出素子４が有している。そのため、光通過開口４ｂと光検出素子４の光検出部４ａとの相対的な位置関係にずれが生じるのを防止することができる。しかも、本体部２に入射する光を導光する光学素子７が光通過開口４ｂに配置されている。そのため、本体部２に入射すべき光の一部が光通過開口４ｂの光入射側縁部で遮られるようなことなく、本体部２に入射すべき光を確実に導光することができる。従って、この分光モジュール１によれば、信頼性を向上させることが可能となる。

また、光学素子７の光入射端面は、光検出素子４から突出している。このような構成によれば、本体部２に入射すべき光をより一層確実に導光することができる。

また、光通過開口４ｂは、本体部２の前面２ａの反対側に形成された凹部４ｃ、及び凹部４ｃの底面に形成された貫通孔４ｄを有し、光学素子７は、凹部４ｃに配置されている。このような構成によれば、本体部２に入射すべき光の確実な導光を実現しつつ、貫通孔４ｄをスリット化することができる。

また、貫通孔４ｄの深さは１０〜１００μｍであることが好ましい。これにより、光学樹脂１２が貫通孔４ｄ内に確実に充填されるため、空気層が形成されにくくなる。このため、空気層による不必要な反射が低減でき、光のロスや光検出素子４に迷光が入射するのを抑制することができる。
［第２の実施形態］

第２の実施形態の分光モジュール１は、光学素子７が、その光出射端面７ｂが光通過孔６ａと対向した状態で光吸収層６に当接している点で、上述した第１の実施形態の分光モジュール１と異なっている。

すなわち、図３に示されるように、本体部２の前面２ａには、本体部２に入射する光が通過する光通過孔６ａを有する光吸収層６が形成されており、光学素子７は、その光出射端面７ｂが光通過孔６ａと対向した状態で光吸収層６に当接している。これにより、本体部２に入射すべき光の確実な導光を実現しつつ、光通過孔６ａをスリット化することができる。

また、光通過開口４ｂは、光検出素子４の基板をその前面側から見て同一寸法の長方形状で貫通するように形成されている。これにより、光検出素子４の基板の片面からディープエッチングを行うことができるので、容易に光通過開口４ｂを形成することができる。

本発明は、上述した第１及び第２の実施形態に限定されるものではない。

例えば、第２の実施形態の分光モジュール１における光学素子７に光ファイバを用いてもよい。これにより、光ファイバの光入射端面で受けた光を光ファイバのコア径のまま導光することができる。なお、この場合、光通過開口４ｂは、光検出素子４の基板をその前面側から見て同一径の円形状で貫通するように形成される。

また、光ファイバは、そのコア径が、光通過孔６ａの幅方向における寸法よりも大きく、光通過孔６ａの長手方向における寸法よりも小さいものが用いられることが好ましい。これにより、光ファイバの光出射面が光通過孔６ａに近接しているために、光のロスを低減させることができる。

なお、光ファイバは、その光入射端面が、光検出素子４から突出するように光通過開口４ｂに配置してもよく、光源に直接接続された状態でその先端部分を光通過開口４ｂに配置してもよい。

また、光ファイバは、バンドルファイバであってもよい。これにより、本体部に入射する光の光量を増加させることができる。

第１の実施形態の分光モジュールの平面図である。 図１に示されたII−II線に沿っての断面図である。 第２の実施形態の分光モジュールの縦断面図である。

符号の説明

１…分光モジュール、２…本体部、２_１，２_２…光透過部材、２ａ…前面（所定の面）、３…分光部、４…光検出素子、６…光吸収層、６ａ…光通過孔、６ｂ…光通過孔、７…光学素子、７ａ…光入射端面、７ｂ…光出射端面。

Claims (9)

1. 光を透過させる本体部と、
   前記本体部の所定の面から前記本体部に入射した光を分光して前記所定の面側に反射する分光部と、
   前記所定の面上に支持され、前記分光部によって分光されて反射された光を検出する光検出素子と、を備え、
   前記光検出素子は、前記本体部に入射する光が通過する光通過開口を有し、前記光通過開口には、前記本体部に入射する光を導光する光学素子が配置されており、
   前記所定の面上には、前記本体部に入射する光が通過する第１の光通過孔、及び前記光検出素子の光検出部に入射する光が通過する第２の光通過孔を有する光吸収層が形成されており、
   前記本体部は、前記所定の面を有する第１の光透過部材、及び前記分光部が形成された第２の光透過部材を有し、
   前記分光部は、前記第２の光透過部材の球面状の外側表面に形成された回折層、及び前記回折層の外側表面に形成された反射層を有することを特徴とする分光モジュール。
2. 前記光学素子の光入射端面は、前記光検出素子から突出し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. 前記光通過開口は、前記所定の面の反対側に形成された凹部、及び前記凹部の底面に形成された貫通孔を有し、
   前記光学素子は、前記凹部に配置され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。
4. 前記光学素子は、その光出射端面が前記第１の光通過孔と対向した状態で前記光吸収層に当接し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。
5. 前記光学素子は、光ファイバであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の分光モジュール。
6. 前記光ファイバは、バンドルファイバであることを特徴とする請求項５記載の分光モジュール。
7. 前記光検出素子の光検出部と前記所定の面との間には、光学樹脂が充填されており、
   前記貫通孔の深さは、１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項３記載の分光モジュール。
8. 前記光検出素子の外部端子は、前記所定の面側に形成された配線のパッド部にフリップチップボンディングによって電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の分光モジュール。
9. 前記光吸収層と前記配線との間には、電気絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項８記載の分光モジュール。

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