JP6177153B2 - 分光器 - Google Patents
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Description
本発明は、光を分光して検出する分光器に関する。
例えば、特許文献1には、光入射部と、光入射部から入射した光を分光すると共に反射する分光部と、分光部によって分光されると共に反射された光を検出する光検出素子と、光入射部、分光部及び光検出素子を支持する箱状の支持体と、を備える分光器が記載されている。
ところで、上述したような分光器を用いて、複数の異なる波長帯(又は偏光状態)の光を検出したい場合が考えられる。しかしながら、特許文献1に示される分光器の構造では、1種類の波長帯(又は偏光状態)の光を検出することしかできない。このため、複数の異なる波長帯(又は偏光状態)の光を検出するためには、適宜使用する分光器を変更しつつ、検出したい波長帯(又は偏光状態)毎に検出作業を実施しなければならない。また、複数の異なる波長帯(又は偏光状態)の光を同時に検出するために、1台の分光器に光入射部、分光部、及び光検出素子のセット(分光ユニット)を複数設けた場合には、検出精度が低下したり、分光器が大型化したりするといった問題がある。
そこで、本発明は、検出精度の低下を抑制しつつ小型化を図ると共に検出作業の効率化を図ることができる分光器を提供することを目的とする。
本発明の分光器は、第1光通過部、第1光通過部を通過した光を反射する第1反射部、第1反射部で反射された光を反射する共通反射部、第1反射部で反射されて共通反射部で反射された光を分光すると共に反射する第1分光部、及び第1分光部で分光されると共に反射された光を検出する第1光検出部を有する第1分光ユニットと、第2光通過部、第2光通過部を通過した光を反射する第2反射部、第2反射部で反射された光を反射する共通反射部、第2反射部で反射されて共通反射部で反射された光を分光すると共に反射する第2分光部、及び第2分光部で分光されると共に反射された光を検出する第2光検出部を有する第2分光ユニットと、を備え、第1光通過部、第1反射部、共通反射部、第1分光部及び第1光検出部は、第1光通過部を通過する光の光軸方向から見た場合に、第1基準線に沿って並んでおり、第2光通過部、第2反射部、共通反射部、第2分光部及び第2光検出部は、第2光通過部を通過する光の光軸方向から見た場合に、共通反射部において第1基準線と交差する第2基準線に沿って並んでいる。
この分光器では、複数の分光ユニットによって、複数の異なる波長帯や偏光状態等の光の検出を同時に実施することができるため、検出作業の効率化を図ることができる。また、各分光ユニットにおいて、光通過部(第1光通過部又は第2光通過部)を通過した光は、反射部(第1反射部又は第2反射部)及び共通反射部で順次反射されて分光部(第1分光部又は第2分光部)に入射する。これにより、分光部に入射する光の入射方向、及び当該光の広がり乃至収束状態を調整することが容易となるため、各分光ユニットにおいて、分光部から光検出部に至る光路長を短くしても、分光部で分光された光を精度良く光検出部の所定位置に集光させることができる。更に、各分光ユニットは、共通反射部を共有するため、分光器の小型化を図ることができる。よって、この分光器によれば、検出精度の低下を抑制しつつ小型化を図ると共に検出作業の効率化を図ることができる。
本発明の分光器では、共通反射部は、第1光通過部と第1光検出部との間且つ第2光通過部と第2光検出部との間に配置されていてもよい。この構成によれば、各分光ユニットの各部は、共通反射部の周囲に設けられるものとなり、分光器の更なる小型化を図ることができる。
本発明の分光器では、第1分光部は、第1波長帯の光を第1光検出部に対して分光すると共に反射し、第2分光部は、第1波長帯と異なる第2波長帯の光を第2光検出部に対して分光すると共に反射してもよい。この構成によれば、第1分光ユニットと第2分光ユニットとで、異なる波長帯の光を同時に検出することができる。また、波長帯毎に異なる分光ユニットを割り当てることで、検出精度の向上(高分解能化)を図ることもできる。
本発明の分光器では、第1光通過部を介して第1反射部に至る光の光路及び第2光通過部を介して第2反射部に至る光の光路に配置され、第1基準線及び第2基準線のそれぞれに対して所定角度を成す透過軸を有する偏光部を更に備え、第1分光ユニットにおいて、第1分光部は、第1基準線に沿って並んだ複数のグレーティング溝を有し、第1光検出部は、第1基準線に沿って並んだ複数の光検出チャネルを有し、第2分光ユニットにおいて、第2分光部は、第2基準線に沿って並んだ複数のグレーティング溝を有し、第2光検出部は、第2基準線に沿って並んだ複数の光検出チャネルを有してもよい。この構成によれば、第1分光ユニットと第2分光ユニットとで、偏光状態が異なる光を同時に検出することができる。
本発明の分光器では、第1光通過部、第1光検出部、第2光通過部、第2光検出部、及び共通反射部は、一体的に形成された基板に設けられてもよい。この構成によれば、分光器の構成の単純化を図ることができると共に、各部材の位置関係の安定化を図ることができる。
本発明によれば、検出精度の低下を抑制しつつ小型化を図ると共に検出作業の効率化を図ることができる分光器を提供す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実施形態]
[第1実施形態]
図1は、分光器1Aの平面図の一部を示した図である。図1に示されるように、分光器1Aは、複数(一例として3つ)の分光ユニット2A,2B,2Cを備えている。各分光ユニット2A,2B,2Cは、それぞれ異なる波長帯の光を検出可能に設けられている。分光ユニット(第1分光ユニット)2Aは、光通過部(第1光通過部)21A、反射部(第1反射部)11A、共通反射部12、分光部(第1分光部)40A、及び光検出部(第1光検出部)22Aを有している。同様に、分光ユニット(第2分光ユニット)2B,2Cは、光通過部(第2光通過部)21B,21C、反射部(第2反射部)11B,11C、共通反射部12、分光部(第2分光部)40B,40C、及び光検出部(第2光検出部)22B,22Cを有している。共通反射部12は、各分光ユニット2A,2B,2Cにより共有されている。
共通反射部12は、各光通過部21A,21B,21Cを通過する光の光軸方向(Z軸方向)から見た場合に、円形をなしており、光通過部21Aと光検出部22Aとの間、光通過部21Bと光検出部22Bとの間、且つ光通過部21Cと光検出部22Cとの間に配置されている。また、分光ユニット2Aの各部(光通過部21A、反射部11A、分光部40A及び光検出部22A)は、Z軸方向から見た場合に、基準線(第1基準線)RL1に沿って直線状に並んでいる。分光ユニット2Bの各部は、Z軸方向から見た場合に、基準線RL1から時計回りに120度ずれた軸方向に延在する基準線(第2基準線)RL2に沿って直線状に並んでいる。分光ユニット2Cの各部は、Z軸方向から見た場合に、基準線RL1から時計回りに240度ずれた軸方向に延在する基準線RL3に沿って直線上に並んでいる。このように、基準線RL1,RL2,RL3は、Z軸方向から見た場合に、共通反射部12において互いに交差している。分光器1Aでは、一例として、基準線RL1,RL2,RL3は、Z軸方向から見た場合に、共通反射部12の中心位置において互いに交差している。また、分光ユニット2A,2B,2Cの各部は、Z軸方向から見た場合に、共通反射部12を取り囲むように設けられている。分光ユニット2A,2B,2Cの各部同士(例えば光検出部22A,22B,22C)は、共通反射部12の中心位置を中心とする円周上において等間隔(120度間隔)に設けられている。
図1及び図2に示されるように、分光器1Aは、光検出素子20と、支持体30と、カバー50と、を備えている。光検出素子20には、光通過部21A,21B,21C、光検出部22A,22B,22C及び0次光捕捉部23A,23B,23Cが設けられている。支持体30には、光検出部22A,22B,22Cに対して電気信号を入出力するための配線13が設けられている。支持体30は、光通過部21A,21B,21C、光検出部22A,22B,22C及び0次光捕捉部23A,23B,23Cとの間に空間Sが形成されるように光検出素子20に固定されている。一例として、基準線RL1の軸線方向をX軸方向とし、X軸方向及びZ軸方向に垂直な方向をY軸方向とすると、分光器1Aは、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向のそれぞれの方向の長さが10mm以下である直方体状に形成されている。なお、配線13及び支持体30は、成形回路部品(MID:Molded Interconnect Device)として構成されたものである。
分光器1Aでは、光通過部21Aを通過した光L1は、反射部11A及び共通反射部12で順次反射されて分光部40Aに入射し、分光部40Aで分光されると共に反射される。そして、分光部40Aで分光されると共に反射された光のうち、0次光L0以外の光L2は、光検出部22Aに入射して光検出部22Aで検出され、0次光L0は、0次光捕捉部23Aに入射して0次光捕捉部23Aで捕捉される。光通過部21Aから分光部40Aに至る光L1の光路、分光部40Aから光検出部22Aに至る光L2の光路、及び分光部40Aから0次光捕捉部23Aに至る0次光L0の光路は、空間S内に形成される。
光通過部21Bを通過した光は、反射部11B及び共通反射部12で順次反射されて分光部40Bに入射し、分光部40Bで分光されると共に反射される。そして、分光部40Bで分光されると共に反射された光のうち、0次光以外の光は、光検出部22Bに入射して光検出部22Bで検出され、0次光は、0次光捕捉部23Bに入射して0次光捕捉部23Bで捕捉される。光通過部21Bから分光部40Bに至る光の光路、分光部40Bから光検出部22Bに至る光の光路、及び分光部40Bから0次光捕捉部23Bに至る0次光の光路は、空間S内に形成される。
光通過部21Cを通過した光は、反射部11C及び共通反射部12で順次反射されて分光部40Cに入射し、分光部40Cで分光されると共に反射される。そして、分光部40Cで分光されると共に反射された光のうち、0次光以外の光は、光検出部22Cに入射して光検出部22Cで検出され、0次光は、0次光捕捉部23Cに入射して0次光捕捉部23Cで捕捉される。光通過部21Cから分光部40Cに至る光の光路、分光部40Cから光検出部22Cに至る光の光路、及び分光部40Cから0次光捕捉部23Cに至る0次光の光路は、空間S内に形成される。
光検出素子20は、基板24を有している。基板24は、例えば、シリコン等の半導体材料によって矩形板状に形成されている。光通過部21A,21B,21C及び0次光捕捉部23A,23B,23Cは、基板24に形成されたスリットである。光通過部21Aは、Y軸方向に延在している。光通過部21B,21Cは、Z軸方向から見た場合に、それぞれY軸方向から時計回りに120度,240度ずれた軸方向に延在している。0次光捕捉部23Aは、光通過部21Aと光検出部22Aとの間においてY軸方向に延在している。0次光捕捉部23B,23Cは、Z軸方向から見た場合に、光通過部21B,21Cと光検出部22B,22Cとの間において、それぞれY軸方向から時計回りに120度,240度ずれた軸方向に延在している。
光通過部21Aにおける光L1の入射側の端部は、X軸方向及びY軸方向のそれぞれの方向において、光L1の入射側に向かって末広がりとなっている。光通過部21B,21Cにおける光の入射側の端部についても、光通過部21Aにおける光L1の入射側の端部と同様の末広がり形状をなしている。また、0次光捕捉部23Aにおける0次光L0の入射側とは反対側の端部は、X軸方向及びY軸方向のそれぞれの方向において、0次光L0の入射側とは反対側に向かって末広がりとなっている。0次光L0が0次光捕捉部23Aに斜めに入射するように構成することで、0次光捕捉部23Aに入射した0次光L0が空間Sに戻るのをより確実に抑制することができる。0次光捕捉部23B,23Cにおける0次光L0の入射側とは反対側の端部についても、0次光捕捉部23Aにおける0次光L0の入射側とは反対側の端部と同様の末広がり形状をなしており、同様の効果を奏する。
光検出部22A,22B,22Cは、基板24における空間S側の表面24aに設けられている。より具体的には、光検出部22A,22B,22Cは、基板24に貼り付けられているのではなく、半導体材料からなる基板24に作り込まれている。つまり、光検出部22A,22B,22Cは、半導体材料からなる基板24内の第一導電型の領域と、該領域内に設けられた第二導電型の領域とで形成された複数のフォトダイオードによって、構成されている。光検出部22A,22B,22Cは、例えば、フォトダイオードアレイ、C−MOSイメージセンサ、CCDイメージセンサ等として構成されたものであり、それぞれ基準線RL1,RL2,RL3に沿って並んだ複数の光検出チャネルを有している。光検出部22Aの各光検出チャネルには、異なる波長を有する光L2が入射させられる。光検出部22B,22Cの各光検出チャネルについても、光検出部22Aの各光検出チャネルと同様に、異なる波長を有する光が入射させられる。
基板24の表面24aには、光検出部22A,22B,22Cに対して電気信号を入出力するための複数の端子25が設けられている。なお、光検出部22A,22B,22Cは、表面入射型のフォトダイオードとして構成されていてもよいし、或いは裏面入射型のフォトダイオードとして構成されていてもよい。また、半導体材料からなる1つの基板24に表面入射型のフォトダイオード及び裏面入射型のフォトダイオードの両方が含まれるように作り込まれることで、光検出部22A,22B,22Cが形成されてもよい。この場合、光検出部22A,22B,22Cには、少なくとも1つ表面入射型のフォトダイオード及び少なくとも1つの裏面入射型のフォトダイオードが含まれるものとなる。ここで、裏面入射型のフォトダイオードは、表面入射型のフォトダイオードよりも、長波長帯の光の検出感度が高い。したがって、基板24に表面入射型のフォトダイオードと裏面入射型のフォトダイオードとの両方が作り込まれることで光検出部22A,22B,22Cが形成されることにより、異なる波長帯の光を検出する分光器1Aを容易に製造することができる。
また、光検出部22A,22B,22Cは、基板24とは異なる材料の検出器チップとして構成されてもよい。例えば、GaAsやInGaAs等の基板24とは異なる材料からなる検出器チップが、基板24の表面24a側にバンプボンディング等で設けられることで、光検出部22A,22B,22Cが形成されてもよい。また、このような検出器チップは、基板24における空間S側とは反対側の表面24bに設けられてもよい。この場合、例えばシリコン等の基板24に貫通孔を設け、当該貫通孔を通過した光を検出器チップ(GaAs等)で検出する構成としてもよい。また、基板24にシリコン検出器チップ、GaAs検出器チップが設けられることで光検出部22A,22B,22Cが形成されてもよい。この場合、基板24は、半導体基板でなくともよい。
支持体30は、ベース壁部31と、一対の側壁部32と、一対の側壁部33と、を有している。ベース壁部31は、空間Sを介して、Z軸方向において光検出素子20と対向している。ベース壁部31には、空間S側に開口する凹部34、空間S側とは反対側に突出する複数の凸部35、及び空間S側とその反対側とに開口する複数の貫通孔36が形成されている。一対の側壁部32は、空間Sを介して、X軸方向において互いに対向している。一対の側壁部33は、空間Sを介して、Y軸方向において互いに対向している。ベース壁部31、一対の側壁部32及び一対の側壁部33は、AlN、Al2O3等のセラミックによって一体的に形成されている。
反射部11A,11B,11Cは、支持体30に設けられている。より具体的には、反射部11A,11B,11Cは、ベース壁部31の凹部34の内面34aのうち球面状の領域に、成形層41を介して設けられている。反射部11Aは、例えば、Al、Au等の金属蒸着膜からなり且つ鏡面を有する凹面ミラーであり、空間Sにおいて、光通過部21Aを通過した光L1を共通反射部12に対して反射する。反射部11B,11Cも、反射部11Aと同様の凹面ミラーであり、空間Sにおいて、光通過部21B,21Cを通過した光を共通反射部12に対して反射する。なお、反射部11A,11B,11Cは、成形層41を介さずに、支持体30の凹部34の内面34aに直接形成されていてもよい。
共通反射部12は、光検出素子20に設けられている。より具体的には、共通反射部12は、基板24の表面24aのうち光通過部21A,21B,21Cと0次光捕捉部23A,23B,23Cとの間の領域に、設けられている。共通反射部12は、例えば、Al、Au等の金属蒸着膜からなり且つ鏡面を有する平面ミラーであり、空間Sにおいて、反射部11Aで反射された光L1を分光部40Aに対して反射する。また、共通反射部12は、空間Sにおいて、反射部11B,11Cで反射された光を分光部40B,40Cに対して反射する。このように、共通反射部12は、光の二段階目の反射(反射部11A,11B,11Cで反射された光の反射)の用途として、各分光ユニット2A,2B,2C間で共有される。
分光部40A,40B,40Cは、支持体30に設けられている。より具体的には、以下のとおりである。すなわち、ベース壁部31の表面31aには、凹部34を覆うように成形層41が配置されている。成形層41は、凹部34の内面34aに沿って膜状に形成されている。内面34aのうち球面状の領域に対応する成形層41の所定領域には、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に対応するグレーティングパターン41aが形成されている。成形層41の表面には、グレーティングパターン41aを覆うように、例えば、Al、Au等の金属蒸着膜からなる反射膜42が形成されている。反射膜42は、グレーティングパターン41aの形状に沿って形成されており、この部分が、反射型グレーティングである分光部40A,40B,40Cとなっている。なお、成形層41は、成形材料(例えば、光硬化性のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン、有機・無機ハイブリッド樹脂等のレプリカ用光学樹脂等)に成形型を押し当て、その状態で、成形材料を硬化(例えば、UV光等による光硬化、熱硬化等)させることで、形成される。
以上のように、分光部40A,40B,40Cは、ベース壁部31の表面31aのうち凹部34の内面34aに、設けられている。分光部40A,40B,40Cは、基準線RL1,RL2,RL3に沿って並んだ複数のグレーティング溝を有している。分光部40Aは、空間Sにおいて、共通反射部12で反射された光L1を光検出部22Aに対して分光すると共に反射する。また、分光部40B,40Cは、空間Sにおいて、共通反射部12で反射された光を光検出部22B,22Cに対して分光すると共に反射する。なお、分光部40A,40B,40Cは、上述したように、支持体30に直接形成されたものに限定されない。例えば、分光部40A,40B,40Cと、分光部40A,40B,40Cが形成された基板と、を有する分光素子が、支持体30に貼り付けられることで、分光部40が支持体30に設けられていてもよい。分光部40A,40B,40Cが形成される基板は1つであっても、複数であってもよい。
分光ユニット2A,2B,2Cでは、例えば分光部40A,40B,40Cのグレーティングパターンの形状や光検出部22A,22B,22Cが有する光検出チャネルの配置等により、光検出部22A,22B,22Cにより検出される光の波長帯が決定される。分光ユニット2A,2B,2Cでは、分光器1Aの製造時において、グレーティングパターンのピッチや形状等、及び光検出チャネルの配置等が調整されて設けられることで、光検出部22A,22B,22Cは、それぞれ異なる波長帯の光を検出するように設けられている。例えば、分光部40Aは、第1波長帯(例えば180−400nmの波長帯)の光を光検出部22Aに対して分光すると共に反射するように設けられる一方で、分光部40B,40Cは、第2波長帯(例えば340−780nm,600−1050nmの波長帯)の光を光検出部22B,22Cに対して分光すると共に反射するように設けられる。
各配線13は、光検出部22A,22B,22C側の端部13aと、光検出部22A,22B,22C側とは反対側の端部13bと、接続部13cと、を有している。各配線13の端部13aは、光検出素子20の各端子25と対向するように、各側壁部32の端面32aに位置している。各配線13の端部13bは、ベース壁部31における空間S側とは反対側の表面31bのうち各凸部35の表面に、位置している。各配線13の接続部13cは、各側壁部32における空間S側の表面32b、ベース壁部31の表面31a、及び各貫通孔36の内面において、端部13aから端部13bに至っている。なお、各配線13の接続部13cは、本実施形態のように支持体30の内側(各側壁部32の表面32b、ベース壁部31の表面31a)を沿うように設けられてもよいし、支持体30の外側を通るように設けられてもよいし、支持体30内を貫通するように設けられてもよい。
対向する光検出素子20の端子25と配線13の端部13aとは、例えば、Au、半田等からなるバンプ14によって接続されている。分光器1Aでは、複数のバンプ14によって、支持体30が光検出素子20に固定されていると共に、複数の配線13が光検出素子20の光検出部22A,22B,22Cに電気的に接続されている。このように、各配線13の端部13aは、光検出素子20と支持体30との固定部において、光検出素子20の各端子25に接続されている。
カバー50は、光検出素子20の基板24における空間S側とは反対側の表面24bに固定されている。カバー50は、光透過部材51と、遮光膜52と、を有している。光透過部材51は、例えば、石英、硼珪酸ガラス(BK7)、パイレックス(登録商標)ガラス、コバールガラス等、光L1を透過させる材料によって、矩形板状に形成されている。遮光膜52は、光透過部材51における空間S側の表面51aに形成されている。遮光膜52には、Z軸方向において光検出素子20の光通過部21Aと対向するように、光通過開口52aが形成されている。光通過開口52aは、遮光膜52に形成されたスリットであり、Y軸方向に延在している。また、遮光膜52には、Z軸方向において光検出素子20の光通過部21B,21Cと対向する位置においても、光通過開口52aと同様の光通過開口(スリット)が形成されている。光通過部21B,21Cに対向するように形成された光通過開口は、Z軸方向から見た場合に、それぞれY軸方向から時計回りに120度,240度ずれた軸方向に延在している。
なお、赤外線を検出する場合には、光透過部材51の材料として、シリコン、ゲルマニウム等も有効である。また、光透過部材51に、AR(Anti Reflection)コートを施したり、所定波長の光のみを透過させるフィルタ機能を持たせたりしてもよい。また、遮光膜52の材料としては、例えば、黒レジスト、Al等を用いることができる。ただし、0次光捕捉部23Aに入射した0次光L0及び0次光捕捉部23B,23Cに入射した0次光が空間Sに戻ることを抑制する観点からは、遮光膜52の材料として、黒レジストが有効である。
また、カバー50が、光透過部材51における空間S側とは反対側の表面に形成された遮光膜を更に有していてもよい。その場合、Z軸方向において光検出素子20の光通過部21A,21B,21Cと対向するように、当該遮光膜に光通過開口を形成することで、当該遮光膜の光通過開口、遮光膜52の光通過開口52a及び光検出素子20の光通過部21A,21B,21Cを用いて、空間Sに入射する光の入射NAをより精度良く規定することができる。当該遮光膜の材料としては、遮光膜52と同様に、例えば、黒レジスト、Al等を用いることができる。また、カバー50が、上述した遮光膜を更に有する場合には、Z軸方向において光検出素子20の0次光捕捉部23A,23B,23Cと対向するように、遮光膜52に光通過開口を形成してもよい。その場合、0次光捕捉部23A,23B,23Cに入射した0次光が空間Sに戻ることをより確実に抑制することができる。
基板24の表面24aと各側壁部32の端面32a及び各側壁部33の端面33aとの間には、例えば樹脂等からなる封止部材15が配置されている。また、ベース壁部31の貫通孔36内には、例えばガラスビーズ等からなる封止部材16が配置されていると共に、樹脂からなる封止部材17が充填されている。分光器1Aでは、光検出素子20、支持体30、カバー50及び封止部材15,16,17を構成として含むパッケージ60によって、空間Sが気密に封止されている。分光器1Aを外部の回路基板に実装する際には、各配線13の端部13bが電極パッドとして機能する。なお、基板24の表面24bにカバー50を配置することに代えて、基板24の光通過部21A,21B,21Cに光透過性の樹脂を充填することで、基板24の光通過部21A,21B,21Cを気密に封止してもよい。また、ベース壁部31の貫通孔36内に、例えばガラスビーズ等からなる封止部材16を配置せずに、樹脂からなる封止部材17のみを充填してもよい。
以上説明したように、分光器1Aでは、複数の分光ユニット2A,2B,2Cによって、複数の異なる波長帯の光の検出を同時に実施することができると共に、複数の異なる波長帯の光を1つの分光器1Aで測定することが可能になるため、検出作業の効率化を図ることができる。また、各分光ユニット2A,2B,2Cにおいて、光通過部21A,21B,21Cを通過した光は、反射部11A,11B,11C及び共通反射部12で順次反射されて分光部40A,40B,40Cに入射する。これにより、分光部40A,40B,40Cに入射する光の入射方向、及び当該光の発散乃至収束状態を調整することが容易となるため、各分光ユニット2A,2B,2Cにおいて、分光部40A,40B,40Cから光検出部22A,22B,22Cに至る光路長を短くしても、分光部40A,40B,40Cで分光された光を精度良く光検出部22A,22B,22Cの所定位置に集光させることができる。更に、各分光ユニット2A,2B,2Cは、共通反射部12を共有し、各分光ユニット2A,2B,2Cの各部は、共通反射部12の周囲に設けられるものとなるため、分光器1Aの小型化を図ることができる。よって、この分光器1Aによれば、検出精度の低下を抑制しつつ小型化を図ると共に検出作業の効率化を図ることができる。
また、分光器1Aでは、光検出素子20には、光通過部21A,21B,21C、共通反射部12及び光検出部22A,22B,22Cが予め形成されている。また、支持体30には、反射部11A,11C,11B及びグレーティング(分光部40A,40B,40C)が予め形成されている。したがって、このような光検出素子20及び支持体30を互いに固定するだけで、容易に入射スリット(光通過部21A,21B,21C)から光検出部22A,22B,22Cに至る光路が形成されることになる。
また、分光器1Aでは、各分光ユニット2A,2B,2Cは、それぞれ専用の光通過部21A,21B,21Cを有している。このため、1つの光通過部を複数の分光ユニット間で共有する場合と比較して、各分光ユニット2A,2B,2Cに対して十分な光量の光が入射されるものとなり、検出精度の向上が図られる。
また、分光器1Aでは、分光部40Aは、第1波長帯の光を光検出部22Aに対して分光すると共に反射し、分光部40B,40Cは、第1波長帯と異なる第2波長帯の光を光検出部22B,22Cに対して分光すると共に反射するように構成されている。これにより、分光ユニット2Aと分光ユニット2B,2Cとで、異なる波長帯の光を同時に検出することができる。また、波長帯毎に異なる分光ユニット2A,2B,2Cを割り当てることで、検出精度の向上(高分解能化)を図ることもできる。
また、分光器1Aでは、光通過部21A,21B,21C及び光検出部22A,22B,22Cは、一体的に形成された基板24に設けられている。この構成によれば、分光器1Aの構成の単純化を図ることができると共に、各部材の位置関係の安定化を図ることができる。
また、分光器1Aの分光ユニット2Aでは、反射部11Aが凹面ミラーとなっている。これにより、反射部11Aで光の広がり角が抑えられるため、光通過部21Aを通過する光L1の入射NAを大きくして感度を高くしたり、分光部40Aから光検出部22Aに至る光路長をより短くして分光器の小型化を図ったりすることができる。具体的には、次のとおりである。すなわち、反射部11Aが凹面ミラーである場合、光L1は、コリメートされたような状態で分光部40Aに照射される。そのため、光L1が発散しつつ分光部40Aに照射される場合に比べ、分光部40Aが光検出部22Aに光L2を集光する距離が短くて済む。そこで、当該光L1の入射NAを大きくして感度を高くしたり、分光部40Aから光検出部22Aに至る光路長をより短くして分光器の更なる小型化を図ったりすることができる。分光ユニット2B,2Cについても同様である。
また、分光器1Aでは、支持体30に、光検出部22A,22B,22Cに電気的に接続された配線13が設けられている。そして、配線13における光検出部22A,22B,22C側の端部13aが、光検出素子20と支持体30との固定部において、光検出素子20に設けられた端子25に接続されている。これにより、光検出部22A,22B,22Cと配線13との電気的な接続の確実化を図ることができる。
また、分光器1Aでは、支持体30の材料がセラミックとなっている。これにより、分光器1Aが使用される環境の温度変化、光検出部22A,22B,22Cでの発熱等に起因する支持体30の膨張及び収縮を抑制することができる。したがって、分光部40A,40B,40Cと光検出部22A,22B,22Cとの位置関係にずれが生じることに起因する検出精度の低下(光検出部22A,22B,22Cで検出された光におけるピーク波長のシフト等)を抑制することができる。分光器1Aでは、小型化が図られていることから、わずかな光路の変化であっても、光学系に大きな影響を及ぼし、検出精度の低下に繋がるおそれがある。そのため、特に、上述したように、分光部40A,40B,40Cが支持体30に直接形成されている場合には、支持体30の膨張及び収縮を抑制することは極めて重要である。
また、分光器1Aでは、光検出素子20及び支持体30を構成として含むパッケージ60によって、空間Sが気密に封止されていている。これにより、湿気による空間S内の部材の劣化及び外気温の低下による空間S内での結露の発生等に起因する検出精度の低下を抑制することができる。
また、分光器1Aでは、ベース壁部31の表面31aのうち凹部34の周囲に平坦な領域(若干傾いていてもよい)が存在している。これにより、光検出部22A,22B,22Cで反射光が生じたとしても、当該反射光が光検出部22A,22B,22Cに再度到達することを抑制することができる。また、樹脂に成形型を押し当てて凹部34の内面34aに成形層41を形成する際、及び、基板24の表面24aと各側壁部32の端面32a及び各側壁部33の端面33aとの間に、樹脂からなる封止部材15を配置する際に、当該平坦な領域が余分な樹脂の逃げ場となる。このとき、ベース壁部31の貫通孔36に余分な樹脂を流し込むようにすれば、例えばガラスビーズ等からなる封止部材16が不要となり、当該樹脂が封止部材17として機能する。
[第2実施形態]
[第2実施形態]
図3に示されるように、分光器1Bでは、Z軸方向から見た場合に、X軸方向に延在する基準線RL4に沿って各部(光通過部21D、反射部11D、分光部40D,光検出部22D)が配置された分光ユニット2Dと、基準線RL4から90度ずれた基準線RL5に沿って各部(光通過部21E、反射部11E、分光部40E,光検出部22E)が配置された分光ユニット2Eが設けられている。分光ユニット2D,2Eは、各光検出部22D,22Eにより検出される光の波長帯が同一となるように、設けられている。また、分光ユニット2Dにおいて、分光部40Dは、基準線RL4に沿って並んだ複数のグレーティング溝を有し、光検出部22Dは、基準線RL4に沿って並んだ複数の光検出チャネルを有する。また、分光ユニット2Eにおいて、分光部40Eは、基準線RL5に沿って並んだ複数のグレーティング溝を有し、光検出部22Eは、基準線RL5に沿って並んだ複数の光検出チャネルを有する。
分光器1Bでは、光通過部21D,21Eを介して反射部11D,11Eに至る光の光路に配置され、基準線RL4,RL5のそれぞれに対して所定角度(ここでは一例として90度,0度)を成す透過軸を有する偏光部70が設けられている。偏光部70は、例えば偏光板であり、透過軸の方向に振動している光(偏光方向が透過軸に平行な直線偏光)のみを透過させる。ここで、偏光方向とは、電場(及び磁場)が光の進行方向に対して振動している方向のことである。
偏光部70は、例えば、分光器1Bの光透過部材51の外側(光透過部材51における遮光膜52側とは反対側)に固定されてもよいし、光透過部材51と遮光膜52との間に設けられてもよいし、遮光膜52と基板24との間に設けられてもよい。偏光部70は、上述のように光通過部21D,21Eが設けられる基板24の外側(基板24における遮光膜52側)に配置されてもよいし、光通過部21D,21Eが設けられる基板24の内側において各光通過部21D,21Eに重なるように配置されてもよい。また、偏光部70は、一体的に形成された部材であってもよいし、複数の部材からなる部材であってもよい。或いは、光透過部材51が、偏光部70の機能を兼ね備えたものとして構成されてもよい。
以上のように構成された分光器1Bでは、分光ユニット2D,2Eは、分光ユニット2Dの光検出部22Dにより検出される光の波長帯と分光ユニット2Eの光検出部22Eにより検出される光の波長帯とが同一となるように、設けられている。また、分光ユニット2D,2Eにおいて、分光部40Dのグレーティング溝及び光検出部22Dの光検出チャネルが並ぶ方向(基準線RL5に沿った方向)は、Z軸方向から見た場合に、分光部40Eのグレーティング溝及び光検出部22Eの光検出チャネルが並ぶ方向(基準線RL6に沿った方向)に対して90度ずれている。したがって、光検出部22D,22Eにより検出される光の偏光状態(光検出部22D,22Eの光検出チャネルの配列方向と光検出部22D,22Eにより検出される光の偏光方向とが成す角度)は、互いに異なるものとなる。具体的には、例えば光検出部22D,22Eのうちの一方により検出される光の偏光状態が縦偏光(検出される光の偏光方向が光検出チャネルの配列方向に対して平行)である場合には、他方により検出される光は横偏光(検出される光の偏光方向が光検出チャネルの配列方向に対して垂直)となる。したがって、分光ユニット2Dと分光ユニット2Eとで、同一波長帯で偏光状態が異なる光(例えば縦偏光及び横偏光)を同時に検出することができると共に、複数の異なる偏光状態の光を1つの分光器1Bで測定することが可能になる。このような分光器1Bによれば、例えば医療分野等において特定の分子の吸光度について複数の異なる偏光状態で測定(検出)したい場合等に、検出作業の効率化を図ることができる。
[第3実施形態]
[第3実施形態]
図4に示されるように、分光器1Cは、4つの分光ユニット2F,2G,2H,2Iを備える点で、上述した分光器1Bと主に相違している。分光ユニット2Fは、Z軸方向から見た場合に、X軸方向に延在する基準線RL6に沿って並んだ光通過部21F、反射部11F、分光部40F、及び光検出部22Fを備えている。分光ユニット2Gは、Z軸方向から見た場合に、基準線RL6から反時計回りに45度ずれた基準線RL7に沿って並んだ光通過部21G、反射部11G、分光部40G、及び光検出部22Gを備えている。分光ユニット2Hは、Z軸方向から見た場合に、基準線RL7から反時計回りに45度ずれた基準線RL8に沿って並んだ光通過部21H、反射部11H、分光部40H、及び光検出部22Hを備えている。分光ユニット2Iは、Z軸方向から見た場合に、基準線RL8から反時計回りに45度ずれた基準線RL9に沿って並んだ光通過部21I、反射部11I、分光部40I、及び光検出部22Iを備えている。分光ユニット2F,2G,2H,2Iは、各光検出部22F,22G,22H,22Iにより検出される光の波長帯が同一となるように、設けられている。また、分光ユニット2F,2G,2H,2Iにおいて、分光部40F,40G,40H,40Iは、基準線RL6,RL7,RL8,RL9に沿って並んだ複数のグレーティング溝を有し、光検出部22F,22G,22H,22Iは、基準線RL6,RL7,RL8,RL9に沿って並んだ複数の光検出チャネルを有する。
以上のように構成された分光器1Cでは、分光ユニット2F,2G,2H,2Iの各部が配置される方向は、Z軸方向から見た場合に45度ずつずれている。すなわち、分光器1Cでは、光検出部22F,22G,22H,22Iの光検出チャネルが配列される方向に対して偏光方向が成す角度(偏光状態)について、45度刻みの4パターンの光の検出を同時に行うことができる。したがって、分光器1Cによれば、異なる複数の偏光状態による吸光度測定を1回の検出作業で行うことが可能となり、検出作業の効率化を図ることができる。
以上、本発明の第1〜第3実施形態について説明したが、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、上記第1実施形態において、各分光ユニットにより検出される光の波長帯を同一にしてもよい。この場合、1回の検出作業で同一波長帯の検出結果を複数取得することができる。これにより、例えば複数の検出結果の平均値を検出値として採用したり、或いは他の分光ユニットによる検出結果から大きく外れている検出値を除外した上で算出した平均値を検出値として採用したりすることで、検出精度の向上を図ることができる。
また、上記第2又は第3実施形態において、各分光ユニットにより検出される光の波長帯を異ならせてもよい。この場合でも、複数の波長帯及び偏光状態のペアを同時に検出することができると共に1つの分光器で検出できるため、検出作業の効率化を図ることができる。また、偏光部70は、分光器1B,1Cとは別部材として用意されるものであって、異なる偏光状態の検出作業を実施する際に分光器1B,1Cに取り付けられるもの(例えば分光器1B,1Cのカバー50の外側に取り付けられる偏光板等)であってもよい。
また、分光ユニットを構成する光通過部及び光検出部は、一体的に形成された基板24に設けられていなくともよく、製造時に接着等により組み合わせられる複数の基板部材に分かれて設けられてもよい。
また、分光器に設けられる分光ユニットの個数は、上記各実施形態で示した例(2〜4つ)に限定されず、5つ以上であってもよい。また、各分光ユニットが配置される間隔についても上記各実施形態で示した例に限定されない。ただし、各分光ユニット間で光検出部同士の距離をなるべく大きくとることで、各光検出部において、検出すべき波長帯とは異なる波長帯の光(別の分光ユニットで検出されるべき光)が検出されてしまうことを抑制でき、検出精度の低下を抑制することができる。
また、上記各実施形態では、各分光ユニット(一例として分光ユニット2A)において、空間Sに入射する光L1の入射NAが光検出素子20の光通過部21A(場合によっては、遮光膜52の光通過開口52a等)の形状によって規定されていたが、これに限定されない。例えば上記分光ユニット2Aでは、反射部11A、共通反射部12及び分光部40Aの少なくとも1つの領域の形状を調整することで、空間Sに入射する光L1の入射NAを実質的に規定することができる。光検出部22Aに入射する光L2は回折光であるため、成形層41においてグレーティングパターン41aが形成された所定領域の形状を調整することで、当該入射NAを実質的に規定することができる。分光ユニット2B〜2Iについても同様である。
また、分光器1Aでは、空間Sは、光検出素子20及び支持体30を構成として含むパッケージ60に代えて、光検出素子20及び支持体30を収容するパッケージによって気密に封止されてもよい。その場合にも、湿気による空間S内の部材の劣化及び外気温の低下による空間S内での結露の発生等に起因する検出精度の低下を抑制することができる。ここで、当該パッケージは、複数のリードピンが挿通されたステム、及び光通過部21A〜21Cに光を入射させる光入射部が設けられたキャップによって、構成することができる。そして、各リードピンにおけるパッケージ内の端部を、支持体30に設けられた各配線13の端部13bに接続することで、対応するリードピンと配線13との電気的な接続、並びにパッケージに対する光検出素子20及び支持体30の位置決めを実現することができる。なお、光検出素子20及び支持体30がパッケージに収容されることから、上述した分光器1Aのように、封止部材15,16を配置したり、カバー50を設けたりすることが不要となる。分光器1B,1Cについても同様である。
また、支持体30の材料は、セラミックに限定されず、LCP、PPA、エポキシ等の樹脂、成形用ガラスといった他の成形材料であってもよい。また、光検出素子20及び支持体30を収容するパッケージによって空間Sが気密に封止されている場合等には、支持体30は、空間Sを包囲する一対の側壁部32及び一対の側壁部33に代えて、互いに離間する複数の柱部又は複数の側壁部を有するものであってもよい。
また、上記各実施形態における分光ユニット(一例として分光ユニット2A)では、反射部11Aは、平面ミラーであってもよい。より具体的には、凹部34の内面34aに平坦な傾斜面が設けられ、この傾斜面に反射部としての平面ミラーが設けられてもよい。その場合、光通過部21Aを通過する光L1の入射NAを小さくし且つ「光通過部を通過した光が有する広がり角と同じ広がり角を有する光の光路長であって、光通過部から分光部に至る光路長」>「分光部から光検出部に至る光路長」(縮小光学系)とすることで、分光部40Aで分光される光L2の分解能を高くすることができる。具体的には、次のとおりである。すなわち、反射部11Aが平面ミラーである場合、光L1は、発散しつつ分光部40Aに照射される。そのため、分光部40Aの領域が広くなるのを抑制する観点、及び、分光部40Aが光検出部22Aに光L2を集光する距離が長くなるのを抑制する観点からは、光通過部21Aを通過する光L1の入射NAを小さくする必要がある。そこで、当該光L1の入射NAを小さくし且つ縮小光学系とすることで、分光部40Aで分光される光L2の分解能を高くすることができる。分光ユニット2B〜2Iについても同様である。
また、上記各実施形態における分光器(一例として分光器1A)では、反射部11A,11B,11C及び分光部40A,40B,40Cが形成されたベース壁部31の凹部34は、全ての分光ユニット2A,2B,2Cで共通のものとして説明したが、ベース壁部の凹部は、分光ユニット毎に個別に設けられてもよい。この場合、各凹部同士は、互いに離間していてもよい。すなわち、各凹部間において、凹部が形成されていない平坦な領域が形成されていてもよい。このように凹部を分光ユニット毎に複数形成することで、各凹部の曲率半径の設計自由度を高めることが可能となる。これにより、各分光ユニットで共通の凹部を設ける場合と比較して、分光器の小型化を図ることが可能となる。また、ベース壁部に凹部を設けずに、反射部及び分光部をベース壁部の内側の平坦な領域に設けるようにしてもよい。
また、上記各実施形態では、対向する光検出素子20の端子25と配線13の端部13aとがバンプ14によって接続されていたが、対向する光検出素子20の端子25と配線13の端部13aとを半田付けで接続してもよい。以上のように、分光器1A〜1Cの各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を適用することができる。
1A,1B,1C…分光器、2A,2B,2C,2D,2E,2F,2G,2H,2I…分光ユニット、11A,11B,11C,11D,11E,11F,11G,11H,11I…反射部、12…共通反射部、21A,21B,21C,21D,21E,21F,21G,21H…光通過部、22A,22B,22C,22D,22E,22F,22G,22H,22I…光検出部、24…基板、40A,40B,40C,40D,40E,40F,40G,40H,40I…分光部、70…偏光部、RL1,RL2,RL3,RL4,RL5,RL6,RL7,RL8,RL9…基準線。
Claims (5)
- 第1光通過部、前記第1光通過部を通過した光を反射する第1反射部、前記第1反射部で反射された光を反射する共通反射部、前記第1反射部で反射されて前記共通反射部で反射された光を分光すると共に反射する第1分光部、及び前記第1分光部で分光されると共に反射された光を検出する第1光検出部を有する第1分光ユニットと、
第2光通過部、前記第2光通過部を通過した光を反射する第2反射部、前記第2反射部で反射された光を反射する前記共通反射部、前記第2反射部で反射されて前記共通反射部で反射された光を分光すると共に反射する第2分光部、及び前記第2分光部で分光されると共に反射された光を検出する第2光検出部を有する第2分光ユニットと、を備え、
前記第1光通過部、前記第1反射部、前記共通反射部、前記第1分光部及び前記第1光検出部は、前記第1光通過部を通過する光の光軸方向から見た場合に、第1基準線に沿って並んでおり、
前記第2光通過部、前記第2反射部、前記共通反射部、前記第2分光部及び前記第2光検出部は、前記第2光通過部を通過する光の光軸方向から見た場合に、前記共通反射部において前記第1基準線と交差する第2基準線に沿って並んでいる、分光器。 - 前記共通反射部は、前記第1光通過部と前記第1光検出部との間且つ前記第2光通過部と前記第2光検出部との間に配置されている、請求項1記載の分光器。
- 前記第1分光部は、第1波長帯の光を前記第1光検出部に対して分光すると共に反射し、
前記第2分光部は、前記第1波長帯と異なる第2波長帯の光を前記第2光検出部に対して分光すると共に反射する、請求項1又は2記載の分光器。 - 前記第1光通過部を介して前記第1反射部に至る光の光路及び前記第2光通過部を介して前記第2反射部に至る光の光路に配置され、前記第1基準線及び前記第2基準線のそれぞれに対して所定角度を成す透過軸を有する偏光部を更に備え、
前記第1分光ユニットにおいて、前記第1分光部は、前記第1基準線に沿って並んだ複数のグレーティング溝を有し、前記第1光検出部は、前記第1基準線に沿って並んだ複数の光検出チャネルを有し、
前記第2分光ユニットにおいて、前記第2分光部は、前記第2基準線に沿って並んだ複数のグレーティング溝を有し、前記第2光検出部は、前記第2基準線に沿って並んだ複数の光検出チャネルを有する、請求項1又は2記載の分光器。 - 前記第1光通過部、前記第1光検出部、前記第2光通過部、前記第2光検出部及び前記共通反射部は、一体的に形成された基板に設けられている、請求項1〜4のいずれか一項記載の分光器。
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