JPWO2009110110A1 - 分光モジュール - Google Patents

Abstract

回折層８と一体的に形成された周縁部１１の平面１１ａにアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを形成し、基板２にレンズ部７を実装する際に、これらのアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを基板２に対して位置合わせすることによって、例えばレンズ部７の曲率半径の誤差などによらず、回折層８を光検出素子４の光検出部４ａに対して正確にアライメントする。特に、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを平面１１ａに形成することで、画像認識によってこのアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを正確に位置検出し、これによって正確なアライメントを可能とする。

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、両凸レンズであるブロック状の支持体を備えており、支持体の一方の凸面に回折格子等の分光部が設けられ、支持体の他方の凸面側にフォトダイオード等の光検出素子が設けられたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような分光モジュールでは、他方の凸面側から入射した光が分光部で分光され、分光された光が光検出素子で検出される。
特開平４−２９４２２３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、分光部及び光検出素子が支持体に取り付けられるに際し、分光部と光検出素子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、一方の面から入射した光を透過させる基板と、基板の他方の面に設けられ、基板に入射した光を透過させるレンズ部と、レンズ部に形成され、レンズ部に入射した光を分光する分光部と、一方の面に設けられ、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、回折部、反射部、及び回折部と一体的に形成された縁部を有し、縁部には、アライメントマークが設けられた平面が、一方の面及び他方の面の少なくとも一方と略平行となるように形成されていることを特徴とする。

この分光モジュールでは、予め光検出素子がアライメントされて実装された基板に対して、予め分光部が形成されたレンズ部を実装することによって光検出素子と回折部とのアライメントを行うが、回折部と一体的に形成された縁部の平面にアライメントマークが形成されているため、基板にレンズ部を実装する際に、このアライメントマークを基板に対して位置合わせすることによって、又は、光検出素子に対して直接位置合わせすることによって、例えばレンズ部の曲率半径の誤差などによらず、回折部を光検出素子に対して正確にアライメントすることができる。特に、アライメントマークが基板の面と略平行な平面に形成されているため、画像認識によってこのアライメントマークを正確に位置検出することができ、これによって正確なアライメントが可能となる。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、アライメントマークは、回折部と一体的に形成されていることが好ましい。この場合、アライメントマークと回折部との位置精度を向上させることができ、これによって、回折部を光検出素子に対して一層正確にアライメントすることができる。

本発明に係る分光モジュールにおいては、アライメントマークは、回折部を挟むように、当該回折部における溝の配列方向に沿って少なくとも一対形成されていることが好ましい。この場合、アライメントマークの位置合わせを行うことによって、回折部における溝の配列方向の位置合わせも正確に行うことができ、これによって、分光部で分光された光を確実に光検出素子へ向かわせることができる。

本発明に係る分光モジュールにおいては、光検出素子は、分光部に進行する光が通過する光通過孔を有することが好ましい。この場合、組立時において、光検出素子と光通過孔とをアライメントする工程を省略することができるため、組立作業を容易に行うことができる。

本発明によれば、信頼性を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る分光モジュールの平面図である。 図１に示すII−II線に沿った断面図である。 レンズ部を示す斜視図である。 レンズ部の頂部及び分光部を示す拡大断面図である。 分光部を基板の後面側から見た拡大図である。 分光部の周縁部に設けられたアライメントマークの拡大図である。 レンズ部に分光部を形成する製造プロセスを説明するための図である。 基板にレンズ部を実装するプロセスを説明するための図である。

符号の説明

１…分光モジュール、２…基板、２ａ…前面（一方の面）、２ｂ…後面（他方の面）、３…分光部、４…光検出素子、４ｂ…光通過孔、７…レンズ部、８…回折層（回折部）、１１…周縁部（縁部）、１１ａ…平面、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…アライメントマーク。

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に示すように、分光モジュール１は、前面（一方の面）２ａから入射した光を透過させる基板２と、基板２の後面（他方の面）２ｂに設けられたレンズ部７と、レンズ部７に形成されると共にレンズ部７に入射した光Ｌ１を分光する分光部３と、分光部３によって分光された光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。

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、光透過性樹脂等によって長方形板状に形成されている。

レンズ部７は、基板２と同一の材料、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形成されており、分光部３によって分光された光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。レンズ部７は、半球状若しくはレンズ効果を有する曲面形状のレンズがその平面部分と略直交し且つ互いに略平行な２つの平面で切り落とされて側面が形成された形状とされている（図３参照）。このような形状によって、製造時にレンズ部７を保持し易くなると共に、分光モジュール１の小型化を図ることができる。レンズ部７は、その側面が基板２の長手方向と略平行となるように配置され、基板２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基板２に貼り合わされている。

分光部３は、レンズ部７の外側表面に形成された回折層（回折部）８、回折層８の外側表面に形成された反射層９、及び回折層８の周縁に形成された周縁部（縁部）１１を有する反射型グレーティングである。回折層８は、基板２の長手方向（図１，２における紙面左右方向）に沿って複数の溝を並設することによって形成され、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が適用される。この回折層８における溝は、図５のＧで示す領域に形成される（図５参照）。回折層８は、例えば、光硬化性のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、又は有機無機ハイブリッド樹脂などのレプリカ用光学樹脂を光硬化させることよって形成される。反射層９は、膜状であって、例えば、回折層８の外側表面にＡｌやＡｕ等を蒸着することで形成される。

図４，５に示すように、分光部３の周縁部１１は、回折層８と同じ材料で、その回折層８の周縁を取り囲むようにして形成されている。周縁部１１には、基板２の前面２ａ及び後面２ｂと略平行となる平面１１ａが形成されており、この平面１１ａ上には４つのアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが形成される。回折層８、周縁部１１、及びアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、一つのマスターグレーティング（グレーティングの鋳型）によって一体的に形成される。

アライメントマーク１２ａ，１２ｂは、回折層８を挟むように当該回折層８における溝の配列方向に沿ってそれぞれ形成されており、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ同士を結ぶ仮想線Ｐ１が回折層８の中心Ｃを通過するように配置されている。アライメントマーク１２ｃ，１２ｄは、回折層８を挟むように当該回折層８における溝の延在方向に沿ってそれぞれ形成されており、アライメントマーク１２ｃ，１２ｄ同士を結ぶ仮想線Ｐ２が回折層８の中心Ｃを通過するように配置されている。このように、複数のアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを設けることによって、製造時にいずれかのアライメントマークに不具合が生じた場合でも、他のアライメントマークを用いることで位置合わせをすることが可能となる。また、回折層８の周縁８ａはマスターグレーティングにおいてはエッジ部分に該当することとなるため、アライメントマークが周縁８ａに近すぎる位置に配置される場合は、成形時にアライメントマークが形成されにくくなる可能性がある。一方、アライメントマークを周縁８ａから離しすぎた場合は周縁部１１を大きくする必要があるため、当該周縁部１１の厚みが厚くなってしまい樹脂量制御が困難になってしまう可能性がある。したがって、周縁８ａから１００〜１０００μｍの範囲にアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを形成することが好ましい。

アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、図６に示すように、グレーティングによって十字状に形成される。マスターグレーティングにおける回折層及びアライメントマークの型は、電子ビームによって形成するため、浅いエッチング深さしか得られないが、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄをグレーティングで形成することによって、位置合わせにおける画像認識の視認性を向上させることができる。

図１，２に戻り、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１次元配列されてなり、分光部３によって分光された光Ｌ２を検出する光検出部４ａ、及びフォトダイオードの１次元配列方向において光検出部４ａと並設され、分光部３に進行する光Ｌ１が通過する光通過孔４ｂを有している。光通過孔４ｂは、基板２の短手方向に延在するスリットであり、光検出部４ａ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。光検出素子４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４ａ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。

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、基板２の中央部に配置された複数のパッド部１３ａ、基板２の長手方向における一端部に配置された複数のパッド部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。また、配線１３は、ＣｒＯ等の単層膜、或いはＣｒ−ＣｒＯ等の積層膜からなる光吸収層１３ｄを基板２の前面２ａ側に有している。また、基板２の前面２ａには、配線１３と同様の積層膜によって十字状のアライメントマーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが形成されている。アライメントマーク１４ａ，１４ｂは、基板２の長手方向の両端部にそれぞれ形成されており、基板２の短手方向の中央位置に配置される。また、アライメントマーク１４ｃ，１４ｄは、基板２の短手方向の両端部にそれぞれ形成されており、基板２の長手方向の中央位置に配置される。これらのアライメントマーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、基板２に対して分光部３をアライメントするために、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとの間で位置合わせを行うものである。

更に、基板２の前面２ａには、配線１３のパッド部１３ａ，１３ｂ及びアライメントマーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを露出させ且つ配線１３の接続部１３ｃを覆うように吸光層１６が形成されている。吸光層１６には、分光部３に進行する光Ｌ１が通過するように光検出素子４の光通過孔４ｂと対向する位置にスリット１６ａが形成されると共に、光検出素子４の光検出部４ａに進行する光Ｌ２が通過するように光検出部４ａと対向する位置に開口部１６ｂが形成される。吸光層１６は、所定の形状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。

吸光層１６から露出したパッド部１３ａには、光検出素子４の外部端子が、バンプ１５を介したフェースダウンボンディングによって電気的に接続されている。また、パッド部１３ｂは、外部の電気素子（不図示）と電気的に接続される。そして、光検出素子４の基板２側（ここでは、光検出素子４と基板２又は吸光層１６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、これによって、機械強度を保つことができる。

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、基板２の前面２ａに、配線１３及びアライメントマーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄをパターニングする。その後、パッド部１３ａ，１３ｂ及びアライメントマーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが露出され、スリット１６ａ及び開口部１６ｂが形成されるように吸光層１６をパターニングする。この吸光層１６は、フォトリソグラフィによりアライメントして形成される。吸光層１６を形成したら、その上に、光検出素子４をフェースダウンボンディングによって高い精度でアライメント実装する。

次に、レンズ部７に分光部３を形成する。この分光部３を形成するプロセスを図７を参照して説明する。まず、図７（ａ）に示すように、レンズ部７の頂点付近に回折層８、周縁部１１及びアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを形成するためのレプリカ用光学樹脂２１を滴下する。図７（ｂ）に示すように、滴下したレプリカ用光学樹脂２１に対し、石英などからなる光透過性のマスターグレーティング２２を当接させる。このマスターグレーティング２２には、レンズ部７と略同一の曲率半径を持つ凹部２２ａに回折層８に対応するグレーティングが刻まれると共に凹部２２ａ周辺にアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに対応する形状がグレーティングによって形成されている。レプリカ用光学樹脂２１にマスターグレーティング２２を当接させた状態で光を当てて硬化させることによって、回折層８、周縁部１１及びアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを一体に形成する。なお、硬化させた後は、加熱キュアを行うことによって安定化させることが好ましい。レプリカ用光学樹脂２１が硬化したらマスターグレーティング２２を離型して、図７（ｃ）に示すように、回折層８の外面にアルミや金を蒸着することによって反射層９を形成する。

上述のプロセスによってレンズ部７に分光部３を形成したら、次は図８に示すように、光検出素子４が下側を向くように基板２を実装装置（不図示）に配置し、基板２の後面２ｂに光硬化性の光学樹脂を塗布する。そして、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとアライメントマーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとを画像認識して互いに位置合わせを行いながら、レンズ部７を基板２の後面２ｂに接合し、光照射によって樹脂接着することによってレンズ部７を基板２に実装する。なお、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ及びアライメントマーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ同士はそれぞれ同じアドレスにある必要はなく、例えば、図８においては、アライメントマーク１２ａはアライメントマーク１４ａに対してＬ１だけオフセットし、アライメントマーク１２ｂはアライメントマーク１４ｂに対してＬ２だけオフセットしている。

上述した分光モジュール１の作用効果について説明する。

この分光モジュール１では、予め光検出素子４がアライメントされて実装された基板２に対して、予め分光部３が形成されたレンズ部７を実装することによって光検出素子４と回折層８とのアライメントを行うが、回折層８と一体的に形成された周縁部１１の平面１１ａにアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが形成されているため、基板２にレンズ部７を実装する際に、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを基板２に対して位置合わせすることによって、例えばレンズ部７の曲率半径の誤差などによらず、回折層８を光検出素子４の光検出部４ａに対して正確にアライメントすることができる。特に、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが基板２の前面２ａ及び後面２ｂと略平行な平面１１ａに形成されているため、画像認識によってこのアライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを正確に位置検出することができ、これによって正確なアライメントが可能となる。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、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが、回折層８と一体的に形成されているため、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと回折層８との位置精度を向上させることができ、これによって、回折層８を光検出素子４の光検出部４ａに対して一層正確にアライメントすることができる。

また、アライメントマーク１２ａ，１２ｂが、回折層８を挟むように、当該回折層８における溝の配列方向に沿って一対形成されているため、アライメントマーク１２ａ，１２ｂの位置合わせを行うことによって、回折層８における溝の配列方向の位置合わせも正確に行うことができ、これによって、分光部３で分光された光を確実に光検出素子４の光検出部４ａへ向かわせることができる。

また、光検出素子４が、分光部３に進行する光を通過させる光通過孔４ｂを有しているため、組立時において、光通過孔と光検出素子４の光検出部４ａとをアライメントする工程を省略することができるため、組立作業を容易に行うことができる。

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、本実施形態においては、アライメントマーク１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを基板２に形成されたアライメントマーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに対して位置合わせしているが、基板２の外形、又は基板２の吸光層１６上に形成されたアライメントマークに対して位置合わせしてもよい。また、基板２を介さずに、光検出素子４に設けられたアライメントマークや光検出素子４の外形に対して直接位置合わせを行ってもよい。

また、本実施形態においては、基板２に吸光層１６を設けているが、これに代えて遮光層を設けてもよい。

また、本実施形態においては、光検出素子４に光通過孔４ｂを設けているが、これに代えて、光通過孔を有さない光検出素子を適用し、直接吸光層１６のスリット１６ａに光Ｌ１を通過させてもよい。

本発明によれば、信頼性を向上させることが可能となる。

Claims (4)

1. 一方の面から入射した光を透過させる基板と、
   前記基板の他方の面に設けられ、前記基板に入射した光を透過させるレンズ部と、
   前記レンズ部に形成され、前記レンズ部に入射した光を分光する分光部と、
   前記一方の面に設けられ、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、回折部、反射部、及び前記回折部と一体的に形成された縁部を有し、
   前記縁部には、アライメントマークが設けられた平面が、前記一方の面及び前記他方の面の少なくとも一方と略平行となるように形成されていることを特徴とする分光モジュール。
2. 前記アライメントマークは、前記回折部と一体的に形成され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. 前記アライメントマークは、前記回折部を挟むように、当該回折部における溝の配列方向に沿って少なくとも一対形成され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。
4. 前記光検出素子は、前記分光部に進行する光が通過する光通過孔を有することを特徴とする請求項１記載の分光モジュール。

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