WO2023286165A1 - 受光装置 - Google Patents

受光装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2023286165A1
WO2023286165A1 PCT/JP2021/026314 JP2021026314W WO2023286165A1 WO 2023286165 A1 WO2023286165 A1 WO 2023286165A1 JP 2021026314 W JP2021026314 W JP 2021026314W WO 2023286165 A1 WO2023286165 A1 WO 2023286165A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lens
light receiving
light
receiving element
reflecting surface
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/026314
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
尚友 磯村
悦司 大村
Original Assignee
株式会社京都セミコンダクター
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社京都セミコンダクター filed Critical 株式会社京都セミコンダクター
Priority to PCT/JP2021/026314 priority Critical patent/WO2023286165A1/ja
Priority to JP2021560870A priority patent/JP6989206B1/ja
Publication of WO2023286165A1 publication Critical patent/WO2023286165A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts

Definitions

  • the present invention relates to a light-receiving device installed in a measuring instrument such as a spectroscopic analyzer, and more particularly to a light-receiving device that receives infrared light.
  • a light receiving device for detecting the absorption spectrum of a sample in the infrared region has been used for measuring instruments such as spectroscopic analysis.
  • Such photodetectors are required to detect weak optical signals for highly accurate analysis. Therefore, it is required to increase the amount of light received by enlarging the light receiving area and to suppress the dark current of the semiconductor light receiving element, which is one of the main causes of noise, in order to improve the signal-to-noise ratio.
  • the dark current is reduced by reducing the area of the semiconductor light receiving element (photodiode) provided in the light receiving device.
  • the area of the semiconductor light-receiving element is reduced, the area that receives the light becomes smaller, so the amount of light received decreases. Therefore, increasing the amount of light received and suppressing dark current are in conflict with each other, and it is not easy to achieve both.
  • a light receiving unit configured to collect light onto a light receiving element with a condenser lens
  • Patent Document 1 Light incident parallel to the optical axis of the condenser lens is condensed by the condenser lens, which receives light over a wider area than the light-receiving element, and enters the light-receiving element.
  • the ratio of light incident on (coupling efficiency) is improved.
  • a reflecting mirror that reflects diffused light incident from various directions on the inner surface of a conical cylinder, as in Patent Document 2, for example.
  • the percentage of light (coupling efficiency) is 20%.
  • the coupling efficiency is about 20%, respectively, and there is room for improving the coupling efficiency. Therefore, as a result of examining a case where a plano-convex lens 30 and a reflecting mirror 32 are combined to make light incident on the light receiving element 31 as shown in FIG. 19, the coupling efficiency was improved to 42%. However, the higher the coupling efficiency, the better, and further improvement of the coupling efficiency is required.
  • An object of the present invention is to provide a light receiving device with improved coupling efficiency when diffused light is incident.
  • a light-receiving device comprising a condenser lens, a lens holder for supporting the condenser lens, a semiconductor light-receiving element, and a base for fixing the semiconductor light-receiving element and the lens holder.
  • the condenser lens is a compound eye lens having a plurality of convex lens surfaces on one side
  • the lens holder has a cylindrical reflective surface facing the optical path portion having a circular cross section formed so that the diameter decreases as the semiconductor light receiving element is approached from the condenser lens and the rate of decrease in diameter decreases. and a part of the light transmitted through the condensing lens is reflected by the reflecting surface and enters the semiconductor light receiving element.
  • part of the light that has passed through the condensing lens which is a compound eye lens, travels through the light passage portion while being reflected by the reflecting surface in the lens holder, and enters the semiconductor light-receiving element.
  • the condensing lens is a compound eye lens
  • diffused light incident on the entire condensing lens from various directions can be condensed into the light path portion toward the semiconductor light receiving element by the plurality of convex lens surfaces.
  • the cylindrical reflective surface facing the light path which has a smaller diameter as it gets closer to the semiconductor light receiving element, reflects and condenses part of the light that has passed through the condensing lens. It can be made incident on a semiconductor light receiving element having a diameter smaller than that of the optical lens. Therefore, it is possible to improve the coupling efficiency when diffused light is incident.
  • the distance from the condenser lens on the center line of the reflecting surface passing through the center of the condenser lens is x
  • the coefficient is ⁇
  • the reflective surface is along the rotational curved surface obtained by rotating the curve represented by the exponential function A ⁇ exp (- ⁇ x) around the center line It is characterized by being formed as According to the above configuration, the diameter of the cylindrical reflecting surface exponentially decreases as the distance from the condensing lens approaches the semiconductor light-receiving element, and the rate at which the diameter decreases decreases. approach parallel to the line.
  • This reflective surface has the effect of increasing the directional component of the light directed toward the condenser lens in the direction of the center line and decreasing the directional component directed toward the semiconductor light receiving element when the light is reflected.
  • the cylindrical reflecting surface becomes parallel to the center line, so that this effect is alleviated. Therefore, the light that passes through the condenser lens and is reflected and condensed by the reflecting surface is less likely to return to the condenser lens side when reflected by the reflecting surface a plurality of times, so that the coupling efficiency can be improved.
  • the distance from the condenser lens on the center line of the reflecting surface passing through the center of the condenser lens is x
  • the coefficient is ⁇
  • the aperture radius of the reflecting surface on the side is A
  • the reflecting surface has an approximate polynomial A ⁇ ( 1 ⁇ x+a( ⁇ x) 2 ⁇ b( ⁇ x) 3 +c( ⁇ x) 4 )
  • the diameter of the reflecting surface on the semiconductor light receiving element side is equal to the index It is characterized in that it is formed to be larger than in the case of functions.
  • the cylindrical reflecting surface is formed along a curved surface of revolution obtained by rotating a curve represented by an approximate polynomial that approximates an exponential function.
  • the diameter of this reflecting surface exponentially decreases and the rate at which the diameter decreases decreases as the distance from the condensing lens increases and the semiconductor light receiving element approaches the reflecting surface.
  • the reflective surface has the effect of increasing the directional component of light directed toward the condenser lens in the direction of the center line and reducing the directional component directed toward the semiconductor light receiving element when the light is reflected.
  • the diameter of the reflecting surface on the side of the semiconductor light-receiving element is larger than that in the case of the exponential function, the reflecting surface on the side of the condenser lens becomes more parallel to the center line than in the case of the exponential function. mitigated. Therefore, the light that passes through the condenser lens and is reflected and condensed by the reflecting surface is less likely to return to the condenser lens side when reflected by the reflecting surface a plurality of times, so that the coupling efficiency can be improved.
  • a light receiving device according to the second or third aspect of the invention, wherein the coefficient ⁇ of the exponential function satisfies 0.1 ⁇ 0.2. According to the above configuration, the inclination of the reflecting surface with respect to the center line is optimized, and the coupling efficiency can be improved when diffused light is incident.
  • the condenser lens has a partially spherical convex surface formed on one side of the condenser lens, and the convex lens having a radius of curvature smaller than that of the convex surface. It is characterized by being a compound eye lens in which a surface is formed.
  • the condenser lens is a compound eye lens having a plurality of convex lens surfaces arranged along the partially spherical convex surface. Since the optical axes of the plurality of convex lens surfaces are tilted toward the semiconductor light receiving element, it is possible to make it easier for the light transmitted through the condenser lens to enter the semiconductor light receiving element.
  • a light-receiving device wherein the condensing lens is arranged such that the distance between the center line and the convex lens surface increases as the distance from the center line of the reflecting surface passing through the center of the condensing lens increases. It is characterized by being a compound eye lens formed so that the crossing angle with the optical axis passing through the center is large.
  • the condensing lens is a compound eye lens having a plurality of convex lens surfaces, and the further away from the center line of the reflecting surface passing through the center of the condensing lens, the more the optical axis of the convex lens surface moves with respect to this center line. tilted.
  • the optical axes of the plurality of convex lens surfaces are tilted toward the semiconductor light-receiving element, making it easier for the light transmitted through the condenser lens to enter the semiconductor light-receiving element.
  • a light receiving device wherein the condenser lens is a compound eye lens in which a plurality of the convex lens surfaces are integrally formed on a silicon substrate, and the semiconductor light receiving element is an infrared light receiving device.
  • the condenser lens is a compound eye lens in which a plurality of the convex lens surfaces are integrally formed on a silicon substrate, and the semiconductor light receiving element is an infrared light receiving device.
  • a condenser lens can be formed by integrally forming a plurality of convex lens surfaces on a silicon substrate suitable for high-precision processing. It is possible to form a light receiving device suitable for
  • the light receiving device of the present invention it is possible to improve the coupling efficiency when diffused light is incident.
  • FIG. 1 is an overall view of a light receiving device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of the light receiving device of FIG. 1
  • FIG. FIG. 5 is a diagram showing an example of curves that are rotated to form a reflective surface according to an embodiment
  • It is an example of a ray tracing simulation result in the light receiving device according to the example. This is an example of rays returning to the condenser lens side omitted in FIG. 5 is an example of a ray tracing simulation result when the condenser lens of the light receiving device of FIG. 4 is removed
  • 5 is an example of a ray tracing simulation result when the optical axes of a plurality of convex lens surfaces in FIG.
  • FIG. 4 is tilted;
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the inclination of the optical axis of the convex lens surface of the compound eye lens and the coupling efficiency;
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the coefficient ⁇ , the coupling efficiency, and the reduction ratio of the passage area of the optical passage portion; It is a figure which shows the relationship between the 3rd-order expansion coefficient of a reflecting surface represented by the 4th-order approximation polynomial, the 4th-order expansion coefficient, and coupling efficiency.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the inclination of the optical axis of the convex lens surface of the compound eye lens and the coupling efficiency for the reflecting surface represented by an exponential function and the reflecting surface represented by an approximate polynomial.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a second resist mask forming step for forming a plurality of convex lens surfaces; It is explanatory drawing of the compound-eye lens formed in the convex surface. It is an example of a ray tracing simulation result when diffused light enters a light receiving device equipped with a plano-convex lens as a condensing lens.
  • a ray tracing simulation result when diffused light is incident on a light receiving device equipped with a reflecting mirror that reflects light on the inner surface of a conical cylinder. It is an example of a ray tracing simulation result when the plano-convex lens of FIG. 17 and the reflecting mirror of FIG. 18 are combined.
  • the semiconductor light receiving element 4 is a photodiode having, for example, an indium phosphide (InP) substrate as a semiconductor substrate and an InGaAs layer as a light absorption layer. This semiconductor light receiving element 4 converts the received infrared light into a photocurrent.
  • InP indium phosphide
  • the anode electrode and cathode electrode (not shown) of the semiconductor light receiving element 4 fixed to the base 5 are connected to the corresponding pair of output terminals 5a and 5b of the base 5 by metal wires, for example.
  • the light-receiving device 1 converts the light received by the semiconductor light-receiving element 4 through the condenser lens 2 into a photocurrent, and outputs the current to the outside through a pair of output terminals 5a and 5b.
  • the lens holder 3 has a mounting portion 3a for the condensing lens 2, a housing portion 3b for the semiconductor light receiving element 4, and an optical passage portion 6 that communicates the mounting portion 3a and the housing portion 3b.
  • the lens holder 3 is formed in a circular or polygonal tubular shape by resin molding, for example. Further, the outer shape of the condenser lens 2 may be circular or polygonal.
  • the light path portion 6 is formed so that the diameter decreases as the distance from the condenser lens 2 attached to the attachment portion 3a to the semiconductor light receiving element 4 accommodated in the accommodation portion 3b increases, and the rate at which the diameter decreases decreases.
  • a metal reflecting film for example, Au film, Cr film, etc.
  • a shaped reflective surface 7 is formed on the surface of the lens holder 3 facing the light passage portion 6 by, for example, a vapor deposition method.
  • a shaped reflective surface 7 is formed.
  • the center line C of the reflecting surface 7 is common to the center line of the light path portion 6, and the condenser lens 2 is mounted on the mounting portion 3a so that the center line C passes through the center of the condenser lens 2. As shown in FIG.
  • this reflecting surface 7 is referred to as a reflecting surface 7 represented by an exponential function.
  • This approximation polynomial is an approximation of the polynomial obtained by Taylor-expanding the exponential function of formula (1) up to the 4th-order terms, and the expansion coefficients of the 2nd-order to 4th-order terms are a, b, and c, respectively.
  • the condenser lens 2 has a plurality of partially spherical convex lens surfaces 14 integrally formed on a first surface 11, which is one surface of a silicon (Si) substrate, for example, as a semiconductor substrate 10 of its material. is a compound eye lens in which the second surface 12 is formed flat.
  • the condenser lens 2 is attached to the attachment portion 3 a of the lens holder 3 so that the flat second surface 12 faces the light path portion 6 .
  • the semiconductor substrate 10 forming the condenser lens 2 can transmit infrared light with a wavelength of 1.2 ⁇ m or longer, for example, and has a refractive index greater than 3.2.
  • the lens holder 3 to which the condenser lens 2 is attached is positioned so that the center line C of the reflecting surface 7 passes through the center of the semiconductor light receiving element 4 fixed to the base 5, and is fixed to the base 5 with an adhesive, for example.
  • FIG. 4 shows the results of a ray tracing simulation performed on diffused light incident on the light receiving device 1 having the reflecting surface 7 represented by an exponential function.
  • the light-receiving diameter (radius) of this light-receiving surface is set to, for example, 0.5 mm. .
  • a center line C of the reflecting surface 7 passes through the center of the condenser lens 2 and the center of the light receiving surface of the semiconductor light receiving element 4 .
  • Part of the light emitted from a plurality of emission points E and transmitted through the condensing lens 2 travels through the light path portion 6 toward the semiconductor light receiving element 4 while being reflected one or more times by the reflecting surface 7, whereupon the light passes through the semiconductor light receiving element. 4. Further, some light enters the semiconductor light receiving element 4 without being reflected even once by the reflecting surface 7 .
  • the diameter of the reflecting surface 7 decreases from the condenser lens 2 side toward the semiconductor light receiving element 4 side. Therefore, the reflective surface 7 has the effect of increasing the directional component of the light directed toward the condenser lens 2 and decreasing the directional component directed toward the semiconductor light receiving element 4 in the direction of the center line C when the light is reflected (concentration). It has an action of returning to the optical lens 2 side). Therefore, although omitted in FIG. 4, some light is reflected several times by the reflecting surface 7 and returns to the condenser lens 2 side as shown in FIG. Note that the condensing lens 2 is omitted in FIG.
  • the coupling efficiency in FIG. 8%.
  • the coupling efficiency is 47.2% when the condensing lens 2 having the above configuration is removed and only the reflecting surface 7 represented by the exponential function is provided.
  • the diffused light incident on the condenser lens 2 is condensed, and the amount of light traveling in the direction of the center line C in the light path portion 6 increases. Light is reduced and coupling efficiency is improved.
  • Reflecting surface 7 represented by an exponential function becomes parallel to center line C with a smaller diameter and a smaller rate of diameter reduction as it moves away from condenser lens 2 and approaches semiconductor light-receiving element 4 . As it gets closer, the slope becomes smaller. Therefore, as the semiconductor light-receiving element 4 is approached, the function of the reflecting surface 7 to return light to the condensing lens 2 side at the time of reflection is alleviated. Therefore, compared with the conventional truncated cone-shaped reflecting mirror 32 of FIG. less light is returned to and the coupling efficiency is improved.
  • the coupling efficiency improves to 69.6%.
  • Fig. 8 shows the coupling efficiency when the crossing angle ⁇ between the center line C and the optical axes of the plurality of microlenses is increased by 5° from -30° to 45°.
  • ⁇ is set to 0°. value.
  • a smaller coefficient ⁇ tends to improve the coupling efficiency indicated by the circle ( ⁇ ), and a coupling efficiency exceeding 65% is obtained when the coefficient ⁇ is 0.1 to 0.2.
  • the reflecting surface 7 becomes parallel to the center line C, so that the reflecting surface 7 easily reflects and converges the light transmitted through the condenser lens 2 toward the semiconductor light receiving element 4 side.
  • the coefficient ⁇ can be set according to the requirements of the light receiving device 1 .
  • the shape of the reflecting surface 7 can be obtained by adjusting the expansion coefficients b and c of the cubic and quartic terms in addition to the coefficient ⁇ . can be optimized.
  • the coupling efficiency is about 70%.
  • the diameter of the reflecting surface 7 on the semiconductor light receiving element 4 side is larger than in the case of the exponential function, and the reflecting surface 7 is closer to the center line C on the condenser lens 2 side than in the case of the exponential function. approach parallel. Therefore, the reflecting surface 7 represented by this approximate polynomial has a more relaxed action of returning light to the condenser lens 2 side than the case of the exponential function, reduces the light returning to the condenser lens 2 side, and increases the coupling efficiency. improves.
  • the diameter of the reflecting surface 7 is reduced halfway from the condenser lens 2 toward the semiconductor light-receiving element 4, and then the diameter on the semiconductor light-receiving element 4 side gradually increases.
  • This reflecting surface 7 has the effect of increasing the directional component of light toward the semiconductor light receiving element 4 side in the direction of the center line C on the semiconductor light receiving element 4 side where the diameter is enlarged. Therefore, the amount of light returning toward the condenser lens 2 rather than the reflecting surface 7, which is represented by an exponential function, is reduced, and the coupling efficiency is improved.
  • FIG. 11 shows an example of comparing the coupling efficiency when the reflecting surface 7 is represented by an exponential function and by an approximate polynomial, while changing the crossing angle ⁇ of the convex lens surfaces 40 of the condenser lens 2. .
  • the coupling efficiency is particularly improved when the crossing angle ⁇ is 30° to 40° both when represented by an exponential function and when represented by an approximate polynomial.
  • the intersection angle ⁇ is the same, the approximate polynomial has a higher coupling efficiency, and it can be seen that the shape of the reflecting surface 7 is optimized by adjusting the expansion coefficients b and c.
  • a first resist film 21 is formed in the center of the first surface 11 of the semiconductor substrate 10 in a circular shape in a plan view and the center of the circle is aligned with the center of the semiconductor substrate 10 (first resist film 21). forming process).
  • a plano-convex lens shape is formed using the surface tension of the melted first resist film 21 as shown in FIG.
  • a first resist mask 22 is formed (first resist mask forming step).
  • the first surface 11 side of the semiconductor substrate 10 is etched by reactive ion etching (RIE) until the first resist mask 22 is removed (convex etching step).
  • RIE reactive ion etching
  • a convex surface 11 a reflecting the shape of the first resist mask 22 is formed on the first surface 11 of the semiconductor substrate 10 .
  • a flat surface around the convex surface 11a becomes the first surface 11 of the semiconductor substrate 10 exposed by etching.
  • a plurality of convex lens-shaped second resist masks 24 are formed by a method similar to that for forming the first resist mask 22 (second resist mask forming step). Specifically, a plurality of second resist films for forming a plurality of convex lens surfaces 14 are formed on the convex surface 11a and heated to form a plurality of convex lens-shaped second resist films by utilizing surface tension when the second resist film melts. 2 A resist mask 24 is formed.
  • the first surface 11 side of the semiconductor substrate 10 is etched by a reactive ion etching (RIE) method until the plurality of second resist masks 24 are removed in the same manner as in FIG.
  • RIE reactive ion etching
  • a plurality of convex lens surfaces 14 reflecting the shapes of the plurality of second resist masks 24 are formed on the convex surface 11a.
  • a convex surface 11a exposed by etching is formed around the plurality of convex lens surfaces 14, and a flat surface around the convex surface 11a becomes a first surface 11 of the semiconductor substrate 10 exposed by etching.
  • a plurality of partially spherical convex lens surfaces 14 having a radius of curvature smaller than that of the convex surface 11a are integrally formed on the partially spherical convex surface 11a formed on one surface (first surface 11) of the semiconductor substrate 10. and a condenser lens 2, which is a compound eye lens, is formed.
  • the center of the circular contour of the convex surface 11 a is aligned with the center of the condenser lens 2 .
  • a plurality of convex lens surfaces 14 are formed along the convex surface 11a of the condenser lens 2, the further away from the center of the condenser lens 2, the more the optical axis passing through the center line C of the reflecting surface 7 and the center of the convex lens surface 14 becomes. becomes larger.
  • the radius of curvature of the convex surface 11a can be adjusted, and the intersection angle ⁇ of the optical axes of the convex lens surfaces 14 can be adjusted.
  • the condensing lens 2 which is a compound eye lens, travels through the light passage portion 6 while being reflected by the reflecting surface 7 in the lens holder 3 and enters the semiconductor light-receiving element 4 . Since the condenser lens 2 is a compound eye lens, the diffused light incident on the entire condenser lens 2 from various directions can be condensed into the optical path portion 6 toward the semiconductor light receiving element 4 by the plurality of convex lens surfaces 14 .
  • the diameter of the cylindrical reflecting surface 7 decreases exponentially as the distance from the condensing lens 2 and the closer to the semiconductor light receiving element 4 increases. The rate of decrease becomes smaller.
  • the reflecting surface 7 increases the directional component of light directed toward the condensing lens 2 in the direction of the center line C and decreases the directional component directed toward the semiconductor light receiving element 4 . It has the effect of returning to the side.
  • the cylindrical reflecting surface 7 becomes parallel to the center line C, and the inclination of the reflecting surface 7 with respect to the center line C becomes smaller. The action of returning to the lens 2 side is relaxed.
  • the light that passes through the condenser lens 2 and is reflected and condensed by the reflecting surface 7 becomes difficult to return to the condenser lens 2 side when reflected by the reflecting surface 7 a plurality of times, thereby improving the coupling efficiency. be able to.
  • the diameter of the cylindrical reflecting surface 7 exponentially decreases as the distance from the condenser lens 2 and the distance from the semiconductor light receiving element 4 increases. As the diameter decreases, the rate of decrease decreases.
  • the reflecting surface 7 increases the directional component of light directed toward the condensing lens 2 in the direction of the center line C and decreases the directional component directed toward the semiconductor light receiving element 4 . It has the effect of returning to the side.
  • the diameter of the reflecting surface 7 on the side of the semiconductor light receiving element 4 is larger than in the case of the exponential function, the reflecting surface 7 becomes closer to parallel to the center line C on the side of the condenser lens 2 than in the case of the exponential function. , the action of returning to the condensing lens 2 side is relaxed. Therefore, the light that passes through the condenser lens 2 and is reflected and condensed by the reflecting surface 7 becomes difficult to return to the condenser lens 2 side when reflected by the reflecting surface 7 a plurality of times, thereby improving the coupling efficiency. be able to.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

【課題】拡散光が入射する場合の結合効率を向上させた受光装置を提供すること。 【解決手段】集光レンズ(2)と、この集光レンズ(2)が装着されたレンズホルダ(3)と、半導体受光素子(4)と、この半導体受光素子(4)及びレンズホルダ(3)を固定する基台(5)を有し、集光レンズ(2)を透過した光がレンズホルダ(3)内の光通路部(6)を介して半導体受光素子(4)に入射する受光装置(1)において、集光レンズ(2)は、片面に複数の凸レンズ面(14)を備えた複眼レンズであり、レンズホルダ(3)は、集光レンズ(2)から半導体受光素子(4)に近づくほど径が小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなるように形成された光通路部(6)に臨む筒状の反射面(7)を有し、集光レンズ(2)を透過した光の一部が、反射面(7)で反射されて半導体受光素子(4)に入射するように構成した。

Description

受光装置
　本発明は、分光分析機器等の計測機器に装備される受光装置に関し、特に赤外光を受光する受光装置に関する。
　従来から、分光分析等の計測機器には、例えば赤外光領域にある検体の吸収スペクトルを検知するための受光装置が利用されている。このような受光装置には、高精度の分析のために、微弱な光信号を検知することが要求されている。それ故、受光する面積を大きくして受光量を増加させると共に、信号雑音比の改善のために、ノイズの主な原因の１つである半導体受光素子の暗電流を抑制することが求められている。
　暗電流は、受光装置に装備される半導体受光素子（フォトダイオード）の面積を小さくすることにより減少することが知られている。しかし、半導体受光素子の面積を小さくすると、光を受ける面積が小さくなるため、受光量が減少する。従って、受光量の増加と暗電流の抑制とは相反する関係にあり、両立が容易ではない。
　そのため、例えば特許文献１のように、集光レンズによって受光素子に集光するように構成された受光ユニットが知られている。受光素子よりも広い面積で光を受ける集光レンズによって、集光レンズの光軸に平行に入射する光が集光されて受光素子に入射するので、集光レンズに入射する光のうち受光素子に入射する光の割合（結合効率）が向上する。
　しかし、分光分析において、集光レンズが受ける光の大部分は検体で散乱された拡散光である。それ故、例えば図１７の光線追跡シミュレーション結果に示すように、集光レンズとして平凸レンズ３０に入射する拡散光の多くが迷光となって受光素子３１に入射させることができない。このときの結合効率(coupling efficiency)は２１％である。
　一方、例えば特許文献２のように、様々な方向から入射する拡散光を円錐状の筒の内面で反射させる反射鏡が知られている。例えば図１８の光線追跡シミュレーション結果に示すように、円錐筒状の反射鏡３２を装備させて受光素子３１に入射させる場合には、反射鏡３２内に入射する光のうち受光素子３１に入射する光の割合（結合効率）は２０％である。
特開２０１４－２０６２号公報 特開２０１６－８０５５６号公報
　上記特許文献１，２では、結合効率が夫々２０％程度であり、結合効率向上の余地がある。そこで、例えば図１９のように、平凸レンズ３０と反射鏡３２を組み合わせて受光素子３１に入射させる場合について検討した結果、結合効率が４２％に向上した。しかし、結合効率は高い程好ましく、結合効率の一層の向上が要求されている。
　本発明の目的は、拡散光が入射する場合の結合効率を向上させた受光装置を提供することである。
　請求項１の発明の受光装置は、集光レンズと、この集光レンズを支持するレンズホルダと、半導体受光素子と、この半導体受光素子及び前記レンズホルダを固定する基台を有し、前記集光レンズを透過した光が前記レンズホルダ内の光通路部を介して前記半導体受光素子に入射する受光装置において、前記集光レンズは、片面に複数の凸レンズ面を備えた複眼レンズであり、前記レンズホルダは、前記集光レンズから前記半導体受光素子に近づくほど径が小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなるように形成された断面円形の前記光通路部に臨む筒状の反射面を有し、前記集光レンズを透過した光の一部が、前記反射面で反射されて前記半導体受光素子に入射するように構成したことを特徴としている。
　上記構成によれば、受光装置において、複眼レンズである集光レンズを透過した光の一部が、レンズホルダ内の反射面で反射されながら光通路部を進行して、半導体受光素子に入射する。集光レンズが複眼レンズなので、集光レンズ全体に様々な方向から入射する拡散光を、複数の凸レンズ面によって半導体受光素子に向けて光通路部に集光することができる。半導体受光素子に近づくほど径が小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなる光通路部に臨む筒状の反射面は、集光レンズを透過した光の一部を反射、集光して、集光レンズよりも径が小さい半導体受光素子に入射させることができる。それ故、拡散光が入射する場合の結合効率を向上させることができる。
　請求項２の発明の受光装置は、請求項１の発明において、前記集光レンズの中心を通る前記反射面の中心線上で前記集光レンズからの距離をｘ、係数をα、前記集光レンズ側における前記反射面の開口半径をＡとしたときに、前記反射面は、前記中心線を軸にして、指数関数Ａ×ｅｘｐ（－αｘ）で表される曲線を回転させた回転曲面に沿うように形成されたことを特徴としている。
　上記構成によれば、筒状の反射面は、集光レンズから離隔して半導体受光素子に近づくほど、径が指数関数的に小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなるので、反射面が中心線に対して平行に近づく。この反射面は、光の反射時に、中心線の方向における光の集光レンズ側に向かう方向成分を増加させ、半導体受光素子側に向かう方向成分を減少させる作用を有する。そして、半導体受光素子に近づくほど、筒状の反射面が中心線に対して平行に近づくので、この作用が緩和される。従って、集光レンズを透過して反射面で反射、集光される光は、反射面で複数回反射される場合に集光レンズ側に戻り難くなるので、結合効率を向上させることができる。
　請求項３の発明の受光装置は、請求項１の発明において、前記集光レンズの中心を通る前記反射面の中心線上で前記集光レンズからの距離をｘ、係数をα、前記集光レンズ側における前記反射面の開口半径をＡとしたときに、前記反射面は、前記中心線を軸にして、指数関数Ａ×ｅｘｐ（－αｘ）を４次の項まで展開した近似多項式Ａ×（１－αｘ＋ａ（αｘ）2－ｂ（αｘ）3＋ｃ（αｘ）4）で表される曲線を回転させた回転曲面に沿うように、且つこの反射面の前記半導体受光素子側の径が前記指数関数の場合よりも大きくなるように形成されたことを特徴としている。
　上記構成によれば、筒状の反射面は、指数関数を近似する近似多項式で表される曲線を回転させた回転曲面に沿うように形成されている。この反射面は、集光レンズから離隔して半導体受光素子に近づくほど、径が指数関数的に小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなる。また、この反射面は、光の反射時に、中心線の方向における光の集光レンズ側に向かう方向成分を増加させて半導体受光素子側に向かう方向成分を小さくする作用を有する。そして、この反射面の半導体受光素子側の径が指数関数の場合よりも大きいことによって、指数関数の場合よりも集光レンズ側で反射面が中心線に対して平行に近づくので、この作用が緩和される。従って、集光レンズを透過して反射面で反射、集光される光は、反射面で複数回反射される場合に集光レンズ側に戻り難くなるので、結合効率を向上させることができる。
　請求項４の発明の受光装置は、請求項２又は３の発明において、前記指数関数の係数αが０．１≦α≦０．２であることを特徴としている。
　上記構成によれば、中心線に対する反射面の傾きが最適化され、拡散光が入射する場合の結合効率を向上させることができる。
　請求項５の発明の受光装置は、請求項１の発明において、前記集光レンズは、前記集光レンズの片面に形成された部分球面状の凸面に、前記凸面よりも小さい曲率半径の前記凸レンズ面が形成された複眼レンズであることを特徴としている。
　上記構成によれば、集光レンズは、部分球面状の凸面に沿って配設された複数の凸レンズ面を有する複眼レンズである。複数の凸レンズ面の光軸が半導体受光素子に向かうように傾けられているので、集光レンズを透過した光を半導体受光素子に入射させ易くすることができる。
　請求項６の発明の受光装置は、請求項１の発明において、前記集光レンズは、前記集光レンズの中心を通る前記反射面の中心線から離隔するほど、前記中心線と前記凸レンズ面の中心を通る光軸との交差角が大きくなるように形成された複眼レンズであることを特徴としている。
　上記構成によれば、集光レンズは、複数の凸レンズ面を有する複眼レンズであり、集光レンズの中心を通る反射面の中心線から離隔するほど、凸レンズ面の光軸がこの中心線に対して傾いている。これにより複数の凸レンズ面の光軸が半導体受光素子に向かうように傾けられ、集光レンズを透過した光を半導体受光素子に入射させ易くすることができる。
　請求項７の発明の受光装置は、請求項１の発明において、前記集光レンズは複数の前記凸レンズ面がシリコン基板に一体的に形成された複眼レンズであり、前記半導体受光素子は赤外光を受光することを特徴としている。
　上記構成によれば、高精度の加工に適したシリコン基板に複数の凸レンズ面を一体的に形成することによって集光レンズを形成することができ、シリコン基板を透過する赤外光領域の分光分析に適した受光装置を形成することができる。
　本発明の受光装置によれば、拡散光が入射する場合の結合効率を向上させることができる。
本発明の実施例に係る受光装置の全体図である。 図１の受光装置の要部断面図である。 実施例に係る反射面を形成するために回転させる曲線の例を示す図である。 実施例に係る受光装置における光線追跡シミュレーション結果の例である。 図４で省略した集光レンズ側に戻る光線の例である。 図４の受光装置の集光レンズを除去した場合の光線追跡シミュレーション結果の例である。 図４の複数の凸レンズ面の光軸を傾けた場合の光線追跡シミュレーション結果の例である。 複眼レンズの凸レンズ面の光軸の傾きと結合効率の関係を示す図である。 係数αと結合効率と光通路部の通路面積の縮小率の関係を示す図である。 ４次の近似多項式で表される反射面の３次の展開係数と４次の展開係数と結合効率の関係を示す図である。 指数関数で表される反射面と近似多項式で表される反射面について、複眼レンズの凸レンズ面の光軸の傾きと結合効率の関係を示す図である。 凸面形成用の第１レジスト膜形成工程の説明図である。 凸面形成用の第１レジストマスク形成工程の説明図である。 凸面エッチング工程の説明図である。 複数の凸レンズ面形成用の第２レジストマスク形成工程の説明図である。 凸面に形成された複眼レンズの説明図である。 集光レンズとして平凸レンズを装備した受光装置に拡散光が入射した場合の光線追跡シミュレーション結果の例である。 円錐状の筒の内面で反射させる反射鏡を装備した受光装置に拡散光が入射した場合の光線追跡シミュレーション結果の例である。 図１７の平凸レンズと図１８の反射鏡を組み合わせた場合の光線追跡シミュレーション結果の例である。
　以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
　図１、図２に示すように、受光装置１は、集光レンズ２と、この集光レンズ２を支持するレンズホルダ３と、半導体受光素子４と、この半導体受光素子４及びレンズホルダ３を固定する基台５を有する。そして、矢印Iで示すように、例えば検体で散乱された拡散光が様々な方向から集光レンズ２に入射し、集光レンズ２を透過した光が半導体受光素子４に入射するように、受光装置１が構成されている。
　半導体受光素子４は、半導体基板として例えばリン化インジウム（ＩｎＰ）基板と、光吸収層としてＩｎＧａＡｓ層を備えたフォトダイオードである。この半導体受光素子４は、受光した赤外光を光電流に変換する。
　基台５に固定された半導体受光素子４の不図示のアノード電極及びカソード電極は、対応する基台５の１対の出力端子５ａ，５ｂに例えば金属ワイヤによって接続されている。受光装置１は、集光レンズ２を透過して半導体受光素子４が受光した光を光電流に変換し、１対の出力端子５ａ，５ｂを介して外部に出力する。
　レンズホルダ３は、集光レンズ２の装着部３ａと、半導体受光素子４の収容部３ｂと、これら装着部３ａと収容部３ｂを連通させる光通路部６を有する。このレンズホルダ３は、例えば樹脂成形によって外形が円形又は多角形の筒状に形成されている。また、集光レンズ２の外形は、円形でもよく多角形でもよい。
　光通路部６は、装着部３ａに装着された集光レンズ２から収容部３ｂに収容された半導体受光素子４に近づくほど径が小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなるように形成されている。そして、レンズホルダ３の光通路部６に臨む面に、例えば蒸着法によって金属反射膜（例えばＡｕ膜、Ｃｒ膜等）が形成されたことにより、断面円形の光通路部６の側面を囲む筒状の反射面７が形成されている。この反射面７の中心線Ｃは、光通路部６の中心線と共通であり、中心線Ｃが集光レンズ２の中心を通るように集光レンズ２が装着部３ａに装着されている。
　反射面７は、図３に示すｘ軸からの距離ｙが次の（１）式の指数関数（exponential）で表される曲線を、中心線Ｃと一致させたｘ軸を中心に回転させた回転曲面に形成されている。
　ｙ＝Ａ×ｅｘｐ（－αｘ）　・・・（１）
　以下では、この反射面７を指数関数で表される反射面７とする。集光レンズ２は、ｘ＝０の位置に配設され、係数Ａが反射面７の集光レンズ２側における開口半径に相当する。尚、図３では係数Ａ＝１、α＝０．２としている。
　また、反射面７は、距離ｙが（１）式の指数関数を４次の項まで展開した次の（２）式の近似多項式（polynomial）で表される曲線を、中心線Ｃと一致させたｘ軸を中心に回転させた回転曲面に形成することもできる。
　ｙ＝Ａ×（１－αｘ＋ａ（αｘ）2－ｂ（αｘ）3＋ｃ（αｘ）4）　・・・（２）
　以下では、この反射面７を近似多項式で表される反射面７とする。この近似多項式は、（１）式の指数関数をテイラー展開した多項式の４次の項までの近似式であり、２次～４次の項の展開係数を夫々ａ，ｂ，ｃとしている。集光レンズ２は、ｘ＝０の位置に配設され、係数Ａが反射面７の集光レンズ２側における開口半径に相当する。尚、図３ではＡ＝１、α＝０．２、ａ＝０．５、ｂ＝０．１６７、ｃ＝０．３としている。
　集光レンズ２は、その材料の半導体基板１０として例えばシリコン（Ｓｉ）基板の片面である第１面１１に部分球面状の複数の凸レンズ面１４が一体的に形成され、第１面１１の裏面である第２面１２が平坦に形成された複眼レンズである。この集光レンズ２は、平坦な第２面１２が光通路部６に臨むように、レンズホルダ３の装着部３ａに装着されている。集光レンズ２を形成する半導体基板１０は、例えば波長が１．２μｍ以上の赤外光を透過させることができ、屈折率は３．２よりも大きい。
　集光レンズ２が装着されたレンズホルダ３は、基台５に固定された半導体受光素子４の中心を反射面７の中心線Ｃが通るように位置決めされ、基台５に例えば接着剤によって固定されている。指数関数で表される反射面７を有する受光装置１に入射する拡散光について行った光線追跡シミュレーションの結果を図４に示す。
　光線追跡シミュレーションでは、発散角（全角）が４０°の光を、集光レンズ２の第１面１１側に設定された複数の出射点Ｅから集光レンズ２に入射させる。これにより、集光レンズ２の全体に様々な方向から入射する拡散光が再現されている。集光レンズ２の各凸レンズ面１４は、直径が１００μｍ、曲率半径が７０μｍ、厚さが５０μｍの微小レンズとして設定されている。このような複数の微小レンズを、５０μｍの間隔を空けて並べることにより、集光レンズ２（複眼レンズ）が再現されている。
　反射面７は、集光レンズ２の複数の凸レンズ面１４が全て反射面７の内側に収まるように、上記（１）式において係数Ａ＝１、α＝０．２に設定されている。この反射面７は、中心線Ｃの方向の長さが３．８ｍｍに設定され、ｘ＝３．８ｍｍの位置に半導体受光素子４の受光面が設定されている。この受光面における受光径（半径）が例えば０．５ｍｍに設定され、ｘ＝３．８ｍｍにおける半径０．４７ｍｍの反射面７の内側の光通路部６からの光が半導体受光素子４に入射する。反射面７の中心線Ｃは、集光レンズ２の中心及び半導体受光素子４の受光面中心を通る。
　複数の出射点Ｅから出射されて集光レンズ２を透過した光の一部は、反射面７によって１回以上反射されながら半導体受光素子４に向かって光通路部６を進行し、半導体受光素子４に入射する。また、反射面７で１回も反射されずに半導体受光素子４に入射する光もある。
　反射面７は、集光レンズ２側から半導体受光素子４側に向かって径が小さくなる。それ故、反射面７は、光の反射時に、中心線Ｃの方向において、光の集光レンズ２側に向かう方向成分を増加させて半導体受光素子４側に向かう方向成分を減少させる作用（集光レンズ２側に戻す作用）を有する。それ故、図４では省略しているが、例えば図５のように反射面７で複数回反射されて集光レンズ２側に戻り、半導体受光素子４に入射しない光もある。尚、図５では集光レンズ２を省略している。
　光通路部６に入射した光（集光レンズ２を透過した光）のうち半導体受光素子４に入射する光の割合を結合効率（coupling efficiency）とした場合に、図４における結合効率は５６．８％である。一方、図６のように、上記構成の集光レンズ２を除去して指数関数で表される反射面７のみの場合には、結合効率は４７．２％である。集光レンズ２が入射する拡散光を集光して、光通路部６を中心線Ｃの方向に進行する光が増加するので、反射面７で複数回反射されて集光レンズ２側に戻る光が減少し、結合効率が向上している。
　指数関数で表される反射面７は、集光レンズ２から離隔して半導体受光素子４に近づくほど、径が小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなって、中心線Ｃに対して平行に近づき、傾きが小さくなる。それ故、半導体受光素子４に近づくほど、反射面７が有する反射時の上記集光レンズ２側に戻す作用が緩和される。従って、図１８の従来の円錐台状の反射鏡３２と比べて、集光レンズ２を透過して反射面７で反射、集光される光のうち、複数回反射されて集光レンズ２側に戻る光が減少し、結合効率が向上する。
　集光レンズ２の複数の凸レンズ面１４が、半導体受光素子４側（光通路部６の奥側）に向けて光を導入すれば、結合効率が一層向上すると考えられる。そこで、図４の微小レンズの光軸を、中心線Ｃと交差角θ＝３０°で交差するように中心線Ｃに向けて傾けた場合の光線追跡シミュレーション結果を図７に示す。この場合、結合効率が６９．６％に向上する。
　中心線Ｃと複数の微小レンズの光軸の交差角θを－３０°から４５°まで５°ずつ増加させたときの結合効率を図８に示している。尚、微小レンズの光軸が中心線Ｃと平行であるときにθを０°、光通路部６内で微小レンズの光軸が中心線Ｃと交差しない方向に傾けたときにθを負の値としている。
　図８において、結合効率は、何れの交差角θにおいても集光レンズ２が無い場合よりも大きい。また、交差角θ＝２５°～４５°の場合には、交差角θ＝０°の場合よりも結合効率が大きい。従って、集光レンズ２が、複数の凸レンズ面１４の光軸を反射面７の中心線Ｃとθ＝２５°～４５°の交差角で交差するように夫々傾けた複眼レンズである場合には、結合効率の一層の向上を図ることができる。そして、複数の凸レンズ面１４の光軸の傾きが同じでなくてもθ＝２５°～４５°の交差角であれば、θ＝０°の場合よりも結合効率が向上することが容易に理解される。
　反射面７は、その係数αによって形状が変わり、結合効率も変化する。交差角θ＝０°の集光レンズ２を有する場合に、指数関数で表される反射面７の係数αを変化させたときの係数αと結合効率の関係を図９に示す。係数αが小さい方が、丸（●）で示す結合効率が向上する傾向があり、係数αが０．１～０．２の場合に６５％を超える結合効率が得られる。係数αが小さいほど、反射面７が中心線Ｃに対して平行に近づくので、反射面７が集光レンズ２を透過した光を半導体受光素子４側に向けて反射、集光し易くなる。
　一方、係数αが大きいほど、反射面７が中心線Ｃに対して大きく傾く。それ故、集光レンズ２から一定距離離隔した位置（例えばｘ＝３．８ｍｍ）において、図９の曲線で示す反射面７の内側の光通路部６の通路面積の縮小率は、係数αが大きいほど小さくなる。例えば暗電流の抑制のために受光径が小さい半導体受光素子４を使用する場合等、受光装置１に要求される事項に応じて係数αを設定可能である。
　上記（２）式の近似多項式で表される反射面７の場合には、係数αに加えて、３次及び４次の項の展開係数ｂ，ｃを調整することによって、反射面７の形状を最適化することができる。図１０には、α＝０．２，ａ＝０．５の場合の展開係数ｂ，ｃと結合効率の関係が例示されており、この関係に基づいて、上記（１）式の指数関数をテイラー展開したｂ＝０．１６７（≒１／（３！））、ｃ＝０．０４２（≒１／（４！））の場合よりも結合効率を向上させることができる。
　例えば展開係数ｂ＝０．１６７、ｃ＝０．３に調整した場合には、７０％程度の結合効率になる。このとき図３に示すように、半導体受光素子４側で反射面７の径が指数関数の場合よりも大きくなり、指数関数の場合よりも集光レンズ２側で反射面７が中心線Ｃに平行に近づく。それ故、この近似多項式で表される反射面７は、光を集光レンズ２側に戻す作用が指数関数の場合よりも緩和されて集光レンズ２側に戻る光が減少し、結合効率が向上する。
　また、例えばｂ＝０．２、ｃ＝３．５にした場合には、８０．８％の結合効率が得られる。このとき反射面７は集光レンズ２から半導体受光素子４に向かって途中まで径が縮小した後、半導体受光素子４側の径が徐々に拡大する形状になる。この反射面７は、径が拡大する半導体受光素子４側では、中心線Ｃの方向における光の半導体受光素子４側に向かう方向成分を増加させる作用を有する。それ故、指数関数で表される反射面７よりも集光レンズ２側に戻る光が減少し、結合効率が向上する。
　反射面７が指数関数で表される場合とその近似多項式で表される場合の結合効率を、集光レンズ２の複数の凸レンズ面４０の交差角θを変えて比較した例を図１１に示す。指数関数で表される場合と近似多項式で表される場合の両方で、交差角θ＝３０°～４０°のときに特に結合効率が向上する。また、交差角θが同じであれば、近似多項式の方が高い結合効率であり、展開係数ｂ，ｃの調整によって反射面７の形状が最適化されていることが分かる。
　次に、複数の凸レンズ面１４の光軸を反射面７の中心線Ｃと交差するように夫々傾けた複眼レンズの形成について説明する。平坦面に光軸を傾けた複数の凸レンズ面１４を形成することは容易ではないので、凸状に形成した面に複数の凸レンズ面１４を形成する。
　図１２に示すように半導体基板１０の第１面１１の中央に、第１レジスト膜２１を平面視円形に且つこの円の中心を半導体基板１０の中心に一致させて形成する（第１レジスト膜形成工程）。次に、この半導体基板１０を例えば１５０℃程度に加熱して第１レジスト膜２１を溶融させることにより、図１３のように溶融した第１レジスト膜２１の表面張力を利用して平凸レンズ状の第１レジストマスク２２が形成される（第１レジストマスク形成工程）。
　次に図１４に示すように、半導体基板１０の第１面１１側を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によって第１レジストマスク２２が無くなるまでエッチングする（凸面エッチング工程）。こうして半導体基板１０の第１面１１に、第１レジストマスク２２の形状が反映された凸面１１ａが形成される。尚、凸面１１ａの周りの平坦な面は、エッチングによって露出した半導体基板１０の第１面１１になる。
　次に、第１レジストマスク２２の形成と同様の方法で、図１５に示すように、凸レンズ状の複数の第２レジストマスク２４を形成する（第２レジストマスク形成工程）。具体的には、凸面１１ａ上に複数の凸レンズ面１４形成用の複数の第２レジスト膜を形成して加熱し、第２レジスト膜の溶融時の表面張力を利用して凸レンズ状の複数の第２レジストマスク２４を形成する。
　次に、図示を省略するが、図１３と同様に半導体基板１０の第１面１１側を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によって複数の第２レジストマスク２４が無くなるまでエッチングする。こうして図１６のように凸面１１ａに、複数の第２レジストマスク２４の形状が反映された複数の凸レンズ面１４が形成される。尚、複数の凸レンズ面１４の周りはエッチングによって露出した凸面１１ａになり、この凸面１１ａの周りの平坦な面はエッチングによって露出した半導体基板１０の第１面１１になる。
　上記のように、半導体基板１０の片面（第１面１１）に形成された部分球面状の凸面１１ａに、凸面１１ａよりも曲率半径が小さい部分球面状の複数の凸レンズ面１４が一体的に形成され、複眼レンズである集光レンズ２が形成される。凸面１１ａの円形の輪郭の中心は、集光レンズ２の中心に一致させている。個片状の半導体基板１０を用いて説明したが、ウェハ状の半導体基板１０に複数の複眼レンズを一括形成してから分割して個片化することもできる。
　集光レンズ２の凸面１１ａに沿って複数の凸レンズ面１４が形成されたので、集光レンズ２の中心から離隔するほど、反射面７の中心線Ｃと凸レンズ面１４の中心を通る光軸との交差角θが大きくなる。例えば第１レジスト膜２１の粘性を調整することによって、凸面１１ａ曲率半径を調整し、複数の凸レンズ面１４の光軸の交差角θを調整することができる。
　凸面１１ａに一体形成された複数の凸レンズ面１４のうち、図８の交差角θ＝５°～２０°に相当する凸レンズ面１４は、中心線Ｃに近いものであり少数である。これらの外側の複数の凸レンズ面１４について交差角θ＝２５°～４０°にすることができるので、結合効率が向上する。一方、凸面１１ａの形成を省略して、上記と同様にして複数の凸レンズ面１４を平坦な第１面１１に一体的に形成することにより、交差角θ＝０°である複数の凸レンズ面１４を備えた複眼レンズを形成することもできる。また、凸面エッチング工程においてエッチングを途中で止めて、中央が平坦面且つその外周が部分球面状の傾斜面である凸部を形成し、この凸部に複数の凸レンズ面１４を形成することもできる。
　上記受光装置１の作用、効果について説明する。
　受光装置１において、複眼レンズである集光レンズ２を透過した光の一部が、レンズホルダ３内の反射面７で反射されながら光通路部６を進行して半導体受光素子４に入射する。集光レンズ２が複眼レンズなので、集光レンズ２全体に様々な方向から入射する拡散光を、複数の凸レンズ面１４によって半導体受光素子４に向けて光通路部６に集光することができる。半導体受光素子４に近づくほど径が小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなる光通路部６に臨む筒状の反射面７は、集光レンズ２を透過した光の一部を反射、集光して、集光レンズ２よりも径が小さい半導体受光素子４に入射させることができる。それ故、受光装置１は、拡散光が入射する場合の結合効率を向上させることができる。
　指数関数で表される反射面７の場合には、この筒状の反射面７は、集光レンズ２から離隔して半導体受光素子４に近づくほど、径が指数関数的に小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなる。この反射面７は、光の反射時に、中心線Ｃの方向における光の集光レンズ２側に向かう方向成分を増加させて半導体受光素子４側に向かう方向成分を減少させて、集光レンズ２側に戻す作用を有する。そして、半導体受光素子４に近づくほど筒状の反射面７が中心線Ｃに対して平行に近づき、中心線Ｃに対する反射面７の傾きが小さくなるので、半導体受光素子４に近づくほどこの集光レンズ２側に戻す作用が緩和される。従って、集光レンズ２を透過して反射面７で反射、集光される光は、反射面７で複数回反射される場合に集光レンズ２側に戻り難くなるので、結合効率を向上させることができる。
　指数関数の近似多項式で表される反射面７の場合には、この筒状の反射面７は、集光レンズ２から離隔して半導体受光素子４に近づくほど、径が指数関数的に小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなる。この反射面７は、光の反射時に、中心線Ｃの方向における光の集光レンズ２側に向かう方向成分を増加させて半導体受光素子４側に向かう方向成分を減少させて、集光レンズ２側に戻す作用を有する。そして、この反射面７の半導体受光素子４側の径が指数関数の場合よりも大きいことによって、指数関数の場合よりも集光レンズ２側で反射面７が中心線Ｃに対して平行に近づき、この集光レンズ２側に戻す作用が緩和される。従って、集光レンズ２を透過して反射面７で反射、集光される光は、反射面７で複数回反射される場合に集光レンズ２側に戻り難くなるので、結合効率を向上させることができる。
　指数関数の係数αが０．１≦α≦０．２である場合には、中心線Ｃに対する反射面７の傾きが最適化され、結合効率を向上させることができる。
　集光レンズ２は、部分球面状の凸面１１ａに沿って配設された複数の凸レンズ面１４を有する複眼レンズである。これにより複数の凸レンズ面１４の光軸が半導体受光素子４に向かうように傾けられ、集光レンズ２を透過した光を半導体受光素子４に入射させ易くすることができる。
　集光レンズ２は、複数の凸レンズ面１４を有する複眼レンズであり、集光レンズ２の中心を通る反射面７の中心線Ｃから離隔するほど、凸レンズ面１４の光軸が中心線Ｃに対して傾いている。これにより複数の凸レンズ面１４の光軸が半導体受光素子４に向かうように傾けられているので、集光レンズ２を透過した光を半導体受光素子４に入射させ易くすることができる。
　複数の凸レンズ面１４を有する集光レンズ２は、半導体製造技術によって高精度の加工が可能な半導体基板１０としてシリコン基板に、複数の凸レンズ面１４を一体的に形成した複眼レンズである。それ故、シリコン基板を透過する赤外光を用いる分光分析に適した受光装置１を形成することができる。
　複数の凸レンズ面１４の数量及びサイズ、凸面１１ａのサイズ、反射面７のサイズ及び形状、半導体受光素子４のサイズ等は、受光装置１に要求される性能等に基づいて適宜設定することが可能である。その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態も包含するものである。
１　　：受光装置
２　　：集光レンズ（複眼レンズ）
３　　：レンズホルダ
３ａ　：装着部
３ｂ　：収容部
４　　：半導体受光素子
５　　：基台
５ａ，５ｂ：端子
６　　：光通路部
７　　：反射面
１０　：半導体基板
１１　：第１面
１１ａ：凸面
１２　：第２面
１４　：凸レンズ面
２１　：第１レジスト膜
２２　：第１レジストマスク
２４　：第２レジストマスク
３０　：平凸レンズ
３１　：受光素子
３２　：反射鏡
Ｃ　　：中心線

Claims (7)

  1. 　集光レンズと、この集光レンズを支持するレンズホルダと、半導体受光素子と、この半導体受光素子及び前記レンズホルダを固定する基台を有し、前記集光レンズを透過した光が前記レンズホルダ内の光通路部を介して前記半導体受光素子に入射する受光装置において、
    　前記集光レンズは、片面に複数の凸レンズ面を備えた複眼レンズであり、
    　前記レンズホルダは、前記集光レンズから前記半導体受光素子に近づくほど径が小さくなると共に径が小さくなる割合が小さくなるように形成された断面円形の前記光通路部に臨む筒状の反射面を有し、
    　前記集光レンズを透過した光の一部が、前記反射面で反射されて前記半導体受光素子に入射するように構成したことを特徴とする受光装置。
  2. 　前記集光レンズの中心を通る前記反射面の中心線上で前記集光レンズからの距離をｘ、係数をα、前記集光レンズ側における前記反射面の開口半径をＡとしたときに、前記反射面は、前記中心線を軸にして、指数関数Ａ×ｅｘｐ（－αｘ）で表される曲線を回転させた回転曲面に沿うように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
  3. 　前記集光レンズの中心を通る前記反射面の中心線上で前記集光レンズからの距離をｘ、係数をα、前記集光レンズ側における前記反射面の開口半径をＡとしたときに、前記反射面は、前記中心線を軸にして、指数関数Ａ×ｅｘｐ（－αｘ）を４次の項まで展開した近似多項式Ａ×（１－αｘ＋ａ（αｘ）2－ｂ（αｘ）3＋ｃ（αｘ）4）で表される曲線を回転させた回転曲面に沿うように、且つこの反射面の前記半導体受光素子側の径が前記指数関数の場合よりも大きくなるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
  4. 　前記指数関数の係数αが０．１≦α≦０．２であることを特徴とする請求項２又は３に記載の受光装置。
  5. 　前記集光レンズは、前記集光レンズの片面に形成された部分球面状の凸面に、前記凸面よりも小さい曲率半径の前記凸レンズ面が形成された複眼レンズであることを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
  6. 　前記集光レンズは、前記集光レンズの中心を通る前記反射面の中心線から離隔するほど、前記中心線と前記凸レンズ面の中心を通る光軸との交差角が大きくなるように形成された複眼レンズであることを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
  7. 　前記集光レンズは複数の前記凸レンズ面がシリコン基板に一体的に形成された複眼レンズであり、前記半導体受光素子は赤外光を受光することを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
PCT/JP2021/026314 2021-07-13 2021-07-13 受光装置 WO2023286165A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2021/026314 WO2023286165A1 (ja) 2021-07-13 2021-07-13 受光装置
JP2021560870A JP6989206B1 (ja) 2021-07-13 2021-07-13 受光装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2021/026314 WO2023286165A1 (ja) 2021-07-13 2021-07-13 受光装置

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US18/403,695 Continuation US20240136451A1 (en) 2024-01-03 Light receiving device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023286165A1 true WO2023286165A1 (ja) 2023-01-19

Family

ID=79239763

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/026314 WO2023286165A1 (ja) 2021-07-13 2021-07-13 受光装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6989206B1 (ja)
WO (1) WO2023286165A1 (ja)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001272274A (ja) * 2000-03-28 2001-10-05 Miyota Kk 焦電型赤外線センサ
JP2007292721A (ja) * 2005-11-25 2007-11-08 Matsushita Electric Works Ltd 半導体レンズおよびそれを用いた赤外線検出装置、半導体レンズの製造方法
JP2011163980A (ja) * 2010-02-10 2011-08-25 Toshiba Lighting & Technology Corp センサ装置
JP2012202683A (ja) * 2011-03-23 2012-10-22 Casio Comput Co Ltd 焦電型赤外線センサ装置及びプログラム
JP2015232506A (ja) * 2014-06-10 2015-12-24 コニカミノルタ株式会社 アレイミラー系及び赤外線検知装置
JP2016080556A (ja) * 2014-10-20 2016-05-16 岡谷電機産業株式会社 赤外線センサ
US20170363859A1 (en) * 2016-06-21 2017-12-21 Abl Ip Holding Llc Variable total internal reflection electrowetting lens assembly for a detector
US20180336389A1 (en) * 2017-05-18 2018-11-22 Chih-Yen Wu Optical element fabrication method and optical sensing device
CN108604055B (zh) * 2015-12-28 2021-05-25 球面光学有限公司 具有奇次项非球面轮廓或多透镜的全方向折反射透镜

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001272274A (ja) * 2000-03-28 2001-10-05 Miyota Kk 焦電型赤外線センサ
JP2007292721A (ja) * 2005-11-25 2007-11-08 Matsushita Electric Works Ltd 半導体レンズおよびそれを用いた赤外線検出装置、半導体レンズの製造方法
JP2011163980A (ja) * 2010-02-10 2011-08-25 Toshiba Lighting & Technology Corp センサ装置
JP2012202683A (ja) * 2011-03-23 2012-10-22 Casio Comput Co Ltd 焦電型赤外線センサ装置及びプログラム
JP2015232506A (ja) * 2014-06-10 2015-12-24 コニカミノルタ株式会社 アレイミラー系及び赤外線検知装置
JP2016080556A (ja) * 2014-10-20 2016-05-16 岡谷電機産業株式会社 赤外線センサ
CN108604055B (zh) * 2015-12-28 2021-05-25 球面光学有限公司 具有奇次项非球面轮廓或多透镜的全方向折反射透镜
US20170363859A1 (en) * 2016-06-21 2017-12-21 Abl Ip Holding Llc Variable total internal reflection electrowetting lens assembly for a detector
US20180336389A1 (en) * 2017-05-18 2018-11-22 Chih-Yen Wu Optical element fabrication method and optical sensing device

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2023286165A1 (ja) 2023-01-19
JP6989206B1 (ja) 2022-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11243115B2 (en) Optical system for reference switching
JP4785033B2 (ja) 光学式水滴センサ
WO2002056062A9 (en) Catoptric and catadioptric imaging systems
US20030010904A1 (en) High speed fiber to photodetector interface
WO2019021362A1 (ja) 端面入射型受光素子
EP1030160A1 (en) Optical position sensor
WO2023286165A1 (ja) 受光装置
US6346701B1 (en) Photodetection method and photodetection device and photodetection/light emission device
WO2023286164A1 (ja) 受光装置
US20240136451A1 (en) Light receiving device
JP3340885B2 (ja) 反射測定装置
WO2019150533A1 (ja) 半導体受光素子
KR100992839B1 (ko) 마이크로 스폿 분광타원계
JP2001264551A (ja) 入射アパーチャを一体成形した光学分光計の光導波管
WO2022259535A1 (ja) 受光装置
JPH0829542A (ja) 光学装置及び受光方法
JPH0685314A (ja) 光結合装置、光結合アレイ及び光電センサ
EP3588564A1 (en) Solid-state photodetector
JPH07120379A (ja) 高感度反射測定装置用の光学系
US7046354B2 (en) Surface foreign matter inspecting device
JP2000216732A (ja) 集光器
JP7438595B1 (ja) 受光装置
WO2022079912A1 (ja) 半導体受光素子
JP2004053648A (ja) 光通信モジュール
JPH08271209A (ja) 光導波路型変位センサおよびそれに用いる半球状レンズ

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021560870

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21950107

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE