JP5825880B2

JP5825880B2 - 分光モジュール

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Publication number: JP5825880B2
Application number: JP2011141878A
Authority: JP
Inventors: 柴山　勝己; 勝己柴山; 隆文能野
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2031-06-27
Also published as: JP2013007707A

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、光入射スリットが形成された支持体と、支持体に配置された光検出素子と、球面状結像格子が設けられたケーシングと、を備え、球面状結像格子が光入射スリット及び光検出素子と対向するように、ケーシングが支持体に取り付けられた分光計が記載されている。

特表２００６−５１４２７７号公報

しかしながら、上述した分光計にあっては、更なる小型化を図るために、光入射スリットと光検出素子との間の距離を短くすると、光入射スリットを通過する光の一部が迷光として光検出素子に検出され、分光計としての検出精度が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、小型化及び検出精度の向上の両立を図ることができる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すると共に所定の面側に反射する分光部と、所定の面に配置され、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、所定の面に設けられ、分光部に進行する光が通過する第１の光通過孔、及び分光部から光検出素子に進行する光が通過する第２の光通過孔を有する遮光層と、光検出素子を所定の面に固定する遮光性の樹脂部材と、を備え、樹脂部材は、光の入射方向から見た場合に、光検出素子の外縁から突出する突出部を複数有し、第１の光通過孔の全体は、光の入射方向から見た場合に、光検出素子の外縁の外側において、隣り合う突出部の間に位置しており、光検出素子は、光の入射方向から見た場合に、略長方形状に形成されており、隣り合う突出部は、光検出素子において短辺を介して隣り合う角部に位置しており、短辺に平行な方向において、第１の光通過孔の長さよりも光検出素子の光検出部の長さが大きくされている。

この分光モジュールでは、光検出素子が遮光性の樹脂部材によって本体部の所定の面に固定されており、その所定の面に設けられた遮光層の第１の光通過孔の全体が、遮光性の樹脂部材が有する突出部の間に位置している。これにより、光検出素子を固定するための樹脂部材に邪魔されることなく、第１の光通過孔を光検出素子に近付けて配置することができる。更に、第１の光通過孔を光検出素子に近付けて配置しても、第１の光通過孔の全体を挟むように位置する突出部が遮光性を有しているため、第１の光通過孔を通過する光の一部が迷光として光検出素子に入射するのを抑制することができる。よって、この分光モジュールによれば、小型化及び検出精度の向上の両立を図ることが可能となる。

また、第１の光通過孔は、隣り合う突出部が並ぶ方向に延在する光入射スリットであってもよい。この構成によれば、第１の光通過孔の全体を光検出素子に近付けて配置することができ、より一層の小型化を図ることが可能となる。

また、樹脂部材は、光検出素子の外縁に沿い且つ隣り合う突出部を繋ぐ接続部を更に有していてもよい。この構成では、隣り合う突出部を繋ぐ接続部も遮光性を有している。従って、この構成によれば、第１の光通過孔を通過する光の一部が迷光として光検出素子に入射するのをより確実に抑制することができ、より一層の検出精度の向上を図ることが可能となる。

また、隣り合う突出部のそれぞれは、隣り合う角部のそれぞれから短辺に対して９０°以上１３５°以下の角度で延在する線に沿うように突出していてもよい。例えば温度変化に起因して光検出素子が変形（膨張・収縮）する場合には、光検出素子の長手方向への変形が相対的に大きくなるが、この構成では、光検出素子の長手方向への変形を押さえる強度が突出部において高くなっている。従って、この構成によれば、第１の光通過孔と光検出素子との位置ずれを低減することができ、光検出素子の変形に起因した検出精度の劣化を抑制することが可能となる。

本発明によれば、分光モジュールにおいて、小型化及び検出精度の向上の両立を図ることができる。

本発明の一実施形態の分光モジュールの平面図である。図１のII−II線に沿っての分光モジュールの断面図である。本発明の他の実施形態の分光モジュールにおける樹脂部材の配置を示す図である。本発明の他の実施形態の分光モジュールにおける樹脂部材の配置を示す図である。

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。

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を分光すると共に前面２ａ側に反射する分光部３と、前面２ａに配置され、分光部３によって分光されると共に反射された光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。

分光モジュール１は、更に、本体部２の前面２ａに設けられた遮光層６と、光検出素子４を前面２ａに固定する遮光性の樹脂部材１０と、を備えている。遮光層６は、外部から分光部３に進行する光Ｌ１が通過する光入射スリット（第１の光通過孔）６ａ、及び分光部３から光検出素子４に進行する光Ｌ２が通過する光通過開口（第２の光通過孔）６ｂを有している。樹脂部材１０は、光吸収性の樹脂材料（エポキシ系、アクリル系、シリコーン系、ウレタン系の樹脂、有機・無機ハイブリッド樹脂、或いはそれらに光吸収性顔料を混入させた樹脂等）からなる。

本体部２は、光Ｌ１の入射方向（ここでは、前面２ａに略垂直な方向）に積層された光透過部材２_１〜２_３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板状に形成されている。光透過部材２_３は、光透過部材２_１，２_２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いる。光透過部材２_３が光透過部材２_１，２_２と同一の材料からなる場合には、光透過部材２_３は、光学樹脂やダイレクトボンディングによって光透過部材２_２に貼り合わされる。なお、光透過部材２_３の外側表面は、分光部３によって分光されると共に反射される光Ｌ２を光検出素子４の光検出部４０に結像するレンズとして機能する。

分光部３は、反射型グレーティングであって、光透過部材２_３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を有している。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_３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、フォトダイオードアレイであって、長尺状のフォトダイオードがその長手方向に略垂直な方向に一次元配列されてなる光検出部４０を有している。光検出素子４は、フォトダイオードの一次元配列方向が光透過部材２_１，２_２の長手方向と略一致し且つ光検出部４０が本体部２の前面２ａ側に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。

本体部２の前面２ａ（ここでは、光透過部材２_１の前面）には、ＡｌやＡｕ等の単層膜、或いはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｃｒ−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、光通過開口６ｂの周囲に配置された複数のパッド部９ａ、光透過部材２_１，２_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９ｂ、及び対応するパッド部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の外部端子がバンプ１８を介した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。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。更に、配線９における前面２ａ側の表面部には、ＣｒＯ等の単層膜、或いはＣｒ−ＣｒＯ等の積層膜からなる光反射防止層１３が形成されている。これにより、配線９による迷光の乱反射等が防止される。

遮光層６は、配線９の接続部９ｃを覆う一方で配線９のパッド部９ａ，９ｂを露出させるように、本体部２の前面２ａに設けられている。遮光層６の光入射スリット６ａは、光透過部材２_１，２_２の長手方向に略垂直な方向に延在している。遮光層６の光通過開口６ｂは、光検出素子４の光検出部４０と対向している。遮光層６は、光入射スリット６ａ及び光通過開口６ｂを有するようにパターニングされて、光吸収性の材料（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。

なお、配線９における前面２ａと反対側の表面部に、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、或いはＳｉＯＮ等からなる電気絶縁層が膜状に形成されていてもよい。例えば遮光層６がブラックレジストからなる場合には、遮光層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するおそれがある。このとき、電気絶縁層が形成されていれば、配線９，９間がショートするのを防止することができる。

光Ｌ１の入射方向において隣り合う光透過部材２_１，２_２の間には、遮光層７が形成されている。遮光層７は、分光部３に進行する光Ｌ１が通過する光通過開口７ａ、及び分光部３から光検出素子４に進行する光Ｌ２が通過する光通過開口７ｂを有している。遮光層７は、光透過部材２_１の後面に形成されており、遮光層７が形成された光透過部材２_１と光透過部材２_２とは、屈折率整合用の光学樹脂材８によって貼り合わされている。遮光層７は、光通過開口７ａ，７ｂを有するようにパターニングされて、光吸収性の材料（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。このように遮光層７が設けられることで、広がりながら本体部２を進行する光Ｌ１，Ｌ２が所望の領域に到達するように制限されると共に、光検出素子４への迷光の入射が抑制される。

図１に示されるように、樹脂部材１０は、突出部１５ａ，１５ｂを有している。突出部１５ａ，１５ｂは、光Ｌ１の入射方向から見た場合に、略長方形状（例えば、２ｍｍ×８ｍｍ程度）に形成された光検出素子４の外縁（すなわち、光検出素子４の短辺４ａ及び長辺４ｂ）から外側に突出している。

突出部１５ａは、光入射スリット６ａ側の短辺４ａを介して隣り合う角部４ｃ，４ｃのそれぞれに位置している。突出部１５ｂは、光入射スリット６ａと反対側の短辺４ａを介して隣り合う角部４ｃ，４ｃのそれぞれに位置している。突出部１５ａ，１５ｂは、各角部４ｃにおいてバンプ１８を覆っている（図２参照）。このように、樹脂部材１０は、本体部２の前面２ａ上に光検出素子４を支持し且つ本体部２の前面２ａに光検出素子４を固定するバンプ１８の補強部材となっている。

隣り合う突出部１５ａ，１５ａのそれぞれは、光入射スリット６ａ側の短辺４ａに対して９０°以上１３５°以下の角度で延在する線（図１において一点鎖線で示される線）に沿うように、隣り合う角部４ｃ，４ｃのそれぞれから突出している。同様に、隣り合う突出部１５ｂ，１５ｂのそれぞれは、光入射スリット６ａと反対側の短辺４ａに対して９０°以上１３５°以下の角度で延在する線に沿うように、隣り合う角部４ｃ，４ｃのそれぞれから突出している。

遮光層６に形成された光入射スリット６ａは、隣り合う突出部１５ａ，１５ａが並ぶ方向（ここでは、短辺４ａに略平行な方向）に延在し、光Ｌ１の入射方向から見た場合に、隣り合う突出部１５ａ，１５ａの間に位置している。なお、光入射スリット６ａの延在方向において、光入射スリット６ａの長さは例えば０．５ｍｍ〜１ｍｍであり、光検出素子４の光検出部４０の長さは例えば１ｍｍ程度である。光入射スリット６ａの延在方向において、光入射スリット６ａの長さよりも光検出部４０の長さが大きくされていると、分光部３によって光検出部４０に結像された光Ｌ２の幅が大きくなったり、光検出部４０に対する光Ｌ２の結像位置に若干のずれが生じたりしても、光Ｌ２が光検出部４０に確実に入射し、検出感度の低下が防止される。

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、遮光層６の光入射スリット６ａを介して本体部２の前面２ａから本体部２に入射する。本体部２に入射した光Ｌ１は、光透過部材２_１、遮光層７の光通過開口７ａ、光透過部材２_２，２_３を進行して分光部３に到達し、分光部３によって分光されると共に本体部２の前面２ａ側に反射される。分光部３によって分光されると共に反射された光Ｌ２は、光透過部材２_３，２_２、遮光層７の光通過開口７ｂ、光透過部材２_１、遮光層６の光通過開口６ｂを進行して光検出素子４の光検出部４０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、分光モジュール１では、光検出素子４が遮光性の樹脂部材１０によって本体部２の前面２ａに固定されており、その前面２ａに設けられた遮光層６の光入射スリット６ａが、遮光性の樹脂部材１０が有する突出部１５ａ，１５ａが並ぶ方向に延在した状態で、その突出部１５ａ，１５ａの間に位置している。これにより、光検出素子４を固定するための樹脂部材１０に邪魔されることなく、光入射スリット６ａの全体を光検出素子４に近付けて配置することができる。更に、光入射スリット６ａの全体を光検出素子４に近付けて配置しても、光入射スリット６ａを挟むように位置する突出部１５ａ，１５ａが遮光性を有しているため、光入射スリット６ａを通過する光Ｌ１の一部が迷光として光検出素子４に入射するのを抑制することができる。よって、分光モジュール１によれば、小型化及び検出精度の向上の両立を図ることが可能となる。

また、光検出素子４は、光Ｌ１の入射方向から見た場合に、略長方形状に形成されている。そして、隣り合う突出部１５ａ，１５ａは、光入射スリット６ａ側の短辺４ａを介して隣り合う角部４ｃ，４ｃに位置しており、隣り合う突出部１５ａ，１５ａのそれぞれは、隣り合う角部４ｃ，４ｃのそれぞれから短辺４ａに対して９０°以上１３５°以下の角度で延在する線に沿うように突出している。同様に、隣り合う突出部１５ｂ，１５ｂは、光入射スリット６ａと反対側の短辺４ａを介して隣り合う角部４ｃ，４ｃに位置しており、隣り合う突出部１５ｂ，１５ｂのそれぞれは、隣り合う角部４ｃ，４ｃのそれぞれから短辺４ａに対して９０°以上１３５°以下の角度で延在する線に沿うように突出している。例えば温度変化に起因して光検出素子４が変形（膨張・収縮）する場合には、光検出素子４の長手方向への変形が相対的に大きくなるが、この構成では、光検出素子４の長手方向への変形を押さえる強度が突出部１５ａ及び突出部１５ｂにおいて高くなっている。従って、この構成によれば、光入射スリット６ａと光検出素子４との位置ずれを低減することができ、光検出素子４の変形に起因した検出精度の劣化を抑制することが可能となる。このような光検出素子４の長手方向への当該位置ずれの低減は、光検出部４０におけるフォトダイオードの一次元配列方向への当該位置ずれの低減であるため、検出精度の劣化を抑制する上で極めて重要である。

以上、本発明の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、図３に示されるように、隣り合う突出部１５ａ，１５ａは、光検出素子４の外縁（ここでは、光入射スリット６ａ側の短辺４ａ）に沿う接続部１６によって繋げられていてもよい。この場合、隣り合う突出部１５ａ，１５ａを繋ぐ接続部１６も樹脂部材１０の一部として遮光性を有するため、光入射スリット６ａを通過する光Ｌ１の一部が迷光として光検出素子４に入射するのをより確実に抑制することができ、より一層の検出精度の向上を図ることが可能となる。

また、図４に示されるように、（ａ），（ｂ）という順序で、例えば突出部１５ａの樹脂材料の量が抑えられてもよい。図４の（ｃ）は、光Ｌ１の入射方向から見た場合に、隣り合う突出部１５ａ，１５ａの間に光入射スリット６ａの一部が位置する参考例である。また、光検出素子４に対して光入射スリット６ａと反対側に位置する突出部１５ｂは、光検出素子４の外縁（ここでは、光入射スリット６ａと反対側の短辺４ａ）に沿って一続きとなっていてもよい。

また、光検出素子４の光検出部４０と本体部２の前面２ａとの間に、アンダーフィル樹脂として屈折率整合用の光学樹脂材が充填されていてもよい。また、光透過部材２_３と回折層１４とは、レプリカ成型用の光透過性低融点ガラス等によって一体的に形成されていてもよい。また、分光モジュール１の各構成部材の材料及び形状には、前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。

１…分光モジュール、２…本体部、２ａ…前面（所定の面）、３…分光部、４…光検出素子、４ａ…短辺（外縁）、４ｂ…長辺（外縁）、４ｃ…角部、６…遮光層、６ａ…光入射スリット（第１の光通過孔）、６ｂ…光通過開口（第２の光通過孔）、１０…樹脂部材、１５ａ，１５ｂ…突出部、１６…接続部。

Claims

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すると共に前記所定の面側に反射する分光部と、
前記所定の面に配置され、前記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、
前記所定の面に設けられ、前記分光部に進行する光が通過する第１の光通過孔、及び前記分光部から前記光検出素子に進行する光が通過する第２の光通過孔を有する遮光層と、
前記光検出素子を前記所定の面に固定する遮光性の樹脂部材と、を備え、
前記樹脂部材は、光の入射方向から見た場合に、前記光検出素子の外縁から突出する突出部を複数有し、
前記第１の光通過孔の全体は、光の入射方向から見た場合に、前記光検出素子の前記外縁の外側において、隣り合う前記突出部の間に位置しており、
前記光検出素子は、光の入射方向から見た場合に、略長方形状に形成されており、
隣り合う前記突出部は、前記光検出素子において短辺を介して隣り合う角部に位置しており、
前記短辺に平行な方向において、前記第１の光通過孔の長さよりも前記光検出素子の光検出部の長さが大きくされていることを特徴とする分光モジュール。
前記第１の光通過孔は、隣り合う前記突出部が並ぶ方向に延在する光入射スリットであることを特徴とする請求項１に記載の分光モジュール。
前記樹脂部材は、前記光検出素子の前記外縁に沿い且つ隣り合う前記突出部を繋ぐ接続部を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の分光モジュール。
隣り合う前記突出部のそれぞれは、隣り合う前記角部のそれぞれから前記短辺に対して９０°以上１３５°以下の角度で延在する線に沿うように突出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の分光モジュール。