JP5113947B2 - 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１，２に記載されたものが知られている。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、を備える分光モジュールが記載されている。

特開平４−２９４２２３号公報 特開２００４−３５４１７６号公報

しかしながら、特許文献１記載の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、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部を有し、所定の面上に支持された光検出素子と、を備え、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しており、所定の面には、分光部に進行する光が通過する第１の光通過開口、及び光検出部に進行する光が通過する第２の光通過開口を有する光吸収層が形成されており、光通過孔は、第１の光通過開口と対向しており、光検出部は、第２の光通過開口と対向している。光検出素子は、所定の面に形成された配線に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てもよい。また、光検出素子の本体部側には、光を透過させるアンダーフィル材が充填されていてもよい。また、アンダーフィル材は、第１の光通過開口から光通過孔に至る領域、及び第２の光通過開口から光検出部に至る領域に配置されていてもよい。

本発明によれば、信頼性を向上させることが可能となる。

本発明に係る分光モジュールの一実施形態の平面図である。 図１の分光モジュールのII−II線に沿っての断面図である。 図１の分光モジュールの光通過孔近傍の拡大平面図である。 図１の分光モジュールの光通過孔近傍の拡大断面図である。

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は、本発明に係る分光モジュールの一実施形態の平面図であり、図２は、図１の分光モジュールのII−II線に沿っての断面図である。図１，２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、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、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た光透過部材２_１、及び光透過部材２_１の後面における所定の位置に設けられた光透過部材２_２を有している。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所定の形状（ここでは、半球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）に形成されており、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４１に結像するレンズとして機能する。光透過部材２_２は、その側面が光透過部材２_１の長手方向と略平行となるように配置され、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光透過部材２_１に貼り合わされている。

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１次元配列されてなり、分光部３によって分光されて反射された光Ｌ２を検出する光検出部４１、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４１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４２を有している。光通過孔４２は、光透過部材２_１の長手方向と略直交する方向に延在するスリットであり、光検出部４１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次元配列方向が光透過部材２_１の長手方向と略一致し且つ光検出部４１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。

本体部２の前面２ａ（すなわち、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、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、光透過部材２_１の中央部に配置された複数のパッド部９ａ、光透過部材２_１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、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。また、配線９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９ｄを本体部２の前面２ａ側に有している。

更に、本体部２の前面２ａには、配線９のパッド部９ａ，９ｂを露出させ且つ配線９の接続部９ｃを覆うように光吸収層６が形成されている。光吸収層６は、分光部３に進行する光Ｌ１が通過する光通過部（第１の光通過部、第１の光通過開口）６ａ、及び光検出素子４の光検出部４１に進行する光Ｌ２が通過する光通過部（第２の光通過部、第２の光通過開口）６ｂを有している。光通過部６ａは、光透過部材２_１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、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。

光吸収層６から露出したパッド部９ａには、光通過孔４２が光吸収層６の光通過部６ａと対向し且つ光検出部４１が光吸収層６の光通過部６ｂと対向するように、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、光吸収層６から露出したパッド部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。そして、光検出素子４の本体部２側（ここでは、光検出素子４と光透過部材２_１又は光吸収層６との間）には、光Ｌ１，Ｌ２を透過させるアンダーフィル材１２が充填されている。なお、光通過孔４２の光入射開口の一部は、光検出素子４の前面に固定された光透過板１６によって覆われている。

図３は、図１の分光モジュールの光通過孔近傍の拡大平面図であり、図４は、図１の分光モジュールの光通過孔近傍の拡大断面図である。図３，４に示されるように、光通過孔４２は、光Ｌ１が入射する光入射開口４２ａを画定する光入射側部４２_１、及び光Ｌ１が出射する光出射開口４２ｂを画定する光出射側部４２_２を有している。光出射側部４２_２は、光透過部材２_１の長手方向と略直交する方向に延在する直方体状に形成されており、光入射側部４２_１は、光出射側部４２_２からその反対側に向かって末広がりの四角錘台状に形成されている。つまり、光通過孔４２は、その中心線ＣＬ方向から見て光入射開口４２ａが光出射開口４２ｂを含むように形成されている。

光透過板１６は、光透過性ガラス等によって長方形薄板状に形成さており、光通過孔４２の中心線ＣＬ方向から見て光出射開口４２ｂを含むように、光入射開口４２ａの長手方向に沿った縁部を残して光入射開口４２ａの一部を覆っている。これにより、アンダーフィル材１２は、その充填時に、光透過板１６によって覆われていない光入射開口４２ａの縁部がガス抜け部となって光通過孔４２内に進入し、アンダーフィル材１２の光入射側表面１２ａは、光通過孔４２内において略平坦面となる。なお、光透過板１６は、光入射開口４２ａの長手方向と略直交する方向に沿った縁部を残して光入射開口４２ａの一部を覆っていてもよい。

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、光透過板１６、光検出素子４の光通過孔４２及び光吸収層６の光通過部６ａを介して本体部２の前面２ａから本体部２に入射し、光透過部材２_１，２_２内を進行して分光部３に到達する。分光部３に到達した光Ｌ１は、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側に反射されて光透過部材２_２，２_１内を進行し、光吸収層６の光通過部６ｂを介して光検出素子４の光検出部４１に到達する。光検出部４１に到達した光Ｌ２は、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、分光部３に進行する光Ｌ１が通過する光通過孔４２と、分光部３によって分光されて反射された光Ｌ２を検出する光検出部４１とが、互いに高精度に位置決めされた状態で光検出素子４２に形成されている。そのため、光通過孔４２を形成するための別部材の設置、及び光通過孔４２と光検出部４１との間の位置決めが不要となる（つまり、光検出素子４に対して分光部３を位置決めするだけでよい）。従って、分光モジュール１の小型化及び低コスト化を図ることができる。

また、分光モジュール１では、光検出素子４は、本体部２の前面２ａ側に形成された配線９に対して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、光Ｌ１，Ｌ２を透過させるアンダーフィル材１２が光検出素子４の本体部２側に充填されている。このように、光検出素子４を、本体部２に形成された配線９を介して外部と電気的に接続する構成とすることで、例えばフレキシブルプリント基板１１と光検出素子４を直接（機械的に）接続した場合のように、分光モジュール１の使用時にフレキシブルプリント基板４１に加えられた力が光検出素子４に直接伝わらないので、光検出素子４に応力等の負荷が生じるのを防止することができると共に、光検出素子４の小型化を図ることができる。また、アンダーフィル材１２を光検出素子４の本体部２側に充填することで、本体部２及び光検出素子４の機械的強度を向上させることができると共に、本体部２と光検出素子４との間を進行する光Ｌ１，Ｌ２が伝播する経路の全てにおいて屈折率整合を実現することができる。

また、分光モジュール１では、中心線ＣＬ方向から見て光入射開口４２ａが光出射開口４２ｂを含むように光通過孔４２が形成されており、中心線ＣＬ方向から見て光出射開口４２ｂを含むように光入射開口４２ａの一部を光透過板１６が覆っている。これにより、光透過板１６によって覆われていない部分がガス抜け部となって光通過孔４２内にアンダーフィル材１２が進入し、光通過孔４２内においてアンダーフィル材１２の光入射側表面１２ａが略平坦面となる。そして、光出射開口４２ｂから出射される光Ｌ１は、光透過板１６、及び光透過板１６によって略平坦面とされたアンダーフィル材１２の光入射側表面１２ａを通過したものとなる。そのため、本体部２に光Ｌ１を適切に入射させることができる。

また、分光モジュール１では、配線９が本体部２の前面２ａ側に光反射防止層９ｄを有している。これにより、本体部２に対する配線９の密着性を高めて配線９の断線等を防止するために本体部２の前面２ａに配線９を直接形成しても、光反射防止層９ｄによって、配線９に起因する迷光の乱反射等を防止することができる。

更に、分光モジュール１では、分光部３に進行する光Ｌ１が通過する光通過部６ａ、及び光検出素子４の光検出部４１に進行する光Ｌ２が通過する光通過部６ｂを有する光吸収層６が本体部２の前面２ａに形成されている。この光吸収層６によって、迷光の発生が抑制され、また、迷光が吸収されるため、光検出部４１に迷光が入射するのを抑制することができる。

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、本体部２の前面２ａに光吸収層６を形成し、光吸収層６の前面に配線９を形成するようにしてもよい。この場合、配線９に光反射防止層９ｄを設けなくても、配線９に起因する迷光の乱反射等を防止することができる。

また、レンズとして機能する光透過部材２_２と回折層１４とを、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してもよい。この場合、製造工程を簡略化することができると共に、光透過部材２_２と回折層１４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。

他の形態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、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部を有し、所定の面側に形成された配線に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た光検出素子と、光検出素子の本体部側に充填され、光を透過させるアンダーフィル材と、を備え、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しており、光通過孔の光入射開口の一部は、光透過板によって覆われている。

この分光モジュールでは、分光部に進行する光が通過する光通過孔と、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部とが光検出素子に形成されている。そのため、光通過孔と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。更に、本体部の所定の面側に形成された配線に光検出素子が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、光を透過させるアンダーフィル材が光検出素子の本体部側に充填されている。そのため、本体部及び光検出素子の機械的強度を向上させることができると共に、本体部と光検出素子との間を進行する光の屈折率整合を実現することができる。しかも、光通過孔の光入射開口の一部が光透過板によって覆われている。これにより、光透過板によって覆われていない部分がガス抜け部となって光通過孔内にアンダーフィル材が進入し、光通過孔内においてアンダーフィル材の光入射側表面が略平坦面となる。そのため、本体部に光を適切に入射させることができる。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。

他の形態に係る分光モジュールにおいては、光通過孔は、その中心線方向から見て光入射開口が光通過孔の光出射開口を含むように形成されており、光透過板は、中心線方向から見て光出射開口を含むように光入射開口の一部を覆っていることが好ましい。このような構成によれば、光通過孔の光出射開口から出射される光は、光透過板、及び光透過板によって略平坦面とされたアンダーフィル材の光入射側表面を通過したものとなるため、本体部に光を適切に入射させることができる。

他の形態に係る分光モジュールにおいては、配線は、所定の面側に光反射防止層を有していることが好ましい。例えば、本体部に対する配線の密着性を高めて配線の断線等を防止するために、本体部の所定の面に配線を直接形成した場合でも、光反射防止層によって、配線に起因する迷光の乱反射等を防止することができる。

他の形態に係る分光モジュールにおいては、所定の面には、分光部に進行する光が通過する第１の光通過部、及び光検出部に進行する光が通過する第２の光通過部を有する光吸収層が形成されていることが好ましい。この場合、光吸収層によって、迷光の発生が抑制され、また、迷光が吸収されるため、光検出素子の光検出部に迷光が入射するのを抑制することができる。

他の形態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、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部を有し、所定の面側に形成された配線に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た光検出素子と、光検出素子の本体部側に充填され、光を透過させるアンダーフィル材と、を備え、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している。

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、６…光吸収層、６ａ…光通過部（第１の光通過開口）、６ｂ…光通過部（第２の光通過開口）、９…配線、１２…アンダーフィル材、４１…光検出部、４２…光通過孔。

Claims (4)

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部を有し、前記所定の面上に支持された光検出素子と、を備え、
   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しており、
   前記所定の面には、前記分光部に進行する光が通過する第１の光通過開口、及び前記光検出部に進行する光が通過する第２の光通過開口を有する光吸収層が形成されており、
   前記光通過孔は、前記第１の光通過開口と対向しており、前記光検出部は、前記第２の光通過開口と対向していることを特徴とする分光モジュール。
2. 前記光検出素子は、前記所定の面に形成された配線に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. 前記光検出素子の前記本体部側には、光を透過させるアンダーフィル材が充填されていることを特徴とする請求項２記載の分光モジュール。
4. 前記アンダーフィル材は、前記第１の光通過開口から前記光通過孔に至る領域、及び前記第２の光通過開口から前記光検出部に至る領域に配置されていることを特徴とする請求項３記載の分光モジュール。

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