JP6411693B1 - 分光器 - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度の低下を抑制しつつ小型化を図ることができる分光器を提供する。【解決手段】分光器は、半導体材料からなる基板、及び基板に作り込まれた光検出部を有する光検出素子と、空間を介して光検出素子と対向するベース壁部、及び、ベース壁部と一体的に形成され、光検出素子が固定された側壁部を有し、光検出部に電気的に接続された配線が設けられた支持体と、ベース壁部における空間側の表面に設けられ、空間において、光通過部を通過した光を光検出部に対して分光すると共に反射する分光部と、分光部で分光されると共に反射された光のうち０次光を捕捉する０次光捕捉部と、を備える。分光部は、グレーティングパターンの形状に沿って形成された反射膜によって構成されている。【選択図】図１

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。

特開２０００―２９８０６６号公報

上述したような分光器には、用途の拡大に応じて、更なる小型化が求められている。しかし、分光器が小型化されればされるほど、種々の原因によって分光器の検出精度が低下し易くなる。

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、半導体材料からなる基板、及び基板に作り込まれた光検出部を有する光検出素子と、空間を介して光検出素子と対向するベース壁部、及び、ベース壁部と一体的に形成され、光検出素子が固定された側壁部を有し、光検出部に電気的に接続された配線が設けられた支持体と、ベース壁部における空間側の表面に設けられ、空間において、光通過部を通過した光を光検出部に対して分光すると共に反射する分光部と、分光部で分光されると共に反射された光のうち０次光を捕捉する０次光捕捉部と、を備え、分光部は、グレーティングパターンの形状に沿って形成された反射膜によって構成されている。

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ことができる分光器を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態の分光器の断面図である。 本発明の第１実施形態の分光器の平面図である。 本発明の第１実施形態の分光器の変形例の断面図である。 本発明の第１実施形態の分光器の変形例の断面図である。 本発明の第２実施形態の分光器の断面図である。 本発明の第２実施形態の分光器の平面図である。 本発明の第３実施形態の分光器の断面図である。 図７のVIII−VIII線に沿っての断面図である。 本発明の第４実施形態の分光器の断面図である。 図９のX−X線に沿っての断面図である。 分光器の小型化と分光部の曲率半径との関係を示す図である。 比較例の分光器の構成を示す図である。

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。
［第１実施形態］

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、第１反射部１１と、第２反射部１２と、分光部４０と、カバー５０と、を備えている。光検出素子２０には、光通過部２１、光検出部２２及び０次光捕捉部２３が設けられている。支持体３０には、光検出部２２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２１、光検出部２２及び０次光捕捉部２３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、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。

光通過部２１、第１反射部１１、第２反射部１２、分光部４０、光検出部２２及び０次光捕捉部２３は、光通過部２１を通過する光Ｌ１の光軸方向（すなわち、Ｚ軸方向）から見た場合に、Ｘ軸方向に延在する基準線ＲＬに沿って並んでいる。分光器１Ａでは、光通過部２１を通過した光Ｌ１は、第１反射部１１及び第２反射部１２で順次反射されて分光部４０に入射し、分光部４０で分光されると共に反射される。そして、分光部４０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２２に入射して光検出部２２で検出され、０次光Ｌ０は、０次光捕捉部２３に入射して０次光捕捉部２３で捕捉される。光通過部２１から分光部４０に至る光Ｌ１の光路、分光部４０から光検出部２２に至る光Ｌ２の光路、及び分光部４０から０次光捕捉部２３に至る０次光Ｌ０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２１は、基板２４に形成されたスリットであり、Ｙ軸方向に延在している。０次光捕捉部２３は、基板２４に形成されたスリットであり、光通過部２１と光検出部２２との間においてＹ軸方向に延在している。なお、光通過部２１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。また、０次光捕捉部２３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２３に斜めに入射するように構成することで、０次光捕捉部２３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。

光検出部２２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２２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２２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２２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、基準線ＲＬ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２２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。基板２４の表面２４ａには、光検出部２２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２２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。

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、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックによって一体的に形成されている。

第１反射部１１は、支持体３０に設けられている。より具体的には、第１反射部１１は、ベース壁部３１における空間Ｓ側の表面３１ａのうち所定角度で傾斜する平坦な傾斜面３７に、成形層４１を介して設けられている。第１反射部１１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、光通過部２１を通過した光Ｌ１を第２反射部１２に対して反射する。なお、第１反射部１１は、成形層４１を介さずに、支持体３０の傾斜面３７に直接形成されていてもよい。

第２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、第２反射部１２は、基板２４の表面２４ａのうち光通過部２１と０次光捕捉部２３との間の領域に、設けられている。第２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、第１反射部１１で反射された光Ｌ１を分光部４０に対して反射する。

分光部４０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４０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４０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４０は、基準線ＲＬに沿って並んだ複数のグレーティング溝を有しており、空間Ｓにおいて、第２反射部１２で反射された光Ｌ１を光検出部２２に対して分光すると共に反射する。なお、分光部４０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４０と、分光部４０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。

各配線１３は、光検出部２２側の端部１３ａと、光検出部２２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。このように、配線１３が支持体３０における空間Ｓ側の表面を引き回されることで、配線１３の劣化を防止することができる。

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２２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２１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。分光器１Ａでは、遮光膜５２の光通過開口５２ａ及び光検出素子２０の光通過部２１によって、空間Ｓに入射する光Ｌ１の入射ＮＡが規定される。

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２３に入射した０次光Ｌ０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。

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６０Ａ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２１に光透過性の樹脂を充填することで、基板２４の光通過部２１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、光検出素子２０及び支持体３０によって形成された空間Ｓ内に、光通過部２１から光検出部２２に至る光路が形成される。これにより、分光器１Ａの小型化を図ることができる。更に、光通過部２１を通過した光Ｌ１が第１反射部１１及び第２反射部１２で順次反射されて分光部４０に入射する。これにより、分光部４０に入射する光Ｌ１の入射方向、及び当該光Ｌ１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、分光部４０から光検出部２２に至る光路長を短くしても、分光部４０で分光された光Ｌ２を精度良く光検出部２２の所定位置に集光させることができる。よって、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ことが可能となる。

また、分光器１Ａでは、光通過部２１、第１反射部１１、第２反射部１２、分光部４０及び光検出部２２が、光通過部２１を通過する光Ｌ１の光軸方向から見た場合に、基準線ＲＬに沿って並んでいる。そして、分光部４０が、基準線ＲＬに沿って並んだ複数のグレーティング溝を有しており、光検出部２２が、基準線ＲＬに沿って並んだ複数の光検出チャネルを有している。これにより、分光部４０で分光された光Ｌ２をより精度良く光検出部２２の各光検出チャネルに集光させることができる。

また、分光器１Ａでは、第１反射部１１が平面ミラーとなっている。これにより、光通過部２１を通過する光Ｌ１の入射ＮＡを小さくし且つ「光通過部２１を通過した光Ｌ１が有する広がり角と同じ広がり角を有する光Ｌ１の光路長であって、光通過部２１から分光部４０に至る光路長」＞「分光部４０から光検出部２２に至る光路長」（縮小光学系）とすることで、分光部４０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、第１反射部１１が平面ミラーである場合、光Ｌ１は、広がりつつ分光部４０に照射される。そのため、分光部４０の領域が広くなるのを抑制する観点、及び、分光部４０が光検出部２２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２１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４０で分光される光Ｌ２の分解能を高くすることができる。

また、分光器１Ａでは、光検出素子２０に、分光部４０で分光されると共に反射された光のうち０次光Ｌ０を捕捉する０次光捕捉部２３が設けられている。これにより、０次光Ｌ０が多重反射等により迷光となって検出精度が低下するのを抑制することができる。

また、分光器１Ａでは、支持体３０に、光検出部２２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２２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２２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２２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４０と光検出部２２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２２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４０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６０Ａ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、第２反射部１２が光検出素子２０に設けられている。光検出素子２０において第２反射部１２が形成される基板２４の表面２４ａは平坦面であり、また、光検出素子２０の製造工程において第２反射部１２の形成が可能であることから、所望のＮＡに応じた第２反射部１２を精度良く形成することができる。

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２２で反射光が生じたとしても、当該反射光が光検出部２２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。

また、分光器１Ａの製造工程においては、上述したように、成形型を用いて、ベース壁部３１の傾斜面３７に平滑な成形層４１を形成し、その成形層４１に第１反射部１１を形成している。通常、支持体３０の表面よりも成形層４１の表面のほうが、凸凹が少なく平滑であるため、鏡面を有する第１反射部１１をより精度良く形成することができる。ただし、成形層４１を介さずに、ベース壁部３１の傾斜面３７に第１反射部１１を直接形成する場合には、成形層４１に用いる成形材料を減らすことができ、また、成形型の形状を単純化することができるため、成形層４１を容易に形成することが可能となる。

なお、図３に示されるように、カバー５０が、例えば、黒レジスト、Ａｌ等からなる遮光膜５３を更に有していてもよい。遮光膜５３は、光透過部材５１における空間Ｓ側とは反対側の表面５１ｂに形成されている。遮光膜５３には、Ｚ軸方向において光検出素子２０の光通過部２１と対向するように、光通過開口５３ａが形成されている。光通過開口５３ａは、遮光膜５３に形成されたスリットであり、Ｙ軸方向に延在している。この場合、遮光膜５３の光通過開口５３ａ、遮光膜５２の光通過開口５２ａ及び光検出素子２０の光通過部２１を用いて、空間Ｓに入射する光Ｌ１の入射ＮＡをより精度良く規定することができる。

また、図４に示されるように、カバー５０が、上述した遮光膜５３を更に有し、Ｚ軸方向において光検出素子２０の０次光捕捉部２３と対向するように、遮光膜５２に光通過開口５２ｂが形成されていてもよい。この場合、０次光捕捉部２３に入射した０次光Ｌ０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。

また、分光器１Ａを製造する際には、第１反射部１１及び分光部４０が設けられた支持体３０を用意し（第１工程）、光通過部２１、第２反射部１２及び光検出部２２が設けられた光検出素子２０を用意し（第２工程）、それらの後に、空間Ｓが形成されるように支持体３０と光検出素子２０とを固定することで、光通過部２１から光検出部２２に至る光路を空間Ｓ内に形成する（第３工程）。このように、支持体３０と光検出素子２０とを固定するだけで、空間Ｓ内に、光通過部２１から光検出部２２に至る光路が形成される。よって、分光器１Ａの製造方法によれば、検出精度の低下を抑制しつつ小型化を図ることができる分光器１Ａを容易に製造することが可能となる。なお、支持体３０を用意する工程及び光検出素子２０を用意する工程の実施順序は任意である。

特に、分光器１Ａを製造する際には、支持体３０に設けられた配線１３の端部１３ａを光検出素子２０の端子２５に接続するだけで、配線１３と光検出部２２との電気的な接続だけでなく、支持体３０と光検出素子２０との固定、及び光通過部２１から光検出部２２に至る光路の形成が実現される。
［第２実施形態］

図５及び図６に示されるように、分光器１Ｂは、第１反射部１１が凹面ミラーである点で、上述した分光器１Ａと主に相違している。分光器１Ｂでは、第１反射部１１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。第１反射部１１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２１を通過した光Ｌ１を第２反射部１２に対して反射する。なお、第１反射部１１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。また、カバー５０は、図３及び図４に示される構成を有するものであってもよい。

以上のように構成された分光器１Ｂによれば、上述した分光器１Ａと同様の理由により、検出精度の低下を抑制しつつ小型化を図ることが可能となる。また、分光器１Ｂでは、第１反射部１１が凹面ミラーとなっている。これにより、第１反射部１１で光Ｌ１の広がり角が抑えられるため、光通過部２１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４０から光検出部２２に至る光路長をより短くして分光器１Ｂの更なる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、第１反射部１１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４０に照射される。そのため、光Ｌ１が広がりつつ分光部４０に照射される場合に比べ、分光部４０が光検出部２２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４０から光検出部２２に至る光路長をより短くして分光器１Ｂの更なる小型化を図ったりすることができる。
［第３実施形態］

図７及び図８に示されるように、分光器１Ｃは、光検出素子２０及び支持体３０を収容するパッケージ６０Ｂによって空間Ｓが気密に封止されている点で、上述した分光器１Ａと主に相違している。パッケージ６０Ｂは、ステム６１と、キャップ６２と、を有している。ステム６１は、例えば、金属によって円板状に形成されている。キャップ６２は、例えば、金属によって円筒状に形成されている。ステム６１とキャップ６２とは、ステム６１の外縁に設けられたフランジ部６１ａとキャップ６２の開口端に設けられたフランジ部６２ａとが接触させられた状態で、気密に接合されている。一例として、ステム６１とキャップ６２との気密封止は、露点管理（例えば−５５℃）がなされた窒素雰囲気中、又は真空引きされた雰囲気中で行われる。

キャップ６２においてステム６１と対向する壁部６２ｂには、Ｚ軸方向において光検出素子２０の光通過部２１と対向するように、光入射部６３が設けられている。光入射部６３は、壁部６２ｂに形成された光通過孔６２ｃを覆うように窓部材６４が壁部６２ｂの内側表面に気密に接合されることで、構成されている。光通過孔６２ｃは、Ｚ軸方向から見た場合に、光通過部２１を含む形状を有している。窓部材６４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、板状に形成されている。分光器１Ｃでは、光Ｌ１は、パッケージ６０Ｂ外から光入射部６３を介して光通過部２１に入射する。なお、赤外線を検出する場合には、窓部材６４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、窓部材６４に、ＡＲ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、窓部材６４の少なくとも一部は、窓部材６４の外側表面と壁部６２ｂの外側表面とが面一となるように、光通過孔６２ｃ内に配置されていてもよい。

ステム６１には、複数の貫通孔６１ｂが形成されている。各貫通孔６１ｂには、リードピン６５が挿通されている。各リードピン６５は、例えば、電気的絶縁性及び遮光性を有する低融点ガラス等の封着用ガラスからなるハーメティックシール部材を介して、各貫通孔６１ｂに気密に固定されている。各リードピン６５におけるパッケージ６０Ｂ内の端部は、ベース壁部３１の表面３１ｂにおいて、支持体３０に設けられた各配線１３の端部１３ｂに接続されている。これにより、対応するリードピン６５と配線１３との電気的な接続、並びにパッケージ６０Ｂに対する光検出素子２０及び支持体３０の位置決めが実現されている。

なお、リードピン６５におけるパッケージ６０Ｂ内の端部は、ベース壁部３１に形成された貫通孔内、又はベース壁部３１の表面３１ｂに形成された凹部内に配置された状態で、当該貫通孔内又は当該凹部内に延在する配線１３の端部１３ｂに接続されていてもよい。また、リードピン６５におけるパッケージ６０Ｂ内の端部と配線１３の端部１３ｂとは、支持体３０がバンプボンディング等により実装された配線基板を介して電気的に接続されていてもよい。この場合、リードピン６５におけるパッケージ６０Ｂ内の端部は、ステム６１の厚さ方向（すなわち、Ｚ軸方向）から見た場合に支持体３０を包囲するように、配置されていてもよい。また、当該配線基板は、ステム６１に接触した状態でステム６１に配置されていてもよいし、或いはステム６１から離間した状態で複数のリードピン６５によって支持されていてもよい。

なお、分光器１Ｃでは、光検出素子２０の基板２４及び支持体３０のベース壁部３１は、例えば六角形板状に形成されている。また、光検出素子２０及び支持体３０がパッケージ６０Ｂに収容されていることから、分光器１Ｃでは、上述した分光器１Ａのように、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、各配線１３の接続部１３ｃを引き回すことが不要となっている。分光器１Ｃでは、各配線１３の接続部１３ｃは、各側壁部３２における空間Ｓ側とは反対側の表面、及びベース壁部３１の表面３１ｂにおいて、端部１３ａから端部１３ｂに至っている。このように、配線１３が支持体３０における空間Ｓ側とは反対側の表面を引き回されることで、空間Ｓに露出した配線１３による光の散乱を防止することができる。更に、分光器１Ｃでは、上述した分光器１Ａのように、封止部材１５，１６，１７を配置したり、カバー５０を設けたりすることが不要となっている。

以上のように構成された分光器１Ｃによれば、上述した分光器１Ａと同様の理由により、検出精度の低下を抑制しつつ小型化を図ることが可能となる。また、分光器１Ｃでは、光検出素子２０及び支持体３０を収容するパッケージ６０Ｂ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１Ｃでは、支持体３０の各側壁部３２の端面３２ａ及び各側壁部３３の端面３３ａと、光検出素子２０の基板２４の表面２４ａとの間に、隙間が形成されている。これにより、光検出素子２０の変形の影響が支持体３０に及び難くなり、また、支持体３０の変形の影響が光検出素子２０に及び難くなるため、光通過部２１から光検出部２２に至る光路を精度良く維持することができる。

また、分光器１Ｃでは、支持体３０が、ステム６１から離間した状態で複数のリードピン６５によって支持されている。これにより、ステム６１の変形の影響、パッケージ６０Ｂ外からの外力の影響等が、支持体３０に及び難くなるため、光通過部２１から光検出部２２に至る光路を精度良く維持することができる。
［第４実施形態］

図９及び図１０に示されるように、分光器１Ｄは、第１反射部１１が凹面ミラーである点で、上述した分光器１Ｃと主に相違している。分光器１Ｄでは、第１反射部１１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。第１反射部１１は、例えば、Ａｌ、Ａｕ等の金属蒸着膜からなる凹面ミラーであり、空間Ｓにおいて、光通過部２１を通過した光Ｌ１を第２反射部１２に対して反射する。

以上のように構成された分光器１Ｄによれば、上述した分光器１Ａと同様の理由により、検出精度の低下を抑制しつつ小型化を図ることが可能となる。また、分光器１Ｄでは、第１反射部１１が凹面ミラーとなっている。これにより、第１反射部１１で光Ｌ１の広がり角が抑えられるため、光通過部２１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４０から光検出部２２に至る光路長をより短くして分光器１Ｂの更なる小型化を図ったりすることができる。また、分光器１Ｄでは、光検出素子２０及び支持体３０を収容するパッケージ６０Ｂ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。
［分光器の小型化と分光部の曲率半径との関係］

図１１に示されるように、（ａ）の分光器及び（ｂ）の分光器では、光通過部２１を通過した光Ｌ１が分光部４０に直接入射し、分光部４０で分光されると共に反射された光Ｌ２が光検出部２２に直接入射する。（ｃ）の分光器では、光通過部２１を通過した光Ｌ１が第１反射部１１及び第２反射部１２で順次反射されて分光部４０に入射し、分光部４０で分光されると共に反射された光Ｌ２が光検出部２２に直接入射する。なお、（ａ）の分光器では、分光部４０が形成された内面３４ａの曲率半径が６ｍｍとなっている。（ｂ）の分光器では、分光部４０が形成された内面３４ａの曲率半径が３ｍｍとなっている。（ｃ）の分光器では、第１反射部１１及び分光部４０が形成された内面３４ａの曲率半径が４ｍｍとなっている。

まず、（ａ）の分光器と（ｂ）の分光器とを比較すると、（ａ）の分光器の高さ（Ｚ軸方向の高さ）に比べ、（ｂ）の分光器の高さが低くなっている。これは、分光部４０が形成された内面３４ａの曲率半径が小さい分、分光部４０が光検出部２２に光Ｌ２を集光する距離が短くなるからである。

ただし、分光部４０が形成された内面３４ａの曲率半径を小さくすればするほど、次のように、種々の問題が現れる。すなわち、光Ｌ２のフォーカスライン（異なる波長を有する光Ｌ２が集光する位置を結んだ線）が歪み易くなる。また、各種収差の影響が大きくなるため、グレーティングの設計で補正し難くなる。また、特に長波長側への回折角がきつくなるため、グレーティングピッチを狭くする必要があるが、グレーティングピッチが狭くなると、グレーティングの形成が困難となる。更に、感度を高くするためにはブレーズ化が必要であるが、グレーティングピッチが狭くなると、ブレーズ化が困難となる。また、特に長波長側への回折角がきつくなるため、光Ｌ２の分解能的にも不利となる。

このような種々の問題が現れるのは、光検出素子２０の基板２４に、スリットとしての光通過部２１を設ける場合、基板２４の表面２４ａ，２４ｂに垂直な方向に沿って光Ｌ１が通過するように光通過部２１を構成するのが現実的であるからである。また、０次光Ｌ０を光検出部２２側とは反対側に反射しなければならないという制約が存在するからである。

これに対し、（ｃ）の分光器では、第１反射部１１及び分光部４０が形成された内面３４ａの曲率半径が４ｍｍであるにもかかわらず、（ｂ）の分光器の高さに比べ、（ｃ）の分光器の高さが低くなっている。これは、（ｃ）の分光器では、第１反射部１１及び第２反射部１２を用いることで、分光部４０に入射する光Ｌ１の入射方向、及び当該光Ｌ１の広がり乃至収束状態を調整することが可能となっているからである。

上述したように、光検出素子２０の基板２４に、スリットとしての光通過部２１を設ける場合、基板２４の表面２４ａ及び表面２４ｂに垂直な方向に沿って光Ｌ１が通過するように光通過部２１を構成するのが現実的である。このような場合であっても、第１反射部１１及び第２反射部１２を用いれば、分光器の小型化を図ることができる。（ｃ）の分光器では、第２反射部１２と光検出部２２との間に位置する０次光捕捉部２３によって０次光Ｌ０を捕捉することができることも、分光器の検出精度の低下を抑制しつつ分光器の小型化を図る上で大きな特徴となっている。
［分光部から光検出部に至る光路の優位性］

まず、図１２に示されるように、光通過部２１から、第１反射部１１、分光部４０及び第２反射部１２を順次介して、光検出部２２に至る光路が採用された分光器について検討する。図１２の分光器では、平面グレーティングである分光部４０で光Ｌ１が分光されると共に反射される。そして、分光部４０で分光されると共に反射された光Ｌ２が、凹面ミラーである第２反射部１２で反射されて、光検出部２２に入射する。この場合、各光Ｌ２は、各光Ｌ２の集光位置が互いに近付くように、光検出部２２に入射することになる。

図１２の分光器では、検出する光Ｌ２の波長範囲を広げようとすると、分光部４０が形成された内面３４ａの曲率半径、及び第２反射部１２と光検出部２２との距離を大きくする必要がある。しかも、各光Ｌ２の集光位置が互いに近付くように、各光Ｌ２が光検出部２２に入射するため、内面３４ａの曲率半径、及び第２反射部１２と光検出部２２との距離をより大きくする必要がある。グレーティングピッチ（グレーティング溝の間隔）を狭くして、各光Ｌ２の集光位置の間隔を広げ過ぎると、光Ｌ２のフォーカスラインを光検出部２２に合わせるのが困難となる。このように、光通過部２１から、第１反射部１１、分光部４０及び第２反射部１２を順次介して、光検出部２２に至る光路は、小型化には不向きな光路であるといえる。

これに対し、図１１の（ｃ）に示されるように、光通過部２１から、第１反射部１１、第２反射部１２及び分光部４０を順次介して、光検出部２２に至る光路が採用された分光器（すなわち、上述した分光器１Ａ〜１Ｄに相当する分光器）では、各光Ｌ２は、各光Ｌ２の集光位置が互いに離れるように、光検出部２２に入射することになる。したがって、光通過部２１から、第１反射部１１、第２反射部１２及び分光部４０を順次介して、光検出部２２に至る光路は、小型化に適した光路であるといえる。図１２の分光器では、内面３４ａの曲率半径が１２ｍｍとなっており、高さ（Ｚ軸方向の高さ）が７ｍｍとなっているのに対し、図１１の（ｃ）の分光器では、内面３４ａの曲率半径が４ｍｍとなっており、高さが２ｍｍ程度となっていることからも、以上のことが分かる。

以上、本発明の第１〜第４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及び第２実施形態では、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２１及び遮光膜５２の光通過開口５２ａ（場合によっては、遮光膜５３の光通過開口５３ａ）の形状によって規定されていたが、第１反射部１１、第２反射部１２及び分光部４０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２２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。

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。また、対向する光検出素子２０の端子２５と配線１３の端部１３ａとの接続を、支持体３０の各側壁部３２の端面３２ａにおいてだけでなく、支持体３０の各側壁部３３の端面３３ａにおいて行ってもよいし、或いは支持体３０の各側壁部３２の端面３２ａ及び各側壁部３３の端面３３ａにおいて行ってもよい。また、分光器１Ａ，１Ｂにおいて、配線１３は、支持体３０における空間Ｓ側とは反対側の表面を引き回されていてもよい。また、分光器１Ｃ，１Ｄにおいて、配線１３は、支持体３０における空間Ｓ側の表面を引き回されていてもよい。

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、パッケージ６０Ｂの形状は、直方体箱型でもよい。また、光検出素子２０及び支持体３０を収容するパッケージ６０Ｂによって空間Ｓが気密に封止されている場合、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。このように、分光器１Ａ〜１Ｄ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。

本発明の分光器は、光通過部及び光検出部が設けられた光検出素子と、光通過部及び光検出部との間に空間が形成されるように光検出素子に固定された支持体と、支持体に設けられ、空間において、光通過部を通過した光を反射する第１反射部と、光検出素子に設けられ、空間において、第１反射部で反射された光を反射する第２反射部と、支持体に設けられ、空間において、第２反射部で反射された光を光検出部に対して分光すると共に反射する分光部と、を備える。

この分光器では、光検出素子及び支持体によって形成された空間内に、光通過部から光検出部に至る光路が形成される。これにより、分光器の小型化を図ることができる。更に、光通過部を通過した光が第１反射部及び第２反射部で順次反射されて分光部に入射する。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、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。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ことが可能となる。

本発明の分光器では、光通過部、第１反射部、第２反射部、分光部及び光検出部は、光通過部を通過する光の光軸方向から見た場合に、基準線に沿って並んでおり、分光部は、基準線に沿って並んだ複数のグレーティング溝を有し、光検出部は、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、分光部で分光された光をより精度良く光検出部の各光検出チャネルに集光させることができる。

本発明の分光器では、第１反射部は、平面ミラーであってもよい。この構成によれば、光通過部を通過する光の入射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、分光部で分光される光の分解能を高くすることができる。

本発明の分光器では、第１反射部は、凹面ミラーであってもよい。この構成によれば、第１反射部で光の広がり角が抑えられるため、光通過部を通過する光の入射ＮＡを大きくして感度を高くしたり、分光部から光検出部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。

本発明の分光器では、光検出素子には、分光部で分光されると共に反射された光のうち０次光を捕捉する０次光捕捉部が設けられていてもよい。この構成によれば、０次光が迷光となって検出精度が低下するのを抑制することができる。

本発明の分光器では、支持体には、光検出部に電気的に接続された配線が設けられており、配線における光検出部側の端部は、光検出素子と支持体との固定部において、光検出素子に設けられた端子に接続されていてもよい。この構成によれば、光検出部と配線との電気的な接続の確実化を図ることができる。

本発明の分光器では、支持体の材料は、セラミックであってもよい。この構成によれば、分光器が使用される環境の温度変化等に起因する支持体の膨張及び収縮を抑制することができる。したがって、分光部と光検出部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。

本発明の分光器では、空間は、光検出素子及び支持体を構成として含むパッケージによって、気密に封止されていてもよい。この構成によれば、湿気による空間内の部材の劣化及び外気温の低下による空間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。

本発明の分光器では、空間は、光検出素子及び支持体を収容するパッケージによって、気密に封止されていてもよい。この構成によれば、湿気による空間内の部材の劣化及び外気温の低下による空間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。

本発明の分光器の製造方法は、第１反射部及び分光部が設けられた支持体を用意する第１工程と、光通過部、第２反射部及び光検出部が設けられた光検出素子を用意する第２工程と、第１工程及び第２工程の後に、空間が形成されるように支持体と光検出素子とを固定することで、光通過部を通過した光が第１反射部で反射され、第１反射部で反射された光が第２反射部で反射され、第２反射部で反射された光が分光部で分光されると共に反射され、分光部で分光されると共に反射された光が光検出部に入射する光路を空間内に形成する第３工程と、を備える。

この分光器の製造方法では、第１反射部及び分光部が設けられた支持体と、光通過部、第２反射部及び光検出部が設けられた光検出素子とを固定するだけで、空間内に、光通過部から光検出部に至る光路が形成される。よって、この分光器の製造方法によれば、検出精度の低下を抑制しつつ小型化を図ることができる分光器を容易に製造することが可能となる。なお、第１工程及び第２工程の実施順序は任意である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…分光器、１１…第１反射部、１２…第２反射部、１３…配線、１３ａ…端部、２０…光検出素子、２１…光通過部、２２…光検出部、２３…０次光捕捉部、２５…端子、３０…支持体、４０…分光部、６０Ａ，６０Ｂ…パッケージ、Ｓ…空間、ＲＬ…基準線。

Claims (9)

1. 半導体材料からなる基板、及び前記基板に作り込まれた光検出部を有する光検出素子と、
   空間を介して前記光検出素子と対向するベース壁部、及び、前記ベース壁部と一体的に形成され、前記光検出素子が固定された側壁部を有し、前記光検出部に電気的に接続された配線が設けられた支持体と、
   前記ベース壁部における前記空間側の表面に設けられ、前記空間において、光通過部を通過した光を前記光検出部に対して分光すると共に反射する分光部と、
   前記分光部で分光されると共に反射された光のうち０次光を捕捉する０次光捕捉部と、を備え、
   前記分光部は、グレーティングパターンの形状に沿って形成された反射膜によって構成されている、分光器。
2. 前記ベース壁部には、前記空間側に開口する凹部が形成されており、
   前記分光部は、前記凹部の内面に設けられている、請求項１記載の分光器。
3. 前記支持体に設けられ、前記空間において、前記光通過部を通過した光を反射する第１反射部と、
   前記光検出素子に設けられ、前記空間において、前記第１反射部で反射された光を前記分光部に対して反射する第２反射部と、を更に備える、請求項１又は２記載の分光器。
4. 前記配線における前記光検出部側の端部は、前記光検出素子と前記支持体との固定部において、前記光検出素子の端子に接続されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の分光器。
5. 前記支持体の材料は、セラミックである、請求項１〜４のいずれか一項記載の分光器。
6. 前記空間は、前記光検出素子及び前記支持体を構成として含むパッケージによって、気密に封止されている、請求項１〜５のいずれか一項記載の分光器。
7. 前記空間は、前記光検出素子及び前記支持体を収容するパッケージによって、気密に封止されている、請求項１〜５のいずれか一項記載の分光器。
8. 前記０次光捕捉部は、前記光通過部を通過する光の光軸方向から見た場合に前記光通過部と前記光検出部との間に位置するように、前記基板に設けられている、請求項１〜７のいずれか一項記載の分光器。
9. 前記０次光捕捉部は、前記光通過部を通過する光の光軸方向に対して前記０次光が斜めに入射するように、前記基板に設けられている、請求項１〜８のいずれか一項記載の分光器。

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