JP4409860B2 - 光検出器を用いた分光器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光検出素子アレイを備える光検出器、及びそれを用いた分光器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分光器（スペクトロメータ）は、測定対象となる光をプリズムや回折格子などの分光素子によって各スペクトル成分へと分解する光学装置である。このような装置では、分光素子によって分光された光のスペクトル成分を検出することにより、光の波長分布や特定波長成分の強度などを知ることができ、様々な用途に用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−６５６４２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
回折格子等を用いた分散型の分光器では、回折格子の後段に設けられて分光された光のスペクトル成分を検出する検出手段の１つとして、複数のフォトダイオードが配列されたフォトダイオードアレイが用いられている。分光された光のスペクトル成分を複数のフォトダイオードのそれぞれで検出することにより、その波長分布を測定することができる。
【０００５】
一方、回折格子の前段にはスリット状の光入射部材が設けられ、測定対象として入射する光の光路や入射角度が制限される。これらの光入射部材、分光素子、及びフォトダイオードアレイは、ハウジングを介して互いに位置決めされた状態で一体に固定される。
【０００６】
ここで、このような分光器を製造する際には、高分解能で精度良い分光測定を可能とするため、光入射部材、分光素子、及びフォトダイオードアレイを高い位置決め精度で配置する必要がある。しかしながら、上記構成の分光器では、その構成要素を互いにアライメントして固定する工程が複雑であり、あるいは、各構成要素のアライメントにおいて充分な位置決め精度が得られない場合もある。また、分光器の構成を全体として小型化することが難しいという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、分光器に適用した場合にその構成要素の位置決め精度を向上することが可能な光検出器、及びそれを用いた分光器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による光検出器を用いた分光器は、（１）半導体基板と、（２）半導体基板の表面または裏面上に所定の配列で一体に形成された複数の光検出素子を有する光検出素子アレイと、（３）光検出素子アレイに対して所定の位置関係であらかじめ位置決めされて同一の半導体基板に形成され、表面から裏面へと貫通する開口部を含み、光検出素子で検出する光を入射するために用いられる光入射部とを備える光検出器と、半導体基板の面に接し位置決めして設置された本体と、本体の所定の面上で、光入射部から光検出素子アレイへの光路上となる所定の位置に形成された分光素子とを備え、光入射部から入射した光を分光素子によって分光し、得られたスペクトル成分を光検出素子アレイでの複数の光検出素子のそれぞれによって検出するように構成されるとともに、光検出器は、光検出素子アレイに対して所定の位置関係であらかじめ位置決めされて同一の半導体基板に形成された検出器側位置決め部を有し、検出器側位置決め部は、開口部または凹部を含み、本体は、検出器側位置決め部と嵌合することによって位置決めされる凸状の本体側位置決め部を有することを特徴とする。
【０００９】
上記した光検出器においては、分光器に適用した場合に分光された光のスペクトル成分の検出に用いられる光検出素子アレイと、測定対象の光を入射する光入射部の開口部とを同一の基板上に設けた構成としている。このような構成によれば、分光器の構成要素となる光検出素子アレイ及び光入射部を、あらかじめ精度良く位置決めして形成することができる。したがって、構成要素の位置決め精度を向上することが可能な光検出器が実現される。また、光検出素子アレイ及び光入射部の配置についての自由度が高くなる。なお、この光検出器は、表面照射型または裏面照射型のいずれにも構成することができる。
【００１０】
また、光検出器は、光検出素子アレイに対して所定の位置関係であらかじめ位置決めされて同一の半導体基板に形成され、半導体基板の一方の面上に所定の部材を位置決めして設置するために用いられる位置決め部を備え、位置決め部は、開口部または凹部を含むことを特徴とする。このように、光入射部の開口部に加えて位置決め部を設けておくことにより、分光素子などの分光器の他の構成要素を光検出器に対して設置する際に、精度良く、かつ容易にその位置決めを行うことができる。
【００１１】
ここで、光入射部は、一つまたは複数の波長域内の光を所定の透過率で透過させる材料によって充填されている構成としても良い。また、光入射部内に、所定の条件で光を通過させる光学部材を設置する構成としても良い。そのような光学部材としては、スリット部材、レンズ、光学フィルタなどがある。あるいは、光入射部の開口部をそのままスリットとして用いても良い。
【００１２】
また、光検出素子アレイに対して所定の位置関係で基板上に追加的に形成された光検出素子を備えることを特徴としても良い。このような追加的な光検出素子は、例えば、０次光の検出に用いることができる。
【００１３】
また、光検出器は、光入射部が複数の開口部を含み、光検出素子アレイは、複数の開口部のそれぞれに対応するように形成された複数の光検出素子アレイから構成されていることを特徴とする。このような構成によれば、２以上の入射チャンネルを有する分光器や、複数の入射チャンネルの並び線に沿って分光特性を分析する分光器など、様々な構成の分光器に適用可能な光検出器が得られる。
【００１４】
また、光検出器は、光入射部に対して、光入射用の光ファイバが設けられていることを特徴としても良い。
【００１５】
本発明による分光器は、（１）上記した光検出器と、（２）基板の面に接し位置決めして設置された本体と、（３）本体の所定の面、または基板の所定の面上で、光入射部から光検出素子アレイへの光路上となる所定の位置に形成された分光素子とを備え、（４）光入射部から入射した光を分光素子によって分光し、得られたスペクトル成分を光検出素子アレイでの複数の光検出素子のそれぞれによって検出することを特徴とする。
【００１６】
上記した分光器においては、光検出素子アレイと光入射部とが同一の基板上に設けられた上記構成の光検出器を用いることにより、それらが精度良く位置決めされた分光器を得ることが可能となる。また、光検出素子アレイ及び光入射部を互いにアライメントして固定する工程が不要となるので、分光器の製造が容易となる。また、本分光器では、光検出器の基板上に本体等を設置することによって分光器を構成している。このような分光器では、オンチップ分光器の構成とするなど、分光器の構成を全体として小型化することができる。
【００１７】
また、分光器は、光検出器が、光検出素子アレイに対して所定の位置関係であらかじめ位置決めされて同一の半導体基板に形成された検出器側位置決め部を有し、検出器側位置決め部は、開口部または凹部を含み、本体は、検出器側位置決め部と嵌合することによって位置決めされる凸状の本体側位置決め部を有することを特徴とする。このような位置決め部を光検出器及び本体の双方に設けることにより、分光器を製造する際のパッシブアライメントによる位置決めが可能となり、分光器の製造がさらに容易となる。
【００１８】
光検出器上に設置される本体の構成については、本体は、基板と対向する光学面が基板から所定の距離を隔てて配置され、その内面が光学面となっている板状部と、板状部を基板上に支持する支持部とを有して形成された構成を用いることができる。
【００１９】
このような本体を用いた場合における分光器の具体的な構成としては、板状部の内面上で光入射部からの光路上となる所定の位置に設けられたレンズと、板状部の外面上にレンズに対して位置決めして設けられ、レンズを通過した光を分光する分光素子として機能する平面状の反射型回折格子とを備える構成がある。あるいは、板状部の内面または外面上で光入射部からの光路上となる所定の位置に設けられ、分光素子として機能する凹状の反射型回折格子を備える構成がある。
【００２０】
また、本体の他の構成としては、本体は、基板と対向する光学面が基板に接するように配置され、所定波長の光を透過させる材料によって形成された構成を用いることができる。
【００２１】
このような本体を用いた場合における分光器の具体的な構成としては、本体の外面上で光入射部からの光路上となる所定の位置に設けられ、分光素子として機能する凹状の反射型回折格子を備える構成がある。
【００２２】
また、分光器の他の構成としては、基板の所定の面上に設けられ、分光素子として機能する反射型回折格子と、本体の所定の面上で、光入射部から反射型回折格子への光路、及び反射型回折格子から光検出素子アレイへの光路上となる所定の位置に設けられた反射ミラーとを備える構成がある。
【００２３】
また、本体及び本体上の光学要素は、所定の材料をモールドすることによって一体に形成されていることを特徴とする。これにより、光検出器に設けられた光検出素子アレイ及び光入射部と、本体に設けられた光学要素とを精度良く位置決めすることができる。また、光検出器と本体とを組み合わせた分光器の量産化が容易となる。このとき、射出成型法を用いれば、特に高精度での位置決めが可能となる。
【００２４】
また、光入射部と、光検出素子アレイとの間に、光遮蔽部材、または複数の光遮蔽部材、もしくはアパーチャ、または複数のアパーチャが設置されていることが好ましい。これにより、分光測定における迷光の影響を低減することができる。ここで、アパーチャや遮蔽は、光学部材の面にパターニングされたコーティングからなるものでも良い。この場合、遮蔽を実現するには新たな部材を用いる必要はなく、部材面をコーティングしたり、一部を黒くしたりするのみで良い。
【００２５】
また、分光器は、分光素子が、収差補正または回折効率最適化、もしくはその両方が施されたブレーズド格子であることを特徴としても良い。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による光検出器、及びそれを用いた分光器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２７】
まず、本発明による光検出器の構成について説明する。
【００２８】
図１は、本発明による光検出器の一実施形態の構成を表面側から示す斜視図である。また、図２は、図１に示した光検出器の構成を裏面側から示す斜視図である。
【００２９】
ここで、以下においては、説明の便宜のため、図１に示すように、光検出器の基板に直交する軸をｚ軸、ｚ軸に直交して基板面を規定する２つの軸をｘ軸、ｙ軸とする。また、説明上必要な場合には、ｘ軸の負の方向、正の方向をそれぞれ左方向、右方向、ｙ軸の負の方向、正の方向をそれぞれ前方向、後方向、ｚ軸の負の方向、正の方向をそれぞれ下方向、上方向として説明する。
【００３０】
本実施形態の光検出器１Ａは、例えばシリコン（Ｓｉ）などの半導体材料からなる基板１０を有している。基板１０の上面１０ａ上には、複数のフォトダイオード（光検出素子）１２を有するフォトダイオードアレイ（光検出素子アレイ）１１が所定の配列で形成されている。このフォトダイオードアレイ１１は、後述するように、本光検出器１Ａを分光器に適用した場合に、分光された光のスペクトル成分の検出に用いられるものである。図１においては、フォトダイオードアレイ１１は、上面１０ａの前方側にｘ軸をフォトダイオード１２の配列方向として設けられている。
【００３１】
また、基板１０には、上面１０ａから下面１０ｂへと貫通する開口部１３が形成されている。この開口部１３は、本光検出器１Ａを分光器に適用した場合に、フォトダイオード１２で検出する光を入射するための光入射部として用いられるものであり、フォトダイオードアレイ１１に対して所定の位置関係で、あらかじめ位置決めされて設けられている。図１においては、光入射部１３は、基板１０の後方側でフォトダイオードアレイ１１の略中心に近接する所定位置に、矩形スリット状の開口形状によって形成されている。
【００３２】
上面１０ａ上の後方側には、その略中心に位置する光入射部１３を挟む左側及び右側の部分に、それぞれ電子回路部１８が設けられている。これらの電子回路部１８には、フォトダイオードアレイ１１に含まれる各フォトダイオード１２へのバイアス電圧の印加及び信号処理に必要な配線、回路等が設けられる。また、上面１０ａ上の左側及び右側の端部には、それぞれボンディングワイヤを介した電気信号の入出力等に用いられる電極パッド１９が設けられている。
【００３３】
本実施形態による光検出器１Ａの効果について説明する。
【００３４】
図１及び図２に示した光検出器１Ａにおいては、フォトダイオードアレイ１１と、光入射部１３となる開口部とを同一の基板１０上に設けた構成としている。このような構成によれば、本光検出器１Ａを分光器に適用した場合に、分光器の構成要素となるフォトダイオードアレイ１１及び光入射部１３を、あらかじめ精度良く位置決めして形成することができる。したがって、構成要素の位置決め精度を向上することが可能な光検出器が実現される。
【００３５】
また、このような構成では、フォトダイオードアレイと光入射部とを別部材とし、互いにアライメントして固定する構成と比べて、フォトダイオードアレイ１１及び光入射部１３の配置についての自由度が高くなる。このような配置の自由度は、フォトダイオードアレイを有する光検出器を用いて分光器を構成する上で有効である。
【００３６】
ここで、光入射部１３では、基板１０の下面１０ｂ側から上面１０ａ側へと向かう方向が、本光検出器１Ａを分光器に適用した場合の光の入射方向となる。この光入射部１３の開口部は、好ましくは矩形状の開口形状で上面１０ａ及び下面１０ｂに垂直または所定角度で傾いた側面を有して形成され、測定対象として分光器へと入射する光の光路や入射角度を制限する。また、光入射部１３では、測定対象となる一つまたは複数の波長域内の光を所定の透過率で透過させる材料、例えば樹脂材料、によって開口部を充填した構成としても良い。
【００３７】
あるいは、光入射部１３に対して、その開口部内に所定の条件で光を通過させる光学部材を設置しても良い。そのような構成としては、例えば、光入射部１３内にスリット部材をはめ込む構成がある。この場合、スリット部材を入れ換えることでスリット形状を適宜変更することが可能となる。また、入射する光を集光または平行光とするレンズを配置する構成や、所定の波長帯域の光のみを選択的に透過する波長フィルタなどの光学フィルタを配置する構成など、様々な構成が可能である。
【００３８】
また、光入射部１３を通した光の入射方法としては、様々な構成を用いることができる。図２には、その一例として、光ファイバ６１から出射された光を光入射部１３の下方に位置するプリズム６２で反射して入射する構成を示している。このように、基板１０の下面１０ｂ側に光入射用の光ファイバを設置する場合、下面１０ｂ上に光ファイバの位置決め及び固定用のＶ溝等を設けておくことが好ましい。
【００３９】
また、光入射部１３と、フォトダイオードアレイ１１との間に、所定波長の光を遮蔽する一つまたは複数の光遮蔽部材、もしくはアパーチャを設ける構成としても良い。これにより、光検出器１Ａを適用した分光器において、分光測定での迷光の影響を低減することができる。
【００４０】
ここで、アパーチャや遮蔽は、光学部材の面にパターニングされたコーティングなどからなるものでも良い。この場合、遮蔽は新たな部材である必要はなく、部材面をコーティングしたり、一部を黒くしたりするのみで良い。また、回折格子面上のパターニングされた高反射コーティングや、レンズ面上のパターニングされた吸収コーティングは、実効的なアパーチャによる追加的な遮蔽として機能する。さらに、不要な後方反射を避けるため、レンズ面上に反射防止コーティングやその他の手段を用いることもできる。
【００４１】
さらに、光検出器は、一般には、表面照射型または裏面照射型のいずれにも構成することができる。裏面照射型の場合、光は基板の表面から照射されるので、照射された光を裏面で受けるために光検出素子が基板の裏面上に形成される。また、基板については、その一部または全部を薄型化しても良い。短い波長の光の検出には、裏面照射型の光検出器の使用が好ましい。
【００４２】
図３は、本発明による分光器の第１実施形態の構成を示す斜視図である。また、図４は、図３に示した分光器を分解して示す斜視図である。本実施形態の分光器は、光検出器１Ｂと、本体２とを備えて構成されている。なお、光検出器１Ｂにおける基板１０、複数のフォトダイオード１２を有するフォトダイオードアレイ１１、及び光入射部１３の構成については、図１に示した光検出器１Ａと同様である。
【００４３】
基板１０には、光入射部である開口部１３に加えて、それぞれ上面１０ａから下面１０ｂへと貫通する２つの開口部１４、１５が形成されている。これらの開口部１４、１５は、基板１０の上面１０ａ上に分光器を構成する他の部材を位置決めして設置するために用いられる検出器側位置決め部であり、フォトダイオードアレイ１１に対して所定の位置関係で、あらかじめ位置決めされて設けられている。
【００４４】
本実施形態においては、図４の分解図に示すように、位置決め部１４は、基板１０の後方側でフォトダイオードアレイ１１の左端部に近接する所定位置に、矩形状の開口形状によって形成されている。また、位置決め部１５は、基板１０の後方側でフォトダイオードアレイ１１の右端部に近接する所定位置に、同じく矩形状の開口形状によって形成されている。
【００４５】
この光検出器１Ｂに対し、本体２は、基板１０の上面１０ａ上に位置決めして設置されている。この本体２は、基板１０の上方に位置する板状部２０と、板状部２０を基板１０上に支持する支持部２１、２２とを有して構成されている。板状部２０は矩形の平板状に形成されており、その下面２０ｂが、基板１０と所定の距離を隔てて対向する光学面となっている。本分光器において測定対象となる光は、光入射部１３の開口部内を通過し、その上方にある板状部２０に向けて照射される。
【００４６】
板状部２０の左端部と基板１０との間には、支持部２１が設けられている。また、板状部２０の右端部と基板１０との間には、支持部２２が設けられている。これにより、本体２は板状部２０及び支持部２１、２２からなるブリッジ形状となっている。また、この本体２は、所定波長の光を透過する透明樹脂材料によって一体に形成されている。
【００４７】
支持部２１の下面側の所定位置には、図４に示すように、凸状部２１ａが設けられている。また、支持部２２の下面側の所定位置には、同様に、凸状部２２ａが設けられている。これらの凸状部２１ａ、２２ａは、それぞれ基板１０の上面１０ａ上に設けられた検出器側位置決め部１４、１５の開口部に対応する位置及び形状によって形成されている。これにより、凸状部２１ａ、２２ａは、位置決め部１４、１５と嵌合することによって本体２と光検出器１Ｂとを位置決めする本体側位置決め部となっている。
【００４８】
光検出器１Ｂの基板１０に対向している板状部２０の下面（内面）２０ｂ上には、光入射部１３から入射する光の光路上となる所定の位置に、レンズ２３が設けられている。レンズ２３は、板状部２０の上面（外面）２０ａ上またはその近傍の所定位置を中心とする半球に近い形状のレンズであり、下面２０ｂ上に一定の曲率を有する曲面部分を形成することによって板状部２０と一体に設けられている。
【００４９】
また、板状部２０の上面２０ａ上でレンズ２３の曲率中心を含む部位には、平面状の回折格子２４が設けられている。回折格子２４は、光入射部１３から入射してレンズ２３を通過した光を分光する分光素子である。この回折格子２４は、レンズ２３に対応する円形状の外形を有する反射型の平面回折格子であり、その光の分散方向がフォトダイオードアレイ１１でのフォトダイオード１２の配列方向（ｘ軸方向）と一致するように形成されている。なお、平面回折格子においても、収差を低減した反射型のブレーズド格子を用いることができる。
【００５０】
以上の構成を有する分光器において、光検出器１Ｂの基板１０に設けられた光入射部１３から分光器内へと入射した測定対象の光は、板状部２０の下面２０ｂに到達し、レンズ２３によって平行光とされた後、分光素子である反射型平面回折格子２４へと入射する。
【００５１】
入射した光は、回折格子２４によって反射されると同時にその波長によって各スペクトル成分へと分解され、レンズ２３を介して基板１０の上面１０ａに向けて出射される。そして、分光された光のスペクトル成分は、上面１０ａ上に設けられたフォトダイオードアレイ１１へと集束されつつ入射し、それぞれ対応するフォトダイオード１２によって検出される。
【００５２】
本実施形態による分光器の効果について説明する。
【００５３】
図３及び図４に示した分光器においては、フォトダイオードアレイ１１と光入射部１３とが同一の基板１０上に設けられた上記構成の光検出器１Ｂを用いて分光器が構成されている。これにより、分光器の構成要素であるフォトダイオードアレイ１１及び光入射部１３が精度良く位置決めされた分光器を得ることが可能となる。また、このような構成では、分光器を製造する際に、フォトダイオードアレイ１１及び光入射部１３を互いにアライメントして固定する工程が不要となる。したがって、分光器の製造工程を容易化することができる。
【００５４】
また、図３に示す分光器は、分光素子である回折格子２４が設けられた本体２を、フォトダイオードアレイ１１及び光入射部１３が設けられた光検出器１Ｂの基板１０上に設置することによって構成されている。このような分光器では、そのオンチップ構造により、分光器の構成を全体として小型化することができる。
【００５５】
また、本実施形態においては、光検出器１Ｂと本体２とは、検出器側位置決め部１４、１５である開口部と、本体側位置決め部２１ａ、２２ａである凸状部とが嵌合することによって位置決めして固定されている。このように、光検出器１Ｂ及び本体２の双方に位置決め部を設ける構成では、分光器を製造する際のパッシブアライメントによる位置決めが可能となり、分光器の製造がさらに容易となる。また、これらの光検出器１Ｂ及び本体２により、分光器の各構成要素が３次元に精度良く位置決めされて配置されることとなるので、完全なセルフアライメントが可能なチップサイズの分光器が実現される。
【００５６】
ここで、本実施形態においては、測定対象の光が板状部２０の板の所定部分の材料を通過する構成となっている。このため、本体２として、透明樹脂材料によって一体に形成された光学体を用いている。この本体２については、少なくとも測定対象の光が通過する部分が透明体であれば良い。例えば、図３の構成では、板状部２０を透明樹脂材料により、また、支持部２１、２２を不透明な樹脂材料により形成しても良い。
【００５７】
また、本体の内部を光が通過しない場合には、本体の全体を不透明な樹脂材料により形成しても良い。このような構成では、本体自体が光遮蔽部材として機能する。また、樹脂材料以外にも、ガラス材料などの他の材料を用いても良い。また、本体２の形状については、図３においては、板状部２０に対して左辺側及び右辺側にそれぞれ支持部２１、２２を設けたブリッジ形状としたが、板状部２０を囲む４辺それぞれに支持部を設ける構成としても良い。
【００５８】
反射型の平面回折格子を使用した上記実施形態では、回折格子の前後左右への位置ずれに対するトレランスは大きくとれるが、以下のような方法で位置決めの精度を向上しても良い。
【００５９】
すなわち、検出器側位置決め部１４、１５である開口部をｘ軸方向に上面が開いたテーパ形状とし、本体側位置決め部２１ａ、２２ａを同様にｘ軸方向に下面が狭くなる凸状部とすることにより、直方体形状の凸状部を用いる場合に比べてｘ軸方向の位置決め精度を向上することができる。
【００６０】
さらに、本体２をブリッジ形状ではなく伏せた枡形状として、基板１０の前後にｙ軸方向に上面が開いたテーパ形状の検出器側位置決め部を設け、本体２の下面にｙ軸方向に下面が狭くなった凸状の本体側位置決め部を設けることにより、ｙ軸方向の位置決め精度も向上させる構成としても良い。
【００６１】
この際、基板１０の左右に設けられるｘ軸方向の位置決め部では、ｙ軸方向に関して開口部の幅を凸状部の幅より広くしてトレランスを設け、基板１０の前後に設けられるｙ軸方向の位置決め部では、逆にｘ軸方向に関して開口部の幅を凸状部の幅より広くしてトレランスを設けることにより、ｘ軸方向の位置決めを基板１０の左右方向の位置決め部が担当し、ｙ軸方向の位置決めを基板１０の前後方向の位置決め部で担当させることが好ましい。また、ｘ軸方向とｙ軸方向の位置決めを左右部と前後部で分担する例について述べたが、テーパをｘ軸方向及びｙ軸方向の双方に設けることによって、左右部だけで位置決めの精度を向上させる構成としても良い。
【００６２】
また、本体２の形成方法については、本体上に形成されたレンズ２３や回折格子２４などの光学要素を含む本体２の全体を、樹脂材料などの所定の材料をモールドすることによって一体に形成することが好ましい。これにより、光検出器１Ｂに設けられたフォトダイオードアレイ１１及び光入射部１３と、本体２に設けられたレンズ２３、回折格子２４などの光学要素とを精度良く位置決めすることができる。
【００６３】
この場合、特に、本体を精密に製造することが可能な射出成型法を用いることが好ましい。また、このような方法で形成された本体２と、フォトダイオードアレイ１１及び光入射部１３があらかじめ位置決めされて形成された光検出器１Ｂとを組み合わせることにより、許容されるアライメント誤差が大幅に低減されると同時に、小型で高精度の分光器を量産化することが可能となる。
【００６４】
また、上記構成では、レンズ２３として、板状部２０の下面２０ｂ上に形成された曲面部分を用いている。この場合のレンズ２３の光学特性は、板状部２０の材料、厚さ、レンズ面の中心位置、曲率半径などによって設定される。また、レンズ２３として、非球面形状のものを用いて収差をよりいっそう低減させても良い。一方、板状部２０の上面２０ａ上の反射型平面回折格子２４については、射出成型法等による本体２の形成時にブレーズド格子などの回折格子パターンを形成した後、パターンが形成された部位にアルミニウムなどによる反射コートを施す構成が用いられる。
【００６５】
また、この回折格子２４は、収差が低減されたブレーズド格子であること、例えば収差補正または回折効率最適化、もしくはその両方が施されたブレーズド格子、が好ましい。分光素子として用いられる回折格子の種類や回折格子パターン等については、具体的には様々なものを用いて良い。また、本体２の材質や回折格子の線密度等を適切に設定することにより、温度変化に対して分光特性が変化しない構成とすることが好ましい。また、各部の外面を必要に応じて黒くすることが好ましい。
【００６６】
光検出器１Ｂの基板１０に設けられる位置決め部１４、１５については、図４においては、矩形状の開口形状で形成された開口部を示している。この場合、開口部の側面が本体２の位置決め部２１ａ、２２ａでの凸状部の側面と接し、これによってｘ軸、ｙ軸方向の位置決めがなされる。この位置決め部１４、１５の開口形状については、嵌合される本体２の位置決め部２１ａ、２２ａの形状と合わせて適宜設定して良い。
【００６７】
また、この位置決め部１４、１５については、開口部に限らず、凹部、凸部、または電極構造としても良い。ただし、いずれの場合も、フォトダイオードアレイ１１に対して位置決めして形成することが必要である。また、凹部や凸部などの検出器側位置決め部は、基板の下面上に設けても良い。この場合、本体をクリップ状の形状など、本体の上部及び下部の間に光検出器の基板を挟み込む形状とし、本体側位置決め部を本体の下部に設けることが好ましい。
【００６８】
図５は、本発明による分光器の第２実施形態の構成を示す斜視図である。本実施形態の分光器は、光検出器１Ｃと、本体３とを備えて構成されている。なお、図５においては、後述する上面上に設けられた回折格子３２を除き、本体３を破線によって図示している。
【００６９】
光検出器１Ｃは、シリコンなどからなる半導体基板１０を有している。基板１０の上面１０ａ上には、複数のフォトダイオード１２を有するフォトダイオードアレイ１１が所定の配列で形成されている。図５においては、フォトダイオードアレイ１１は、上面１０ａのｙ軸について略中央でｘ軸について右方側に、ｘ軸をフォトダイオード１２の配列方向として設けられている。
【００７０】
基板１０の略中央でフォトダイオードアレイ１１の左側となる所定位置には、矩形スリット状の開口部からなる光入射部１３が設けられている。また、本実施形態の光検出器１Ｃにおいては、フォトダイオードアレイ１１に含まれている複数のフォトダイオード１２とは別に、フォトダイオード１６が形成されている。このフォトダイオード１６は、光入射部１３の左側となる所定位置に設けられている。
【００７１】
基板１０には、光入射部である開口部１３に加えて、上面１０ａ上で基板１０の４隅近傍の所定位置に、それぞれ凹部１７が形成されている。これらの４つの凹部１７は、基板１０の上面１０ａ上に本体３を位置決めして設置するための検出器側位置決め部である。
【００７２】
この光検出器１Ｃに対し、本体３は、基板１０の上面１０ａ上に位置決めして設置されている。この本体３は、所定波長の光を透過する透明樹脂材料によって一体に形成された直方体状の本体部３０からなり、その下面３０ｂが、基板１０の上面１０ａに接する光学面となっている。
【００７３】
本体部３０の下面３０ｂには、基板１０の上面１０ａ上に設けられた凹状の位置決め部１７に嵌合する凸状の本体側位置決め部（図示していない）が設けられている。また、本体部３０の下面３０ｂ側の所定部位は、不透明な樹脂材料からなる光遮蔽部３１となっている。この光遮蔽部３１は、図５に示すように、基板１０上に本体３を設置したときに、光入射部１３とフォトダイオード１６との間に配置される光遮蔽部材であり、本体部３０内にはめ込まれるように形成されている。
【００７４】
本体部３０の上面（外面）３０ａ上には、光入射部１３から入射する光の光路上となる所定の位置に、回折格子３２が設けられている。回折格子３２は、光入射部１３から入射した光を分光する分光素子であり、基板１０側からみて凹面状に形成されている。この回折格子３２は、反射型の凹面回折格子であり、その光の分散方向がフォトダイオードアレイ１１でのフォトダイオード１２の配列方向と一致するように形成されている。
【００７５】
以上の構成を有する分光器において、光検出器１Ｃの基板１０に設けられた光入射部１３から分光器内へと入射した測定対象の光は、本体部３０の上面３０ａに到達し、分光素子である反射型凹面回折格子３２へと入射する。
【００７６】
入射した光は、回折格子３２によって反射されると同時にその波長によって各スペクトル成分へと分解され、基板１０の上面１０ａに向けて出射される。そして、分光された光のスペクトル成分は、基板１０の上面１０ａ上に設けられたフォトダイオードアレイ１１へと集束されつつ入射し、それぞれ対応するフォトダイオード１２によって検出される。また、回折格子３２からの０次光は、フォトダイオードアレイ１１とは別に設けられたフォトダイオード１６へと入射して検出される。
【００７７】
本実施形態による分光器の効果について説明する。
【００７８】
図５に示した分光器においては、フォトダイオードアレイ１１と光入射部１３とが基板１０上に設けられた光検出器１Ｃを用いることにより、図３に示した分光器と同様に、構成要素が精度良く位置決めされた分光器が得られる。また、アライメント工程が不要となることにより、分光器の製造工程を容易化することができる。
【００７９】
また、本実施形態においては、ブリッジ形状で中空な本体に代えて直方体形状で中のつまった本体３を用いている。また、分光素子としては、レンズ及び反射型平面回折格子に代えて反射型凹面回折格子３２を用いている。このような構成によっても、測定対象の光に対する分光測定を好適に行うことができる。このような反射型凹面回折格子３２としては、本体部３０の上面３０ａ上に形成された凹状の曲面部分に回折格子パターンを形成し、アルミニウムなどによる反射コートを施す構成が用いられる。
【００８０】
また、反射型凹面回折格子は、ブリッジ形状の構成、または板状部を囲む４辺それぞれに支持部を設ける構成の本体に適用することも可能である。この場合、板状部の上面または下面上に形成された凹状の曲面部分に回折格子パターンを形成し、アルミニウムなどによる反射コートを施す構成が用いられる。また、板状部の下面上に反射型凹面回折格子を設けた場合には、本体の内部を光が通過することがない。したがって、本体の全体を不透明な樹脂材料等によって形成し、光遮蔽部材として機能させても良い。
【００８１】
図５に示した分光器における分光特性等についてさらに説明する。ここでは、分光器の具体的な構成について、基板１０から本体３に設けられた凹面回折格子３２までの高さを８．５７ｍｍとし、分光器の開口数ＮＡを通常の光ファイバの開口数に合わせるものとする。回折格子３２の具体的な回折格子パターンについては、パターンの線密度を平均で１０００本／ｍｍとし、分光器の分光特性が最適化されるように各位置で線密度を変化させた回折格子パターンを用いている。
【００８２】
図６は、図５に示した分光器において分光される光の各スペクトル成分の光路を分散方向について示す正面図である。また、図７は、光の各スペクトル成分の光路を分散がない方向について示す側面図である。また、ここでは、基板１０に設けられた光入射部１３のスリット長さ（ｙ軸方向）を１ｍｍ、スリット幅（ｘ軸方向）を８０μｍとしている。
【００８３】
この光路図においては、光入射部１３から入射した光が反射型凹面回折格子３２によって反射されるとともに分光される。そして、分光された光のスペクトル成分ａ₁〜ａ₃、ｂ₁〜ｂ₃、ｃ₁〜ｃ₃が、それぞれフォトダイオードアレイ１１上の対応する位置に集束している。これにより、測定対象となる光の分光測定が行われる。
【００８４】
特に、上記した例のように光入射部及びフォトダイオードアレイと分光素子との間の距離が８ｍｍ程度と小さい場合、高精度で分光測定を行うには、分光器の各構成要素が精度良く位置決めされていることが必要である。これに対して、光入射部１３及びフォトダイオードアレイ１１が基板１０に形成された光検出器１Ｃを用いる上記構成によれば、このような高精度での分光測定が可能となる。
【００８５】
図８は、基板の上面に設けられたフォトダイオードアレイにおける光の各スペクトル成分のスポット形状の一例を示す平面図である。ここでは、光入射部１３のスリット長さを１ｍｍ、スリット幅を仮想的に０μｍとしている。このスポット図においては、分光された光のスペクトル成分によるスポットａ₁〜ａ₃、ｂ₁〜ｂ₃、ｃ₁〜ｃ₃を示している。
【００８６】
これらのスポットはそれぞれ、スポットａ₁が波長λ＝４００ｎｍ、ａ₂が４１５ｎｍ、ａ₃が４３０ｎｍ、ｂ₁が５６０ｎｍ、ｂ₂が５７５ｎｍ、ｂ₃が５９０ｎｍ、ｃ₁が７３０ｎｍ、ｃ₂が７４５ｎｍ、ｃ₃が７６０ｎｍのスペクトル成分に対応している。図８に示すように、これらのスポットがｘ軸に沿って分散されて分かれていることがわかる。
【００８７】
また、この例では、スポット長さは１．５４ｍｍ、全体でのスポット幅は３．２ｍｍとなっている。この場合、フォトダイオードアレイ１１としては、そのｙ軸方向の長さが１．５ｍｍ程度のフォトダイオードピクセルが配列されたフォトダイオードアレイを用いることが好ましい。
【００８８】
図９は、フォトダイオードアレイにおける光の各スペクトル成分のスポット形状の他の例を示す平面図である。ここでは、光入射部１３のスリット長さを１ｍｍ、スリット幅を８０μｍとしている。このスポット図においては、分光された光のスペクトル成分によるスポットａ₁〜ａ₃、ｂ₁〜ｂ₃、ｃ₁〜ｃ₃を示している。この例では、スポット長さは図８と同様に１．５４ｍｍとなっている。
【００８９】
図１０は、フォトダイオードアレイにおける光の各スペクトル成分のスポット形状の他の例を示す平面図である。ここでは、光入射部１３のスリット長さを２ｍｍ、スリット幅を８０μｍとしている。このスポット図においては、分光された光のスペクトル成分によるスポットａ₁〜ａ₃、ｂ₁〜ｂ₃、ｃ₁〜ｃ₃を示している。この例では、スポット長さは２．５ｍｍとなっている。この場合、フォトダイオードアレイ１１としては、そのｙ軸方向の長さが２．５ｍｍ程度のフォトダイオードピクセルが配列されたフォトダイオードアレイを用いることが好ましい。
【００９０】
本発明による光検出器、及びそれを用いた分光器は、上述した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、いずれも基板１０での光入射部１３を１つのみとしているが、複数の開口部によって光入射部を構成しても良い。この場合、フォトダイオードアレイを、複数の開口部のそれぞれに対応するように形成された複数のフォトダイオードアレイから構成することが好ましい。このような構成によれば、２以上の入射チャンネルを有する分光器や、複数の入射チャンネルの並び線に沿って分光特性を分析する分光器など、様々な構成の分光器を実現することができる。
【００９１】
また、分光器の他の構成としては、基板の所定の面上に設けられ、分光素子として機能する反射型回折格子と、本体の所定の面上で、光入射部から反射型回折格子への光路、及び反射型回折格子から光検出素子アレイへの光路上となる所定の位置に設けられた反射ミラーとを備える構成がある。このような構成によっても、測定対象の光に対する分光測定を好適に行うことができる。
【００９２】
また、上記実施形態では、いずれも光学体である本体が光検出器の基板上に設置される構成としているが、基板が本体よりも小さい構成としても良い。一般には、本体は、基板の面に接し位置決めして設置されていれば良い。また、基板からの電気信号の入出力については、ワイヤボンディングを用いずに、フリップチップボンディング技術を用いても良い。
【００９３】
また、図１及び図２に関して上述したように、光入射部の開口部内に光学部材を設置しても良い。図１１（ａ）〜（ｃ）に、そのような光学部材の例を示す。図１１（ａ）には、高反射コーティングされた面６３ａを有するプリズム部材６３を基板１０の下側から光入射部１３に挿入した構成を示している。このプリズム部材６３は、光ファイバ６１から出射された光を光入射部１３を介して入射させるものである。また、図１１（ｂ）には、テーパ形状の光入射部１３内にフィルタガラス部材６４を位置決め設置した構成を示している。また、図１１（ｃ）には、テーパ形状の光入射部１３内にレンズ部材６５を位置決め設置した構成を示している。
【００９４】
【発明の効果】
本発明による光検出器、及びそれを用いた分光器は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、分光器に適用した場合に分光された光のスペクトル成分の検出に用いられる光検出素子アレイと、測定対象の光を入射する光入射部の開口部とを同一の基板上に設けた構成によれば、分光器の構成要素となる光検出素子アレイ及び光入射部を、あらかじめ精度良く位置決めして形成することができる。したがって、構成要素の位置決め精度を向上することが可能な光検出器及び分光器が実現される。
【００９５】
また、光検出素子アレイ及び光入射部の配置についての自由度が高くなり、同時に、分光器の小型化が可能となる。また、光検出素子アレイ及び光入射部を互いにアライメントして固定する工程が不要となるので、分光器の製造が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光検出器の一実施形態の構成を表面側から示す斜視図である。
【図２】図１に示した光検出器の構成を裏面側から示す斜視図である。
【図３】分光器の第１実施形態の構成を示す斜視図である。
【図４】図３に示した分光器を分解して示す斜視図である。
【図５】分光器の第２実施形態の構成を示す斜視図である。
【図６】図５に示した分光器において分光される光の各スペクトル成分の光路を示す正面図である。
【図７】図５に示した分光器において分光される光の各スペクトル成分の光路を示す側面図である。
【図８】基板の上面における光の各スペクトル成分のスポット形状の一例を示す平面図である。
【図９】基板の上面における光の各スペクトル成分のスポット形状の他の例を示す平面図である。
【図１０】基板の上面における光の各スペクトル成分のスポット形状の他の例を示す平面図である。
【図１１】光入射部の開口部内に設置される光学部材の例を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…光検出器、１０…半導体基板、１１…フォトダイオードアレイ、１２…フォトダイオード、１３…光入射部、１４、１５、１７…検出器側位置決め部、１６…フォトダイオード、１８…電子回路部、１９…電極パッド、２、３…本体、２０…板状部、２１、２２…支持部、２１ａ、２２ａ…本体側位置決め部、２３…レンズ、２４…反射型平面回折格子、３０…本体部、３１…光遮蔽部、３２…反射型凹面回折格子。

Claims (14)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面または裏面上に所定の配列で一体に形成された複数の光検出素子を有する光検出素子アレイと、
   前記光検出素子アレイに対して所定の位置関係であらかじめ位置決めされて同一の前記半導体基板に形成され、前記表面から前記裏面へと貫通する開口部を含み、前記光検出素子で検出する光を入射するために用いられる光入射部とを備える光検出器と、
   前記半導体基板の面に接し位置決めして設置された本体と、
   前記本体の所定の面上で、前記光入射部から前記光検出素子アレイへの光路上となる所定の位置に形成された分光素子とを備え、
   前記光入射部から入射した光を前記分光素子によって分光し、得られたスペクトル成分を前記光検出素子アレイでの前記複数の光検出素子のそれぞれによって検出するように構成されるとともに、
   前記光検出器は、前記光検出素子アレイに対して所定の位置関係であらかじめ位置決めされて同一の前記半導体基板に形成された検出器側位置決め部を有し、前記検出器側位置決め部は、開口部または凹部を含み、
   前記本体は、前記検出器側位置決め部と嵌合することによって位置決めされる凸状の本体側位置決め部を有することを特徴とする分光器。
2. 前記光入射部は、一つまたは複数の波長域内の光を所定の透過率で透過させる材料によって充填されていることを特徴とする請求項１記載の分光器。
3. 前記光入射部内に設置され、所定の条件で光を通過させる光学部材を備えることを特徴とする請求項１記載の分光器。
4. 前記光検出素子アレイに対して所定の位置関係で前記半導体基板上に追加的に形成された光検出素子を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の分光器。
5. 前記光入射部は複数の開口部を含み、
   前記光検出素子アレイは、前記複数の開口部のそれぞれに対応するように形成された複数の光検出素子アレイから構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の分光器。
6. 前記光入射部に対して、光入射用の光ファイバが設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の分光器。
7. 前記本体は、前記半導体基板と対向する光学面が前記半導体基板から所定の距離を隔てて配置され、その内面が前記光学面となっている板状部と、前記板状部を前記半導体基板上に支持する支持部とを有して形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の分光器。
8. 前記板状部の内面上で前記光入射部からの光路上となる所定の位置に設けられたレンズと、
   前記板状部の外面上に前記レンズに対して位置決めして設けられ、前記レンズを通過した光を分光する前記分光素子として機能する平面状の反射型回折格子と
   を備えることを特徴とする請求項７記載の分光器。
9. 前記板状部の内面または外面上で前記光入射部からの光路上となる所定の位置に設けられ、前記分光素子として機能する凹状の反射型回折格子を備えることを特徴とする請求項７記載の分光器。
10. 前記本体は、前記半導体基板と対向する光学面が前記半導体基板に接するように配置され、所定波長の光を透過させる材料によって形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の分光器。
11. 前記本体の外面上で前記光入射部からの光路上となる所定の位置に設けられ、前記分光素子として機能する凹状の反射型回折格子を備えることを特徴とする請求項１０記載の分光器。
12. 前記本体、及び前記分光素子を含む前記本体上の光学要素は、所定の材料をモールドすることによって一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の分光器。
13. 前記光入射部と、前記光検出素子アレイとの間に、一つまたは複数の光遮蔽部材が設置されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載の分光器。
14. 前記分光素子は、収差補正または回折効率最適化、もしくはその両方が施されたブレーズド格子であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の分光器。

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