特許 6989206 受光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6989206

(24)【登録日】2021年12月6日

(45)【発行日】2022年1月5日

(54)【発明の名称】受光装置

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/04 20060101AFI20211220BHJP

【ＦＩ】

   G01J1/04 A

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2021-560870(P2021-560870)

(86)(22)【出願日】2021年7月13日

(86)【国際出願番号】JP2021026314

【審査請求日】2021年10月19日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000161862

【氏名又は名称】株式会社京都セミコンダクター

(74)【代理人】

【識別番号】100089004

【弁理士】

【氏名又は名称】岡村 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】磯村 尚友

(72)【発明者】

【氏名】大村 悦司

【審査官】 小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−２３２５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−８０５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２７２２７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２９２７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６３９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０２６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１８／０３３６３８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０３６３８５９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許第１０８６０４０５５（ＣＮ，Ｂ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ １／００ − Ｇ０１Ｊ １／６０

Ｇ０１Ｊ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１４−２０６２号公報

【特許文献2】特開２０１６−８０５５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

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。

【0009】

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。

【課題を解決するための手段】

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【発明の効果】

【0018】

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。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施例に係る受光装置の全体図である。

【図2】図１の受光装置の要部断面図である。

【図3】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。

【図4】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5】図４で省略した集光レンズ側に戻る光線の例である。

【図6】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7】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。

【図8】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。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】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。

【図12】凸面形成用の第１レジスト膜形成工程の説明図である。

【図13】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。

【図14】凸面エッチング工程の説明図である。

【図15】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。

【図16】凸面に形成された複眼レンズの説明図である。

【図17】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。

【図18】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19】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。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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。

【実施例】

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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）。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【符号の説明】

【0061】

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

【要約】

【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。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】