JP5205243B2

JP5205243B2 - 分光器

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Publication number: JP5205243B2
Application number: JP2008311076A
Authority: JP
Inventors: 勝己柴山
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-12-05
Also published as: DE102009021441A1; JP2009300421A; US20090284742A1; US8040507B2

Description

本発明は、パッケージ内に分光部や光検出素子が収容されてなる分光器に関する。

分光器は、測定対象となる光をプリズムや回折格子等の分光部で分光して光検出素子で検出する装置である。従来の分光器として、特許文献１には、各種の光学素子が装着される光学ベンチと、光学ベンチを収容する容器と、を備えるものが開示されている。この分光器において、光学ベンチは、光学素子が取り付けられる素子取付部、及び容器に固定される容器固定部を有しており、素子取付部は、容器固定部に対して片持ちはりの構造で形成されている。
特開平８−１４５７９４号公報

ところで、近年、分光部や光検出素子を収容するパッケージが小型化された分光器の開発が進められている。その一方で、パッケージの光入射部に対して分光部や光検出素子が高精度に位置決めされた分光器が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、分光部や光検出素子を収容するパッケージの小型化と共に、パッケージの光入射部に対する分光部や光検出素子の高精度な位置決めを実現することができる分光器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、本発明に係る分光器は、光を透過させる本体部と、本体部の所定の面側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た光を検出する光検出素子と、分光部に進行する光を内部に入射させる光入射部を有し、本体部、分光部及び光検出素子を収容するパッケージと、を備え、本体部は、所定の面と略直交する第１の平面、所定の面及び第１の平面と略直交する第２の平面、並びに、分光部が設けられ、所定の面、第１の平面及び第２の平面と交差する曲面を有し、パッケージは、第１の平面と面接触する第１の内壁面、第２の平面と面接触する第２の内壁面、及び曲面と接触する接触部を有することを特徴とする。

この分光器では、分光部が設けられた曲面、及び光検出素子が配置された所定の面を有する本体部が、所定の面と略直交する第１の平面、並びに、所定の面及び第１の平面と略直交する第２の平面を有している。そして、本体部、分光部及び光検出素子を収容するパッケージが、本体部の第１の平面と面接触する第１の内壁面、本体部の第２の平面と面接触する第２の内壁面、及び本体部の曲面と接触する接触部を有している。そのため、本体部の曲面をパッケージの接触部に接触させつつ、本体部の第１の平面をパッケージの第１の内壁面に面接触させ、本体部の第２の平面をパッケージの第２の内壁面に面接触させることで、パッケージの光入射部に対して分光部及び光検出素子が位置決めされる。従って、この分光器によれば、分光部や光検出素子を収容するパッケージの小型化と共に、パッケージの光入射部に対する分光部や光検出素子の高精度な位置決めを実現することができる。

本発明に係る分光器においては、第１の平面は、分光部のグレーティング溝の配列方向と略平行に形成されており、第２の平面は、グレーティング溝の配列方向と略垂直に形成されていることが好ましい。この構成によれば、パッケージの光入射部に対して分光部が位置決めされるだけでなく、パッケージの光入射部に対して分光部のグレーティング溝の配列方向が規定される。そのため、パッケージの光入射部を基準として、分光部の位置、及び分光部のグレーティング溝の配列方向を正確に知得することができる。

本発明に係る分光器においては、接触部は、第１の平面と略直交する方向において分光部の両側に位置するように形成されていることが好ましい。この構成によれば、分光部に損傷が生じるのを防止しつつ、パッケージに対して本体部を所定の位置及び所定の角度で確実に支持させることができる。

本発明に係る分光器においては、パッケージは、光吸収性材料からなることが好ましい。また、第１の平面及び第２の平面には、光吸収膜が形成されていることが好ましい。これらの構成によれば、本体部の第１の平面や第２の平面に０次光や不要な次数の光が入射し、反射や拡散することにより迷光が生じるのを抑制することができる。

本発明によれば、分光部や光検出素子を収容するパッケージの小型化と共に、パッケージの光入射部に対する分光部や光検出素子の高精度な位置決めを実現することができる。

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、本発明に係る分光器の一実施形態の分解斜視図であり、図２，３は、それぞれ図１のII−II線，III−III線に沿っての断面図である。図１〜３に示されるように、分光器１は、底面（所定の面）３１側から入射した光Ｌ１を透過させるレンズ部（本体部）３と、レンズ部３に入射した光Ｌ１を分光すると共に底面３１側に反射する分光部４と、分光部４によって分光された光Ｌ２を検出する光検出素子５と、レンズ部３、分光部４及び光検出素子５を収容するパッケージ１１と、を備えている。なお、レンズ部３、分光部４及び光検出素子５は、ユニット化されて、分光モジュール１０を構成している。

パッケージ１１は、直方体状の箱体１２及び長方形板状の蓋体１３を有している。箱体１２及び蓋体１３は、光吸収性を有する樹脂やセラミック等の光吸収性材料からなる。蓋体１３には、光入射孔１３ａが形成されており、光入射孔１３ａには、分光部４に進行する光Ｌ１をパッケージ１１の内部に入射させる光入射窓板（光入射部）２５が固定されている。箱体１２には、蓋体１３が嵌め合わされる断面長方形状の凹部２３が形成されており、凹部２３の底面には、分光モジュール１０が配置される断面長方形状の凹部１５が形成されている。

凹部１５は、側面（第１の内壁面）１６と側面１７とが略平行となり且つ側面（第２の内壁面）１８と側面１９とが略平行となるように形成されている。つまり、側面１６と側面１８とは略直交することになる。なお、箱体１２を射出成形等により一体成形すると、側面１６〜１９に抜き勾配が生じる場合があるが、抜き勾配程度であれば、側面１６と側面１８とが略直交する場合に含まれるものとする。

凹部１５の底面２１と側面１６との交線上、及び底面２１と側面１７との交線上には、直方体状の接触部２２が一体的に形成されている。また、凹部１５の開口部には、各側面１６，１７に対して段差状に切欠き部２３ａが形成されている。各切欠き部２３ａには、箱体１２に埋設された複数のリード２４の基端部が露出しており、各リード２４の先端部は、箱体１２の外部に延在している。

ここで、分光モジュール１０の構成について説明する。図４は、図１の分光モジュールの平面図であり、図５は、図４のV−V線に沿っての断面図である。図６は、図１の分光モジュールの下面図である。

図４〜６に示されるように、レンズ部３は、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、石英等の光透過性ガラス、プラスチック等によって、底面３１と略直交し且つ互いに略平行な２平面、並びに、その２平面及び底面３１と略直交する１平面で、半球状のレンズが切り落とされた形状（例えば曲率半径６〜１０ｍｍ、底面３１の全長５〜１５ｍｍ、底面３１の全幅６〜１０ｍｍ、高さ５〜８ｍｍ）に形成されている。つまり、レンズ部３は、底面３１と略直交し且つ互いに略平行な側面（第１の平面）３２及び側面３３、底面３１及び側面３２，３３と略直交する側面（第２の平面）３４、並びに、底面３１及び側面３２〜３４と交差する球面（曲面）３５を有している。

レンズ部３の球面３５の頂部には、分光部４が設けられている。分光部４は、球面３５に形成された回折層６、回折層６の外側表面に形成された反射層７、並びに、回折層６及び反射層７の外側表面を覆うパッシベーション層５４を有する反射型グレーティングである。回折層６は、側面３２，３３と略平行な方向に沿って複数のグレーティング溝６ａが並設されることによって形成されている。つまり、レンズ部３の側面３２は、グレーティング溝６ａの配列方向と略平行に形成され、レンズ部３の側面３４は、グレーティング溝６ａの配列方向と略垂直に形成されている。

回折層６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が適用され、光硬化性のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、又は有機無機ハイブリッド樹脂等のレプリカ用光学樹脂を光硬化させることよって形成される。反射層７は、膜状であって、例えば、回折層６の外側表面にＡｌやＡｕ等を蒸着することで形成される。パッシベーション層５４は、膜状であって、例えば、回折層６及び反射層７の外側表面にＭｇＦ_２やＳｉＯ_２等を蒸着したり、樹脂を塗布したりすることで形成される。なお、反射層７を形成する面積を調整することで、分光モジュール１０の光学ＮＡを調整することができる。また、レンズ部３と分光部４を構成する回折層６とを、上記の材料により一体に形成することも可能である。

レンズ部３の底面３１には、光Ｌ１，Ｌ２を透過させる光学樹脂剤６３によって、中間基板８１が接着されている。中間基板８１は、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、石英等の光透過性ガラス、プラスチック等によって、長方形板状に形成されており、光Ｌ１，Ｌ２を透過させる。なお、レンズ部３の底面３１には、光Ｌ１，Ｌ２が通過する光通過開口６７ａを有する光吸収層６７が形成されている。光吸収層６７の材料としては、ブラックレジスト、フィラー（カーボンや酸化物等）が入った有色の樹脂（シリコーン、エポキシ、アクリル、ウレタン、ポリイミド、複合樹脂等）、ＣｒやＣｏ等の金属又は酸化金属、或いはその積層膜、ポーラス状のセラミックや金属又は酸化金属が挙げられる。

中間基板８１の前面には、光検出素子５が配置されている。光検出素子５は、長方形板状（例えば、全長５〜１０ｍｍ、全幅１．５〜３ｍｍ、厚さ０．１〜０．８ｍｍ）に形成されており、光検出素子５の分光部４側の面には、光検出部５ａが形成されている。光検出部５ａは、ＣＣＤイメージセンサ、ＰＤアレイ、或いはＣＭＯＳイメージセンサ等であり、複数のチャンネルが分光部４のグレーティング溝６ａの延在方向と略直交する方向（すなわちグレーティング溝６ａの並設方向）に配列されてなる。

また、光検出素子５には、チャンネルの配列方向において光検出部５ａと並設され、分光部４に進行する光Ｌ１が通過する光通過孔５０が形成されている。光通過孔５０は、光検出部５ａのチャンネルの配列方向と略直交する方向に延在するスリット（例えば、長さ０．５〜１ｍｍ、幅１０〜１００μｍ）であり、光検出部５ａ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。

更に、光検出素子５の分光部４側の面には、金属材料からなる電極５８が複数設けられている。中間基板８１の前面には、各電極５８と対応するように、金属材料からなる配線８２が設けられており、対応する電極５８と配線８２とは、バンプ１４によって電気的に接続されている。なお、中間基板８１と光検出素子５との間において光Ｌ１，Ｌ２の光路を除く領域には、中間基板８１と光検出素子５との接続強度を向上させるべく、バンプ１４を覆うように樹脂剤８５が塗布されている。

以上のように構成された分光モジュール１０は、図１〜３に示されるように、箱体１２の凹部１５内に配置される。このとき、レンズ部３の側面３２は、凹部１５の側面１６と面接触し、レンズ部３の側面３４は、凹部１５の側面１８と面接触する。更に、レンズ部３の球面３５は、レンズ部３の側面３２と略直交する方向において分光部４の両側に位置するように形成された接触部２２と接触する。そして、この状態で、蓋体１３が箱体１２の凹部２３に嵌め合わされて（このとき、蓋体１３の光入射窓板２５と光検出素子５の光通過孔５０とが対向することになる）、分光モジュール１０がパッケージ１１内に収容される。

なお、箱体１２の凹部１５内に分光モジュール１０が配置された状態で、中間基板８１の各配線８２は、切欠き部２３ａに露出したリード２４の基端部とワイヤ６２によって電気的に接続されている。これにより、光検出素子５の光検出部５ａで発生した電気信号は、電極５８、バンプ１４、中間基板８１の配線８２、ワイヤ６２及びリード２４を介して外部に取り出される。

以上のように構成された分光器１においては、光Ｌ１は、パッケージ１１の光入射窓板２５、光検出素子５の光通過孔５０、中間基板８１、並びに光吸収層６７の光通過開口６７ａ及び光学樹脂剤６３を介して、レンズ部３の底面３１側からレンズ部３に入射し、レンズ部３内を進行して分光部４に到達する。分光部４に到達した光Ｌ１は、分光部４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４によってレンズ部３の底面３１側に反射され、レンズ部３内を進行して、光吸収層６７の光通過開口６７ａ及び光学樹脂剤６３、並びに中間基板８１を介して、光検出素子５の光検出部５ａに到達する。光検出部５ａに到達した光Ｌ２は、光検出素子５によって検出される。

上述した分光器１の製造方法について説明する。

まず、レンズ部３の底面３１に光吸収層６７を形成した後、フォトリソグラフィにより光吸収層６７を取り除いた光通過開口６７ａを形成すると共に、レンズ部３の球面３５に分光部４を形成する。その一方で、配線８２が設けられた中間基板８１、及び光通過孔５０が形成された光検出素子５を準備し、光検出素子５の電極５８を端子電極として、対応する中間基板８１の配線８２とバンプ１４によって電気的に接続して、バンプ１４を覆うように樹脂剤８５を側方から塗布する。続いて、光検出素子５が実装された中間基板８１を、光学樹脂剤６３によってレンズ部３の底面３１における光通過開口６７ａの部分に接着し、分光モジュール１０を得る。

なお、分光部４の形成は、具体的には次のように行われる。すなわち、レンズ部３の球面３５の頂部に滴下したレプリカ用光学樹脂に対し、回折層６に対応するグレーティングが刻まれた光透過性のマスターグレーティングを押し当てる。そして、この状態で光を照射することによりレプリカ用光学樹脂を硬化させ、好ましくは、安定化させるために加熱キュアを行うことで、複数のグレーティング溝６ａを有する回折層６を形成する。その後、マスターグレーティングを離型して、回折層６の外側表面にＡｌやＡｕ等を蒸着することで反射層７を形成し、更に、回折層６及び反射層７の外側表面にＭｇＦ_２等を蒸着することでパッシベーション層５４を形成する。

分光モジュール１０を得た後、分光モジュール１０を箱体１２の凹部１５内に配置する。具体的には、図７に示されるように、レンズ部３の側面３４側に対してその反対側が上がった状態となるように分光モジュール１０を傾斜させて、レンズ部３の側面３２と略直交する方向において分光部４の両側に凹部１５の接触部２２が位置するように、レンズ部３の球面３５を接触部２２に接触させる。そして、レンズ部３の球面３５を接触部２２に接触させつつ、接触部２２をガイドとして分光モジュール１０をスライドさせ、レンズ部３の側面３２を凹部１５の側面１６に面接触させると共に、レンズ部３の側面３４を凹部１５の側面１８に面接触させる。

続いて、対応する中間基板８１の配線８２とリード２４の基端部とをワイヤ６２によって電気的に接続する。最後に、蓋体１３を箱体１２の凹部２３に嵌め合わせて気密に接合し、分光モジュール１０がパッケージ１１内に収容された分光器１を得る。

以上説明したように、分光器１においては、分光部４が設けられた球面３５、及び光検出素子５が配置された底面３１を有するレンズ部３が、底面３１と略直交する側面３２、並びに、底面３１及び側面３２と略直交する側面３４を有している。そして、レンズ部３、分光部４及び光検出素子５がユニット化されて構成された分光モジュール１０を収容するパッケージ１１が、レンズ部３の側面３２と面接触する側面１６、レンズ部３の側面３４と面接触する側面１８、及びレンズ部３の球面３５と接触する接触部２２を有している。そのため、レンズ部３の球面３５をパッケージ１１の接触部２２に接触させつつ、レンズ部３の側面３２をパッケージ１１の側面１６に面接触させ、レンズ部３の側面３４をパッケージ１１の側面１８に面接触させることで、パッケージ１１の光入射窓板２５に対して分光部４及び光検出素子５が位置決めされる（特に、レンズ部３の底面３１の水平精度が確保される）。しかも、分光部４がパッケージ１１に接触しないため、分光部４への損傷の発生が防止される。従って、分光器１によれば、分光部４や光検出素子５を収容するパッケージ１１の小型化と共に、パッケージ１１の光入射窓板２５に対する分光部４や光検出素子５の高精度な位置決めを実現することができる。

また、レンズ部３の側面３２は、分光部４のグレーティング溝６ａの配列方向と略平行に形成されており、レンズ部３の側面３４は、分光部４のグレーティング溝６ａの配列方向と略垂直に形成されている。これにより、パッケージ１１の光入射窓板２５に対して分光部４が位置決めされるだけでなく、パッケージ１１の光入射窓板２５に対して分光部４のグレーティング溝６ａの配列方向が規定される。そのため、パッケージ１１の光入射窓板２５を基準として、分光部４の位置、及び分光部４のグレーティング溝６ａの配列方向を正確に知得することができる。

また、パッケージ１１の接触部２２は、レンズ部３の側面３２と略直交する方向において分光部４の両側に位置するように形成されている。これにより、分光部４に損傷が生じるのを防止しつつ、パッケージ１１に対してレンズ部３を所定の位置及び所定の角度で確実に支持させることができる。

更に、パッケージ１１が光吸収性材料からなるため、レンズ部３の側面３２〜３４に０次光が入射することにより迷光が生じ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、図８（ａ）に示されるように、接触部２２は、凹部１５の底面２１と側面１６との交線上、及び底面２１と側面１７との交線上において、凹部１５の側面１８から側面１９に至らず、部分的に形成されていてもよい。また、図８（ｂ）に示されるように、接触部２２は、分光部４に対応するように切り欠かれていてもよい。更に、図８（ｃ）に示されるように、接触部２２は、凹部１５の底面２１に柱状に形成されていてもよい。

また、図９（ａ），（ｂ）に示されるように、接触部２２は、凹部１５の底面２１と側面１６との交線上や、底面２１と側面１７との交線上に限らず、凹部１５の底面２１や側面１６，１７に形成されていてもよい。更に、接触部２２は、箱体１２と別体として形成され、接着等によって箱体１２に固定されたものであってもよい。なお、レンズ部３において接触部２２が接触する面は、球面以外の曲面であってもよい。

また、分光部に進行する光をパッケージ内に入射させる光入射部は、パッケージの側壁に形成されていてもよい。このような分光器によれば、例えば、分光部に進行する光を導光する光ファイバを、分光器が実装される基板に沿わせることができるので、光ファイバの取回し、延いては基板に対する分光器の実装の容易化、並びに実装スペースの縮小化を図ることが可能となる。

ここで、光入射部がパッケージの側壁に形成された分光器の一例について説明する。図１０は、本発明に係る分光器の他の実施形態の斜視図であり、図１１は、図１０のXI−XI線に沿っての断面図である。図１０，１１に示されるように、パッケージ１１の側壁に形成された貫通孔１１ａには、分光部４に進行する光Ｌ１を導光する光ファイバ（光入射部）２６がスリーブ２７を介して挿通され、気密に固定されている。光ファイバ２６は、光検出素子５上に延在しており、その延在部２６ａは、光検出素子５とカバー体２８とで挟持されている。

図１２は、図１０の光検出素子及びカバー体の斜視図である。図１２に示されるように、光検出素子５には、光ファイバ２６の延在部２６ａが配置されるＶ溝５ｂがエッチング等によって形成されており、カバー体２８には、光ファイバ２６の延在部２６ａが配置されるＶ溝２８ｂがエッチング等によって形成されている。カバー体２８には、Ｖ溝２８ｂに配置された光ファイバ２６の光出射端２６ｂから出射された光Ｌ１を、光検出素子５の光通過孔５０に向けて反射する光反射面２８ａがＡｌやＡｕ等の蒸着によって形成されている。光検出素子５とカバー体２８とは、光ファイバ２６の延在部２６ａがＶ溝５ｂ，２８ｂに配置され、且つ光ファイバ２６の光出射端２６ｂが光反射面２８ａに対向した状態で、接着等によって互いに固定されている。

図１３は、本発明に係る分光器の他の実施形態の光入射部周辺の拡大縦断面図である。図１３（ａ）に示されるように、パッケージ１１の貫通孔１１ａにレンズ（光入射部）２９を気密に固定し、光検出素子５とカバー体２８とで挟持された光ファイバ２６に光Ｌ１をレンズカップリングさせてもよい。また、図１３（ｂ）に示されるように、パッケージ１１の貫通孔１１ａに光入射窓板２５を気密に固定し、光検出素子５とカバー体２８とで挟持された光ファイバ２６に光Ｌ１を入射させてもよい。このように、光入射部としてレンズ２９や光入射窓板２５を用いれば、分光器１を含む光学系の設計の自由度を大きくすることが可能となる。更に、パッケージ１１に対するハーメチックシールが容易であるため、信頼性の高いパッケージングが可能となる。

また、レンズ部３の側面３２〜３４に光吸収膜を形成すれば、パッケージ１１が光吸収性材料からなる場合と同様に、側面３２〜３４に０次光や不要な次数の光が入射し、反射や拡散することにより迷光が生じるのを抑制することができる。これは、例えばパッケージ１１が金属材料からなる場合等に有効である。

また、光通過孔５０を光検出素子５に形成せずに、例えば光吸収層６７に形成してもよい。更に、レンズ部３の底面３１に対する光検出素子５の配置等は、何らかの部材等を介して間接的に行われてもよいし、或いは直接的に行われてもよい。また、パッケージ１１のリード２４を光入射窓板２５側に折り曲げた構成としてもよい。この場合、分光器１の実装面側が光入射側の場合（例えば、実装基板に孔が開いており、そこから光を導入する場合等）においても適用することができる。

本発明に係る分光器の一実施形態の分解斜視図である。図１のII−II線に沿っての断面図である。図１のIII−III線に沿っての断面図である。図１の分光モジュールの平面図である。図４のV−V線に沿っての断面図である。図１の分光モジュールの下面図である。図１の分光器における分光モジュールの箱体への配置を説明するための図である。本発明に係る分光器の他の実施形態の箱体の平面図である。本発明に係る分光器の他の実施形態の箱体の縦断面図である。本発明に係る分光器の他の実施形態の斜視図である。図１０のXI−XI線に沿っての断面図である。図１０の光検出素子及びカバー体の斜視図である。本発明に係る分光器の他の実施形態の光入射部周辺の拡大縦断面図である。

符号の説明

１…分光器、３…レンズ部（本体部）、４…分光部、５…光検出素子、１１…パッケージ、１６…側面（第１の内壁面）、１８…側面（第２の内壁面）、２２…接触部、２５…光入射窓板（光入射部）、２６…光ファイバ（光入射部）、２９…レンズ（光入射部）、３１…底面（所定の面）、３２…側面（第１の平面）、３４…側面（第２の平面）、３５…球面（曲面）。

Claims

光を透過させる本体部と、
前記本体部の所定の面側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た光を検出する光検出素子と、
前記分光部に進行する光を内部に入射させる光入射部を有し、前記本体部、前記分光部及び前記光検出素子を収容するパッケージと、を備え、
前記本体部は、前記所定の面と略直交する第１の平面、前記所定の面及び前記第１の平面と略直交する第２の平面、並びに、前記分光部が設けられ、前記所定の面、前記第１の平面及び前記第２の平面と交差する曲面を有し、
前記パッケージは、前記第１の平面と面接触する第１の内壁面、前記第２の平面と面接触する第２の内壁面、及び前記曲面と接触する接触部を有することを特徴とする分光器。
前記第１の平面は、前記分光部のグレーティング溝の配列方向と略平行に形成されており、前記第２の平面は、前記グレーティング溝の配列方向と略垂直に形成されていることを特徴とする請求項１記載の分光器。
前記接触部は、前記第１の平面と略直交する方向において前記分光部の両側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の分光器。
前記パッケージは、光吸収性材料からな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。
前記第１の平面及び前記第２の平面には、光吸収膜が形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。