CN102498374B - 光学单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学单元，该光学单元具有将透射光分光的滤光片部件(1)和具有多个光接收元件的光检测器(2)。该滤光片部件(1)具有透光性的基板、包括第一金属材料并且形成在该基板的一个表面上的多个凸部、和包括具有比第一金属材料高的折射系数的第二金属材料，并且形成为覆盖该多个凸部以及该基板的一个表面的金属膜。该多个凸部设置成使得位于相邻凸部之间的金属膜用作衍射光栅，而该凸部用作波导。设定所述衍射光栅的光栅周期、所述凸部的高度和所述金属膜的厚度的其中至少一个，使得透过该滤光片部件的光的波长对于每个部分变化，而对于每个所述部分为不同的值。光探测器(2)设置成使得该多个光接收元件(21)的每个接收透过该滤光片部件(1)的光。

Description

光学单元
技术领域
本发明涉及用于对来自物体的透射光或反射光进行光谱分析的光学单元。
背景技术
近年来，分光光度计已经活跃地用于各种领域。分光光度计是用不同波长的光照射待测量的物体，并且测量被测量物体的光谱分布的装置。
一般而言，分光光度计具有光学单元和控制单元。该光学单元主要由分光器和光探测器构成。除了用于接收光的光学单元之外，分光光度计也可以具有用作光源的光学单元。
在该光学单元中，分光器将来自物体的透射光或反射光分成特定波长的光。光探测器检测该被分光的光，并且根据该检测出的光的量输出信号。这时，对于检测出的光的每个波长进行输出。然后在控制单元中，对每个输出信号计算该检测出的光的亮度。结果得到光谱分布。
顺便提及，利用棱镜作为构成光学单元的分光器在此前是已知的。然而，当采用棱镜作为分光器时，光学单元的尺寸，并且相应地，分光光度计的尺寸趋于增大，使得难以减少分光光度计的成本。为了解决这些问题，已经提出其中将仅仅允许特定波长的光通过的带通滤光片用作为分光器的分光光度计(见专利文献1)。
专利文献1公开了一种光学单元，其具有透射波长不同的三个薄片状的带通滤光片、和对应于该带通滤光片的三个光接收元件。用这种光学单元，该带通滤光片的形状是薄片状的，并且设置成使得它们的主表面一致。光接收元件每个都被设置成接收透过对应的带通滤光片的光。因此，对应的光接收元件根据所接收的光的波长输出信号。
用专利文献1中所公开的光学单元，该三个薄片状的带通滤光片因而起到分光器的作用。因此，利用专利文献1中所公开的光学单元使得能够用简单的结构来测量具有不同波长的三种类型的光。在专利文献2中也公开与专利文献1公开的光学单元类似的光学单元。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 05-249032A
专利文献2：JP2002-296116A
发明内容
本发明要解决的问题
顺便说，虽然一般的带通滤光片是通过在玻璃基板上形成金属膜或氧化物膜而做成的，但是用这种带通滤光片使透射波长带宽变窄是有问题的。因此，用专利文献1和2中公开的光学单元，存在被测量波长的种类增加困难，并且不能改进光谱分析精度的问题。
而且，用专利文献1和2中公开的光学单元，分别做成多个带通滤光片，而后需要被连接。因而，即使在使用专利文献1和2中公开的光学单元的情况下，减少分光光度计的成本的效果也被认为是最小的，并且难以减少分光器的制造成本。
本发明示例性的目的是通过以低成本提供能够检测具有不同波长的许多类型的光的光学单元来解决上述问题。
解决问题的手段
为了实现上述目的，本发明的一方面提供一种光学单元，该光学单元具有将透射光分光的滤光片部件和具有多个光接收元件的光探测器，该滤光片部件具有光能够透射的基板、在该基板的一个表面上用第一金属材料形成的多个凸部、和用具有比该第一金属材料高的折射率的第二金属材料形成的金属膜，以便将所述基板的一个表面连同所述多个凸部一起覆盖，该多个凸部设置成使得位于相邻凸部之间的金属膜用作衍射光栅，而该凸部用作波导。设定所述衍射光栅的栅距、所述凸部的高度和所述金属膜的厚度的其中至少一个，使得透过该滤光片部件的光的波长对于每个部分变化，而对于每个所述部分为不同的值，并且光探测器设置成使得该多个光接收元件的每个接收透过该滤光片部件的光。
本发明的效果
上述特征使本发明的光学单元能够以低成本检测具有不同波长的许多类型的光。
附图说明
图1是示出了本发明实施例中的光学单元的示意结构的剖视图。
图2是示出了图1所示的滤光片部件的结构的放大的剖视图。
图3是用于示出图1所示的滤光片部件的结构的透视图。
图4是用于示出图1所示的滤光片部件的功能的剖视图。
图5示出了表示图1所示的滤光片部件各部分与透射光的频率之间的关系的示意图。图5A是示出了图1所示的滤光片部件的各部分的示意图，而图5B是示出了入射在该滤光片部件上的混合光的例子的示意图。
图6是示出了本发明实施例中的光学单元的另一个实例的示意结构的剖视图。
附图标记列表
1 滤光片部件
2 光探测器
3 基板
4 光阑部件
5 瞄准仪物镜
10 光学单元
11 基板
12 凸部
13 金属膜
14 波导
15 衍射光栅
21 半导体基板
22 光接收元件
具体实施方式
实施例
在下文中，参考图1至图6来描述本发明的实施例中的光学单元。起初，利用图1至图3来描述本实施例中的光学单元的结构。
图1是示出了本发明实施例中的光学单元的示意结构的剖视图。图2是示出了图1所示的滤光片部件的结构的放大剖视图。图3是用于示出图1所示的滤光片部件的结构的透视图。应当指出，图2中只有凸部的剖面画有阴影线。
如图1所示，本实施例中的光学单元10具有用于将透射光分光的滤光片部件1和具有多个光接收元件22的光探测器2。在图1中，附图标记3表示用作该光学单元10的构架的基板。虽然用夹具将滤光片部件1固定于该基板3，但是在图1中没有示出该夹具。
如图2所示，该滤光片部件1具有透光性的基板11、形成在该基板11的一个表面上的多个凸部12、以及将基板11的一个表面连同多个凸部12一起覆盖的金属膜13。
每个凸部12由第一金属材料形成，而金属膜13由具有比第一金属材料高的折射率的第二金属材料形成。而且，如图2和图3所示，多个凸部12设置成使得位于相邻凸部12之间的金属膜13用作衍射光栅15，而每个凸部12用作波导14。
在滤光片部件1中，设定所述衍射光栅的栅距、所述凸部的高度和所述金属膜的厚度的其中至少一个，使得透过该滤光片部件的光的波长对于每个部分变化，而对于每个所述部分为不同的值。换句话说，该滤光片部件1形成为使得透射光的波长对于其每个部分不同。应当指出，如图2所示，衍射光栅15的栅距p实质上是从一个凸部12的一侧上的侧面到另一个凸部12的相同侧上的侧面的相邻凸部12之间的距离。
在这里，除了图1至图3之外，还利用图4进一步具体描述在本实施例中使用的滤光片部件1的作用。图4是用于示出图1所示的滤光片部件的功能的剖视图。应当指出，为了说明的目的在图4中省去了阴影线。
正如上面所提到的，位于凸部12之间金属膜13形成衍射光栅15(见图4)。这时，为了使金属膜13起到衍射光栅的作用，对于透射不同波长的光的每个部分，该衍射光栅的栅距p设定成比需要透过该部分的光的波长短。而且，依据衍射光栅15的性能，优选多个凸部12每个形成为矩形的柱，并进而如图3所示以矩阵形式设置。
凸部12用作子波长光栅，从而起到波导14的作用，并且如图4所示，入射在滤光片部件1上的入射光L1作为衰减波在凸部12中传播。但是，在包含在入射光L1中的各种类型的光之中，只有设定频率的光到达基板11并且透过该基板11。其他频率的光被基板11反射。在图4的实例中，入射光L1是混合光，包括波长λ1的光、波长λ2的光和波长λ3的光，其中只有波长λ1的光透过该滤光片部件1。
用图2至图4所示的滤光片部件1，通过适当地设定衍射光栅15的形状、构成该滤光片部件1的每个部件的折射率以及该凸部12的衰减系数，能够选择透射光的波长。其中，通过该衍射光栅15的栅距p、凸部12的高度h和金属膜13的厚度t，能够设定衍射光栅15的形状。凸部12的衰减系数的值取决于凸部12的高度h。
因此，对于每个部分，改变衍射光栅15的栅距p、凸部12的高度h、金属膜13的厚度t以及各部件的折射率中的任何一个，都能获得对于每个部分透射光的波长不同的滤光片部件1。具体说，如果凸部12的高度h增加，透射光的波长趋于变长。同样，在衍射光栅15的栅距p变宽或基板11的折射率增大的情况下，透射光的波长也趋于变长。
但是实际上，在每部分上，难以改变各部件的折射率，所以在本实施例中，通过衍射光栅15的栅距p、凸部12的高度h和金属膜13的厚度t来设定每部分的透射光的波长。而且，透射光实际上具有窄带宽的波长，并且对于变窄的光的中心波长设定透射光的波长。
而且，用于基板11、凸部12和金属膜13的材料能够适当地设定，以便于目标波长的光的透射。例如，在光是在红外范围中的透射光的情况下，用于基板11的材料的例子包括二氧化硅(SiO2)。在这种情况下，基板11是所谓的石英基板。而且，用于凸部12的第一金属材料的例子包括金(Au)或包含金的合金。而且，用于金属膜13的材料的例子包括氧化钛(TiO2)。
在这里，在光是在红外范围中的透射光的情况下，描述透射光的中心波长例如设定为1.48μm的例子。形成金属膜13的氧化钛的折射率是“1.904”，形成基板11的氧化硅的折射率是“1.465”，而金的反射率是“0.944”。而且，假定凸部12的高度h设定为“62μm”。尽管金的折射率和衰减系数可以取无数的值，但是在上面的例子中金的折射率和衰减系数分别假定为“0.50”和“7.1”。在这样的例子中，衍射光栅15的栅距p设定为“1064.7μm”，而金属膜13的厚度t可以设定为“134μm”。
用这种结构，当混合光入射在滤光片部件1上时，由于上面提到的功能，包括在该混合光中的多种类型的光被该滤光片部件1的各个部分分光。利用图5来说明这一点。图5示出了表示图1所示的滤光片部件的各个部分和透射光的频率之间的关系的示意图。图5A是示出了图1所示的滤光片部件的各部分的示意图，而图5B是示出了入射在该滤光片部件上的混合光的例子的示意图。
如图5A所示，该滤光片部件1具有透射不同波长的光的8个部分A1至A8。因此，当图5B中所示的混合光作为入射光入射在滤光片部件1上时，该光的每种类型的光将仅仅透过能够使那个波长的光透射的部分，并且将被其他部分反射。例如，在图5B中具有最短波长的光透过部分A1。
而且，在石英基板用作基板11的情况下，凸部12由金形成，而金属膜13由氧化钛形成，该滤光片部件能够通过下述制造工艺生产。
首先，为了在下一个工序中增强与金膜的粘合力，对将作为基板11的石英基板进行预处理。其次，通过在该石英基板的一个表面上喷射等来形成金膜。
接下来，在该金膜上形成抗蚀图形以便将该膜形成在凸部12中。具体说，电子束(EB)抗蚀层首先涂覆在该金膜上，并且该EB抗蚀层随后通过电子束描绘装置处理成该图形的设定形状。相邻凸部12之间的栅距p通过这种抗蚀图形对于每个部分可以设定成不同的值。
接下来，利用抗蚀图形作为掩膜来进行蚀刻，并且当去掉该抗蚀图形时得到图3所示的状态。当在图3所示的状态中减少一些凸部12的高度h时，在做成了仅仅覆盖其高度不需要减少的凸部12的掩膜之后进行蚀刻。
其后，通过气相沉积来形成将覆盖包括凸部12的基板的一个表面的氧化钛金属膜13。而且，当减少部分金属膜13的厚度t时，在做成仅仅覆盖其厚度不会减少的部分的掩膜之后进行蚀刻。通过上述工序完成滤光片部件1。
如图1所示，光探测器2设置成使得该多个光接收元件22的每个接收透过该滤光片部件1的光。透射光因此被用于滤光片部件1的每个部分的不同的光接收元件接收并且检测。
在本实施例中，光探测器2优选是具有其上以矩阵形式形成多个光接收元件22的半导体基板21的固态成像装置，例如，诸如CCD(电荷耦合器件)成像装置，或MOS成像装置。在使用固态成像装置的情况下，由于多个光接收元件22能够设置在滤光片部件1的一部分上，所以能够可靠地检测透射光。
如上所述，利用在本实施例中使用的滤光片部件1，能够利用精细衍射光栅来选择被透射的光的类型，与上述专利文献1和2中所示的滤光片部件相比，能够减少透射波长带宽。从而，本实施例的光学单元能够检测具有不同波长的多种类型的光并且提高光谱分析的精度。
而且，利用在本实施例中使用的滤光片部件1，透射相互不同波长的光的各部分在同时一体地制造，与上述专利文献1和2中所示的滤光片部件相比，能够减少生产成本。从而，能够实现本实施例的光学单元10的成本减少，并且相应地，还能够实现使用这种光学单元的分光光度计的成本减少。
在本实施例中，光学单元10还能够进一步构造成如图6所示。图6是示出了本发明实施例中的光学单元的另一个实例的示意结构的剖视图。在图6所示的例子中，光学单元10具有光阑(slit)部件4和瞄准仪物镜5。
因此，根据图6所示的例子，在来自物体的光是漫射光的情况下，这种漫射光由瞄准仪物镜5转换成平行光。只有通过光阑部件4的平行光入射在滤光片部件1上。利用光学单元10，在采用图6所示的例子的情况下，能够使来自物体的光有效地入射在滤光片部件1上，利用光学单元10能够提高光检测的精度。
虽然上面参考实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员明白在不脱离本发明的精神实质和范围的情况下能够对本发明的结构和细节进行各种修改。
本申请基于2009年8月25日提交的在先日本专利申请No.2009-194369，并且要求其优先权，其整体内容通过引用结合于此。
本发明的光学单元具有如下特征。
(1)该光学单元具有将透射光分光的滤光片部件和具有多个光接收元件的光探测器，该滤光片部件具有透光性的基板、在该基板的一个表面上用第一金属材料形成的多个凸部、用具有比第一金属材料高的折射系数的第二金属材料形成金属膜，以便将该多个凸部连同该基板的一个表面一起覆盖，该多个凸部设置成使得位于相邻凸部之间的金属膜用作衍射光栅，而该凸部用作波导，设定所述衍射光栅的栅距、所述凸部的高度和所述金属膜的厚度的其中至少一个，使得透过该滤光片部件的光的波长对于每个部分变化，而对于每个所述部分为不同的值，并且光探测器设置成使得该多个光接收元件的每个都接收透过该滤光片部件的光。
(2)在根据上述(1)的光学单元中，对于每个所述部分，该衍射光栅的栅距形成为比需要透光该部分的光的波长短。
(3)在根据上述(1)的光学单元中，用于该基板的材料包括氧化硅，该第一金属材料包括金(Au)，而第二金属材料包括氧化钛。
(4)在根据上述(1)的光学单元中，该多个凸部形成为矩形柱并且以矩阵形式设置。
(5)在根据上述(1)的光学单元中，该光探测器是具有半导体基板的固态成像装置，多个光接收元件以矩阵形式形成在该半导体基板上。
工业实用性
根据本发明，如上所述，以低成本提供能够检测具有不同波长的各种类型的光的光学单元。本发明在对来自物体的透射光或反射光进行光谱分析的装置中是有用的。

Claims (4)

1.一种光学单元，包括：
将透射光分光的滤光片部件；以及
具有多个光接收元件的光探测器，
其中，该滤光片部件包括：
透光性且材料包括氧化硅的基板；
在该基板的一个表面上用包括金(Au)的第一金属材料形成的多个凸部；以及
用具有比所述第一金属材料高的折射率的第二金属材料形成的金属膜，以便将所述基板的一个表面连同所述多个凸部一起覆盖，
所述多个凸部设置成使得所述多个凸部的各自的底面与所述基板的一个表面接触，且位于相邻凸部之间的金属膜用作衍射光栅，
设定所述衍射光栅的栅距、所述凸部的高度和所述金属膜的厚度的其中至少一个，使得透过该滤光片部件的光的波长对于每个部分变化，而对于每个所述部分为不同的值，并且
所述光探测器设置成使得所述多个光接收元件的每个都接收透过所述滤光片部件的光。
2.根据权利要求1所述的光学单元，
其中，对于每个所述部分，该衍射光栅的栅距形成为比需要透过该部分的光的波长短。
3.根据权利要求1所述的光学单元，
其中，所述多个凸部形成为矩形柱并且以矩阵形式设置。
4.根据权利要求1所述的光学单元，
其中，所述光探测器是具有半导体基板的固态成像装置，所述多个光接收元件以矩阵形式形成在该基板上。
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