CN110178005A - 分光器，分析设备和波长可变光源 - Google Patents

Abstract

为了能够提供小型且低成本的分光器，一种分光器包括：光入射单元，被构造为允许来自外部的光入射；衍射光栅，被构造为根据波长分散通过光入射单元入射的光；以及反射单元，包括反射表面，用于反射由衍射光栅根据波长分散的光。反射表面的倾斜是可变的。

Description

分光器，分析设备和波长可变光源

技术领域

本发明涉及分光器、分析设备和波长可变光源。

背景技术

所谓的分光器，其用于在波长基础上分散测量光，以便获得每个波长的分光镜光谱(spectroscopic spectrum)，在本领域中通常是已知的。

注意，一般的分光器构造有凹衍射光栅，用于将测量的入射光分散到具有多个波长的光中，并且构造有能够检测具有多个波长的每个光的阵列传感器(例如，参见如下所示的专利文献1)。例如，硅(Si)光电二极管、InGaAs(铟镓砷)光电二极管等可以用于阵列传感器。

引用文献列表

专利文献

专利文献1：日本未审查专利申请公开No.2015-148485

发明内容

技术问题

然而，传统上，由于用于分光器的阵列传感器是大型且昂贵的，因此存在不能提供小型且廉价的分光器的问题。

作为与传统技术有关的上述问题的解决方案，本发明的目的是提供一种小型且廉价的分光器。

解决技术问题的技术方案

作为上述问题的解决方案，本发明的一个方面提供了一种分光器，包括：光入射单元，被构造为允许来自外部的光入射；衍射光栅，被构造为根据波长分散通过光入射单元入射的光；以及反射单元，包括反射表面，用于反射由衍射光栅根据波长分散的光。反射表面的倾斜是可变的。

本发明的有益效果

根据本发明，可以提供小型且廉价的分光器。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的概念图；

图2是根据本发明第一实施例的光反射单元的构造的示意图；

图3是沿图2中所示的光反射单元的线A-A'截取的截面图；

图4是沿图2中所示的光反射单元的线B-B'截取的截面图；

图5是示出根据本发明的第一实施例的凹衍射光栅的第一构造示例的示意图；

图6是示出根据本发明的第一实施例的凹衍射光栅的第二构造示例的示意图；

图7是示出根据本发明的第一实施例的凹衍射光栅的第三构造示例的示意图；

图8是示出本发明的第一实施例的分光器的构造的第一变形示例的概念图；

图9是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第二变形示例的概念图；

图10是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第三变形示例的概念图；

图11是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第四变形示例的概念图；

图12是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第五变形示例的概念图；

图13是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第六变形示例的概念图；

图14是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第七变形示例的概念图；

图15是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第八变形示例的概念图；

图16是示出根据本发明的第二实施例的分光器的构造的概念图；

图17是示出根据本发明的第二实施例的特定波长检测装置的构造(即第一示例)的概念图；

图18是示出根据本发明的第二实施例的特定波长检测装置的构造(即第二示例)的概念图；

图19是示出根据本发明的第二实施例的特定波长检测装置的输出信号的示例的图；

图20是示出根据本发明的第二实施例的特定波长检测装置的输出信号的示例的图；

图21是示出根据本发明的第二实施例的特定波长检测装置的输出信号的示例的图；

图22是示出根据本发明的第二实施例的可移动光反射部分的偏转角的时间波形的示例的图；

图23是示出根据本发明的第二实施例的分光器的构造的第一变形示例的概念图；

图24是示出根据本发明的第二实施例的分光器的构造的第二变形示例的概念图；

图25是示出根据本发明的第二实施例的分光器的构造的第三变形示例的概念图；

图26是示出根据本发明的第二实施例的分光器的构造的第四变形示例的概念图；

图27是示出根据本发明的第二实施例的分光器的另一构造的概念图；和

图28是示出根据本发明第一实施例的通过使用分光器的光谱测量设备的构造的概念图。

具体实施方式

<第一实施例>

以下描述参考附图说明本发明的第一实施例。

(分光器10A的构造)

图1是示出根据本发明第一实施例的分光器10A的构造的概念图。图1所示的分光器10A是本发明中的“分光器”的一示例。分光器10A构造有光入射部分1、凹衍射光栅2、可移动光反射部分3、光输出部分4，基板5和基板6。

光入射部分1是本发明中的“光入射单元”的示例。光入射部分1包括光通路部分1a。光入射部分1允许外部发射的光通过光通路部分1a，使得光入射到分光器10A。光通路部分1a例如是针孔形状，狭缝形状等。设置光入射部分1是为了确定光的入射位置，提高波长分辨率等。

凹衍射光栅2是本发明中的“衍射光栅”的一示例。凹衍射光栅2形成在基板5上。凹衍射光栅2引起从光入射部分1入射到分光器10A的光的波长色散。通过凹衍射光栅2进行波长色散的光(即，衍射光)被可移动光反射部分3反射。基板5的材料可以是例如半导体、玻璃、金属、树脂等，但不限于这种材料。注意，凹衍射光栅2可以直接形成在基板5上，并且可以形成在形成在基板5上的薄膜层(例如，树脂层等)上。

可移动光反射部分3是本实施例中的“反射单元”的示例。可移动光反射部分3布置在基板6的同一平面内中的基板6的开口部分6a内。可移动光反射部分3与基板6一起构造成光反射单元11。可移动光反射部分3将由凹衍射光栅2分散的衍射光朝向光输出部分4反射。可移动光反射部分3包括旋转轴3a。可移动光反射部分3被构造为在旋转轴3a上旋转，使得可以改变用于反射衍射光的反射表面的倾斜。用于基板6的材料可以是例如半导体、玻璃、金属、树脂等，但不限于这样的材料。然而，在使用半导体作为基板6的材料的情况下，可以通过半导体工艺、微机电系统(MEMS)工艺等形成极薄且小型的可移动光反射部分3。此外，在使用半导体作为基板6的材料的情况下，可以在基板6上单块地形成通过压电致动、静电致动、电磁致动等的驱动元件。因此，可以小型化分光器10A，因为可以在没有诸如电机的外部驱动装置的情况下驱动可移动光反射部分3。

光输出部分4是本发明中的“光输出单元”的示例。光输出部分4包括光通路部分4a。光输出部分4允许已经由可移动光反射部分3反射的衍射光在焦点处穿过光通路部分4a，使得衍射光从外部输出。光通路部分4a例如是针孔形状，狭缝形状等。光输出部分4被设置为用于确定衍射光的输出位置，提高波长分辨率等。

注意，光入射部分1和光输出部分4中的每一个可以形成在基板上。在上述情况下，用于基板的材料可以是例如半导体、玻璃、金属、树脂等，但不限于这样的材料。然而，在使用半导体作为基板的材料的情况下，可以通过半导体工艺、MEMS工艺等以高精度和低成本形成光入射部分1和光输出部分4。

另外，在分光器10A中，每个上述构成元件布置在预定位置并固定到结构、支撑件等，以保持预定角度，如图1所示。

(光反射单元11的构造)

下面的描述参考图2至图4说明光反射单元11的具体构造。图2是根据本发明第一实施例的光反射单元11的构造的示意图。如图2所示，光反射单元11构造有可移动光反射部分3、基板6、驱动电路7(即本发明中的“驱动单元”的示例)和梁部分8。可移动光反射部分3布置在基板6的同一平面内的基板6的开口部分6a内。开口部分6a通过诸如各向同性深蚀刻的MEMS工艺形成。可移动光反射部分3相对于旋转轴3a的端部和旋转轴3a的另一端部由梁部分8支撑。

此外，在图2的示例中，可移动光反射部分3构造有薄膜部分3b和反射构件3c，反射构件3c叠加在薄膜部分3b的反射表面上。反射构件3c设置成用于提高可移动光反射部分3的反射率。作为薄膜部分3b，例如可以使用在绝缘体上硅(SOI)基板上的薄膜硅(Si)层等。此外，作为反射构件3c，例如，可以使用诸如铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或铂(Pt)的金属材料。

图3是沿图2中所示的光反射单元11的线A-A'截取的截面图。在图3的示例中，梁部分8构造有薄膜部分8a、电极8b、压电膜8d和电极8c，它们以从顶部(即，Z轴的正方向)到底部顺序叠置。通过上述构造，当驱动电路7(参见图2)经由电极8b和8c向压电膜8d施加电压时，梁部分8能够用作用于驱动可移动光反射部分3旋转的致动器。例如，为了向外部输出具有所需波长的衍射光，需要使可移动光反射部分3以对应于所述波长的预定角度倾斜。例如，驱动电路7将预定电压施加到压电膜8d。或者，驱动电路7基于由倾斜传感器检测到的角度的反馈向压电膜8d施加电压，该倾斜传感器设置在可移动光反射部分3中。在上述方式中，可移动光反射部分3可以以预定角度倾斜。注意到，用于可移动光反射部分3的驱动方法不限于压电致动，并且可以是诸如静电致动或电磁致动的另一种驱动方法。

图4是沿图2中所示的光反射单元11的线B-B'截取的截面图。如图4所示，可移动光反射部分3构造成当由梁部分8驱动时在旋转轴3a上沿顺时针或逆时针方向旋转，如参考图3所说明的，使得可以改变用于反射衍射光的反射表面的倾斜。

(凹衍射光栅2的构造示例)

接下来，参考图5至7，以下描述说明凹衍射光栅2的具体构造。

图5是示出根据本发明第一实施例的凹衍射光栅2的第一构造示例的示意图。在图5的示例中，凹衍射光栅2构造有树脂层14和反射构件15。具体地，在基板5的顶表面上形成凹面。此外，为薄膜的形状的树脂层14形成在凹表面上。此外，在树脂层14上形成衍射光栅。另外，为了提高反射率，在衍射光栅的表面上形成使用诸如Al、Ag、Au或Pt的金属材料的反射构件15。

例如，在采用Si基板作为基板5的情况下，通过在借助灰度掩模、纳米压印技术等然后进行干蚀刻等施加在基板5上的抗蚀剂上形成凹面-形成图案，可以在基板5上形成凹面。此外，通过在基板5的凹面上形成树脂层14，然后将用于凹衍射光栅的在另一工艺中制备的模板转移到树脂层14上并固化树脂层14，可以在树脂层14上形成衍射光栅。

图6是示出根据本发明的第一实施例的凹衍射光栅2的第二构造示例的示意图。在图6的示例中，凹衍射光栅2构造有反射构件15。具体地，凹表面形成在基板5的顶表面上。此外，在凹表面上形成衍射光栅。另外，为了提高反射率，在衍射光栅的表面上形成使用诸如Al、Ag、Au或Pt的金属材料的反射构件15。例如，通过在基板5的凹面上涂敷抗蚀剂，然后通过干涉曝光方法等在抗蚀剂上形成光栅图案，并且然后进行干蚀刻等，可以在基板5的凹面上形成衍射光栅。

图7是示出根据本发明的第一实施例的凹衍射光栅2的第三构造示例的示意图。在图7的示例中，凹衍射光栅2构造有树脂层14和反射构件15。具体地，树脂层14形成在基板5的顶表面(即，平坦表面)上。凹表面形成在树脂层14的顶表面上，衍射光栅形成在凹表面上。此外，为了提高反射率，在衍射光栅的表面上形成使用诸如Al、Ag、Au或Pt的金属材料的反射构件15。例如，通过在基板5的顶表面(即，平坦表面)上形成树脂层14，然后将用于凹衍射光栅的在另一工艺中制备的模板转移到树脂层14上并固化树脂层14，可以在树脂层14上形成衍射光栅。用于形成图7所示的构造的工艺可以是简单的，因为用于在基板5上形成凹表面的工艺不是必需的。

注意到，关于图5至7中所示的凹衍射光栅2中的每个，衍射光栅的凹槽部分的横截面可以是矩形、正弦形、锯齿波形等。

此外，如图5至图7所示的每个凹衍射光栅2可以构造为没有反射构件15。此外，凹衍射光栅2的构造不限于图5至7中所示的。也就是说，凹衍射光栅2可以具有不同于图5至7所示的构造，只要凹衍射光栅2具有类似的波长色散功能。此外，在平行光从光入射部分1入射的情况下，可以采用平凹衍射光栅代替凹衍射光栅2，以实现类似的波长色散功能。在上述情况下，复杂的装置构造(例如，用于在入射到平面衍射光栅之前和之后将光形成为平行光的准直光学系统)，其在采用用于改变平面衍射光栅的倾斜的构造的情况下是需要的，不是必需的。

(分光器10A的功能和效果)

如上所述构造的根据本实施例的分光器10A驱动可移动光反射部分3以改变可移动光反射部分3的反射表面的倾斜，使得从光输出部分4向外输出的衍射光的波长可以改变。具体地，由凹衍射光栅2执行波长色散的衍射光的焦距基于每个波长而不同。因此，分光器10A改变可移动光反射部分3的反射表面的倾斜，使得光输出部分4的光通路部分4a的位置与对应于具有期望波长的衍射光的焦距的位置匹配。以上述方式，从光输出部分4的光通路部分4a输出具有所需波长的衍射光，如图1所示。注意到图1的虚线示意性地示出具有特定波长的光的光路。换句话说，在图1中，示出了设置可移动光反射部分3的反射表面的倾斜以便输出具有预定波长的衍射光的情况。

如上所述，根据本发明的分光器10A调节可移动光反射部分3的反射表面的倾斜，以便通过光输出部分4的光通路部分4a输出具有所需波长的衍射光。因此，在根据本实施例的分光器10A的情况下，可以通过外部安装的单光传感器(即，如下所述的光检测单元)获得具有期望波长的衍射光的分光镜光谱。换句话说，在根据本发明的分光器10A的情况下，可以在没有阵列传感器的情况下获得具有各种波长的衍射光的分光镜光谱，这是大型且昂贵的。因此，在根据本实施例的分光器10A的情况下，可以提供小型且廉价的分光器。

此外，在本实施例的分光器10A的情况下，通过改变可移动光反射部分3的反射表面的倾斜而不改变凹衍射光栅2的倾斜，穿过光输出部分4的光通路部分4a输出具有所需波长的衍射光。因此，在根据本实施例的分光器10A的情况下，不需要复杂的器件构造(例如，用于使光入射角的变化适应凹衍射光栅2的构造)，该复杂的器件构造在采用用于改变凹衍射光栅2的倾斜的构造的情况下所需的。因此，在根据本实施例的分光器10A的情况下，具有期望波长的衍射光可以以相对简单的构造通过光输出部分4的光通路部分4a输出。

此外，在根据本实施例的分光器10A的情况下，入射光被反射两次：由凹衍射光栅2的反射和由可移动光反射部分3的反射。因此，在根据本实施例的分光器10A的情况下，与诸如日本未审查专利申请公开No.2015-148485的构造相比，其中光被反射三次或更多次，可以简化构造并且可以防止由于反射损失导致的光强度的降低。

注意到，根据本实施例的分光器10A可以用于构造成用于构造光谱测量设备，至少与用于检测通过光输出部分4的光通路部分4a输出的衍射光的光检测装置相结合。光检测装置可以是具有单个光传感器的装置。此外，根据本实施例的分光器10A可以用于构造单色仪，至少与用于引导通过光输出部分4的光通路部分4a输出的衍射光的光纤相结合。

(分光器的构造的变化示例)

以下描述说明了分光器的构造的变化示例。注意到，在每个变化示例的以下说明中，说明了与先前说明的分光器的差异。此外，在每个变形示例中，具有与先前说明的构成元件相同功能的每个构成元件被分配相同的附图标记，以便省略对先前说明的构成元件的说明。此外，分光器的操作机构等与先前说明的相同，因此在每个变形示例中省略说明。

(第一变形示例)

图8是示出根据本实施例的第一实施例的分光器的构造的第一变形示例的概念图。关于图8中所示的分光器10B，光入射部分1和可移动光反射部分3形成在单个基板6上。此外，相对于分光器10B，光输出部分4和凹衍射光栅2形成在单个基板5上。例如，在采用Si基板作为基板5和6的情况下，光入射部分1和光输出部分4通过半导体工艺、MEMS工艺等分别整体地形成在基板6和5上。

在分光器10B的情况下，光入射部分1和光输出部分4可以通过半导体工艺以高精度分别形成在基板6和5上。也就是说，在分光器10B的情况下，由于不需要调节光入射部分1和可移动光反射部分3的对准以及调节光输出部分4和凹衍射光栅2之间的对准，因此简化了整体对准的调节。此外，分光器10B可以构造成没有介于光入射部分1和可移动光反射部分3之间以及光输出部分4和凹衍射光栅2之间的结构、支撑件等的任何部分。因此，在分光器10B的情况下，光入射部分1和可移动光反射部分3之间以及光输出部分4和凹衍射光栅2之间的距离可以更短，因此可以实现更小型的分光器。

(第二变形示例)

图9是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第二变形示例的概念图。关于图9中所示的分光器10C，光入射部分1和光输出部分4形成在单个基板16上。

在分光器10C的情况下，光入射部分1和光输出部分4可以通过半导体工艺以高精度形成在基板16上。也就是说，在分光器10C的情况下，由于不需要调节光入射部分1和光输出部分4之间的对准，因此简化了整体对准的调节。

(第三变形示例)

图10是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第三变形示例的概念图。与图8中所示的分光器10B相比，图10中示出的分光器10D具有在基板5和基板6之间还包括一对间隔件17的构造，其中一个间隔件位于右侧，另一个位于左侧。基板5是本发明中的“第二基板”的示例。基板6是本发明的“第一基板”的示例。每个间隔件17是本发明中的“介入构件”的示例。每个基板5和6连接到间隔件17。每个间隔件17可以是极、板等的形状。基板5和基板6之间的距离通过间隔件的厚度调节成合适距离，用于获得所需的光谱特性。

在分光器10D的情况下，基板5和基板6之间的距离通过间隔件17的厚度调节到适当的距离，以获得所需的光谱特性。因此，在分光器10D的情况下，不需要调节基板5和基板6之间的对准。注意到，分光器10D的每个间隔件17可以是基板。在此情况下，通过半导体工艺可以以高精度形成每个间隔件17。此外，可以以高精度在晶片上一次形成多个间隔件17。因此，可以实现具有小程度的可变性和低成本的分光器。

(第四变形示例)

图11是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第四变形示例的概念图。在基板5上的凹衍射光栅2的右侧(即，图11中的Y轴的正方向上的位置)形成光输出部分4方面，图11所示的分光器10E不同于图10中所示的分光器10D。与图10所示的分光器10D相比，分光器10E的凹衍射光栅2具有更宽的光栅间距。因此，凹衍射光栅2的衍射角改变，因此分光器10E的光输出部分4的位置被修改。在分光器10E的情况下，由于凹衍射光栅2与分光器10D相比具有更宽的光栅节距，所以可以容易地制造凹衍射光栅2。因此，在分光器10E的情况下，与分光器10D的情况相比，可以实现具有小程度的制造可变性和低成本的分光器。

(第五变形示例)

图12是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第五变形示例的概念图。在凹衍射光栅2相对于基板5以一定角度布置成面向光入射部分1(即，在图12中的Y轴的负方向上)使得相对于基板5上的凹衍射光栅2的中心的法线与基板5的基板表面不成直角方面，图12所示的分光器10F与图10所示的分光器10D不同。

在具有上述构造的分光器10F的情况下，通过改变的凹衍射光栅2的倾斜来调节衍射光到可移动光反射部分3的入射角，使得可移动光反射部分3的所需偏转角在正方向和负方向上变得相等。因此，在分光器10F的情况下，可以用可移动光反射部分3的较小偏转角来测量相同的波长范围。因此，在分光器10F的情况下，可移动光反射部分3可以用较小的驱动力驱动。因此，在分光器10F的情况下，驱动可移动光反射部分3所需的构成元件(例如，驱动元件、驱动电路、电源等)可以更小，这使得能够更小型分光器以较低的成本实现。此外，在分光器10F的情况下，随着相对于支撑可移动光反射部分3的梁部分8的转动量减小，可以减小施加在梁部分8上的应力。因此，在分光器10F的情况下，关于可移动光反射部分3的旋转角度的稳定性、可靠性等可提高。

(第六变形示例)

图13是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第六变形示例的概念图。在左侧(即，在图10中的Y轴的负方向上的位置)的间隔件17改变为基板19并且光入射部分1和光输出部分4形成在基板19上方面，图13所示的分光器10G与图10所示的分光器10D不同。

基板19是本发明中的“第三基板”的示例。基板19布置在基板5和基板6之间，使得基板19不平行并且垂直于基板5和基板6。此外，基板5和基板6中的每一个结合到基板19。用于基板19的材料可以是例如半导体、玻璃、金属、树脂等，但不限于这样的材料。然而，在使用半导体作为基板19的材料的情况下，可以通过半导体工艺、MEMS工艺等形成极薄且小型的光入射部分1和光输出部分4。

在分光器10G的情况下，光入射部分1和光输出部分4可以通过半导体工艺以高位置精度形成在基板19上。也就是说，在分光器10G的情况下，由于不需要调节光入射部分1和光输出部分4之间的对准，因此简化了整体对准的调节。注意到，对于分光器10G，光入射部分1可以形成在基板6上，光输出部分4可以形成在基板19上。相反，对于分光器10G，光入射部分1可以形成在基板19上。光输出部分4可以在基板5上。

(第七和第八变形示例)

图14是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第七变形示例的概念图。图15是示出根据本发明的第一实施例的分光器的构造的第八变形示例的概念图。图14所示的分光器10H与图1所示的分光器10A不同，就光检测部分18设置在光输出部分4的位置而不是光输出部分4处而言，图15所示的分光器10I与图8所示的分光器10B不同，就光检测部分18设置在光输出部分4的位置而不是光输出部分4处而言。每个分光器10H和10I的光检测部分18是本发明中的“光检测单元”的示例。

在分光器10H或10I的情况下，可以实现更小型的分光器，因为不需要在外部提供光检测部分18。注意到，光检测部分18的接收表面可以形成为与光输出部分4的光通路部分4a相同的形状(例如，针孔形状、狭缝形状等)。此外，光检测部分18可以包括在接收表面之上的与光输出形状相同的光拦截构件。接收表面、光拦截构件等可以通过半导体工艺单块地形成在半导体基板上。因此，光检测部分18可以制造成低轮廓和小型的。

<第二实施例>

接下来，参考图16至17，以下描述说明了本发明的第二实施例。作为第二实施例，说明了进一步设置有特定波长检测装置的分光器的示例。

(分光器50A的构造)

图16是示出根据本发明的第二实施例的分光器50A的构造的概念图。图16所示的分光器50A与根据第一实施例的分光器10A(参照图1)的不同，就还具备特定波长检测装置20而言。

特定波长检测装置20是本发明中的“特定波长检测单元”的示例。特定波长检测装置20设置在输出光的焦点附近(即，光输出部分4的位置)。特定波长检测装置20能够检测具有特定波长λs的光并且放置在光输出部分4附近。特定波长检测装置20检测具有特定波长λs的光，以使分光器50A能够检测可移动光反射部分3的偏转角范围是否足以测量所需波长范围(λm至λx)或是否偏转角范围恒定。

例如，在采用InGaAs光电二极管作为光检测装置的情况下，由分光器50A测量的波长范围可以设定为900至1700nm或900至2500nm。在上述情况下，特定波长λs可以短于900nm，这是波长测量范围内的最小波长，并且可以长于1700nm或2500nm，这是波长测量范围内的最大波长。具体地，在将特定波长λs设定为等于或小于约1000nm的情况下，可以以较低的成本实现上述构造，因为可以采用Si光电二极管。

注意到，图16的虚线示意性地表示在测量波长范围内具有最小波长λm的光的光路。此外，图16的虚线示意性地表示具有特定波长λs的光的光路。

(特定波长检测装置20的构造)

下面的描述参考图17和18说明特定波长检测装置20的具体构造。图17是示出根据本发明的第二实施例的特定波长检测装置20的构造(即，第一示例)的概念图。例如，如图17所示，特定波长检测装置20构造有光检测元件21和带通滤波器22。光检测元件21是本发明中的“光检测器”的示例。光检测元件21检测具有特定波长λs的光。作为光检测元件21，可以采用Si光电二极管和InGaAs光电二极管等。带通滤波器22允许具有特定波长范围(包括该范围内的特定波长λs)的光的透射。作为带通滤波器22，优选采用具有窄通带的滤波器(例如，法布里-珀罗(Fabry–Pérot)滤波器等)。

图18是示出根据本发明的第二实施例的特定波长检测装置20的构造(即，第二示例)的概念图。如图18所示，特定波长检测装置20还可以构造有光拦截构件23。可以根据需要适当地选择光拦截构件23的光透射部分的形状和尺寸。注意到，代替采用带通滤波器22、光拦截构件23和光检测元件21，具有带通滤波器和光拦截构件功能的光检测元件可以用于特定波长检测装置20。此外，图27是示出根据本发明的第二实施例的分光器50A的另一构造的概念图。与图27中所示的构造类似，特定波长检测装置20可以整体形成在光输出部分4上。例如，在光输出部分4由Si基板形成并且特定波长检测装置20是Si光电二极管的情况下，光输出部分4和特定波长检测装置20可以单块地形成。此外，由于带通滤波器22可以借助于半导体工艺由法布里-珀罗滤波器等形成，并且光拦截构件23可以通过半导体工艺由金属薄膜等形成，图18所示的特定波长检测装置20的构造可以整体地形成在光输出部分4上。此外，根据Si光电二极管的形状，即使不形成光拦截构件23，也可以获得类似的功能。

图19至图21是示出根据本发明的第二实施例的特定波长检测装置20的输出信号的示例的图。在图19至21中，示出了在借助于特定波长检测装置20检测具有特定波长λs的光的情况下的输出信号的示例。在可移动光反射部分3的共振频率为f的情况下，驱动周期T为1/f。

图19是示出其中可移动光反射部分3的偏转角的幅度与波长的测量范围(即λm至λx)一致的情况的图。在λs＝λm的情况下，在可移动光反射部分3的最大偏转角的位置处检测具有特定波长λs的光。因此，在周期T中检测特定波长λs的检测信号一次。

图20是示出其中可移动光反射部分3的偏转角的幅度对于波长的测量范围(即λm至λx)足够的情况的图。在此情况下，特定波长λs的检测信号在周期T中被检测两次。

图21是示出其中可移动光反射部分3的偏转角的幅度对于波长的测量范围(即λm至λx)不充分的情况的图。在此情况下，特定波长λs的检测信号的幅度减小。当可移动光反射部分3的偏转角的幅度进一步减小时，不输出特定波长λs的检测信号。

由于分光器需要始终保持波长的测量范围(即λm至λx)，因此，图19的情况或图20的情况，其中可移动光反射部分3的偏转角的幅度足够，需要保持。特别地，在图20的情况下，通过检测两个峰值(，即Td或Ts)之间的时间，可以检测可移动光反射部分3的偏转角的幅度是足够的，而不依赖于特定波长λs的检测信号的幅度。此外，通过控制可移动光反射部分3的驱动使得Td或Ts保持恒定，可以保持恒定的波长测量范围(即λm至λx)。此外，通过在Ts的范围内检测通过光输出部分4的光输出，可以获得期望的分光镜光谱。此外，在可移动光反射部分3的共振频率f有可能发生波动的情况下，Td随着f的值而变化。因此，通过测量周期T(即1/f)，可以将Td控制为相对于谐振频率f是恒定的，以便获得所需的频谱。

注意到，由于T的范围是可移动光反射部分3的双向运动的驱动范围，所以实际上获得了两轮光谱。对于频谱数据，可以使用所获得的数据的一半或所获得的数据的平均值。

图22是示出根据本发明的第二实施例的可移动光反射部分3的偏转角的时间波形的示例的图。图22中的实线表示其中偏转角与波长的测量范围匹配并且在最大偏转值时通过光输出部分4输出具有最小波长λm的光的情况(即，图19的情况)。图22中的虚线表示其中偏转角大于波长测量范围的情况(即图20的情况)。在该示例中，对于在正方向上的偏转角的最大值附近的时间，偏转角超过对应于最小波长λm的角度。因此，在对应于最小波长λm的偏转角的定时检测特定波长λs。因此，如图20所示，在一周期中连续检测两个检测信号。图22中的虚线表示其中偏转角不足的情况(即，图21的情况或其中特定波长λs的输出为0的情况)。

注意到，特定波长检测装置20的检测结果输出到驱动电路7，并用于可移动光反射部分3的旋转角度的反馈控制。在此情况下，例如，驱动电路7可以控制特定波长λs的检测信号的时间间隔(即，Td或Ts)是恒定的，使得可移动光反射部分3被控制为具有恒定的旋转角度范围。

(分光器的构造的变化示例)

以下描述说明了分光器的构造的变化示例。注意到，在每个变化示例的以下说明中，说明了与先前说明的分光器的不同之处。此外，在每个变形示例中，具有与先前说明的构成元件相同功能的构成元件被分配与先前说明的构成元件相同的附图标记，用于省略说明。此外，分光器的操作机构等与先前说明的相同，因此在每个变形示例中省略说明。

(第一变形示例)

图23是示出根据本发明的第二实施例的分光器的构造的第一变形示例的概念图。图23中所示的分光器50B的光入射部分1和可移动光反射部分3可以形成在单个基板6上。此外，分光器50B的光输出部分4、凹衍射光栅2和特定波长检测装置20形成在单个基板5上。例如，在将Si基板用于基板5和6的情况下，光入射部分1和光输出部分4可以通过半导体工艺、MEMS工艺等分别一体地形成在基板6和基板5上。

分光器50B的特定波长检测装置20可以包括光检测元件21和带通滤波器22(参见图17)，并且还可以包括光拦截构件23(参见图18)。在前一情况下，光检测元件21和带通滤波器22可以单块地形成在基板5上，因为光检测元件21和带通滤波器22可以通过半导体工艺由法布里-珀罗滤波器等形成。在后一情况下，光拦截构件23也可以与光检测元件21和带通滤波器22一体形成，因为光拦截构件23可以借助于半导体工艺由金属薄膜等形成。

在具有上述构造的分光器50B的情况下，分光器可以是较小型的，因为特定波长检测装置20可以整体地形成在基板5上。此外，在分光器50B的情况下，通过借助于半导体工艺形成光输出部分4和特定波长检测装置20，可以高精度地控制光输出部分4和特定波长检测装置20之间的位置关系。因此，在分光器50B的情况下，可以高精度地检测可移动光反射部分3的偏转角，从而稳定波长的测量范围。

(第二变形示例)

图24是示出根据本发明的第二实施例的分光器的构造的第二变形示例的概念图。图24所示的分光器50B与图23所示的分光器50B不同，就光输出部分24形成在具有特定波长λs的光的焦点并且特定波长检测装置20放置在外部而言，图24中所示的光输出部分是本发明的“第二光输出单元”的示例。在具有上述构造的分光器50C的情况下，由于特定波长检测装置20没有形成在基板5上，因此可以简化基板5的工艺。此外，由于光输出部分4和光输出部分24可以在单个工艺中同时形成在基板5上，因此可以高精度地控制光输出部分4和光输出部分24之间的位置关系。因此，在分光器50C的情况下，可以精确地检测可移动光反射部分3的偏转角，从而稳定波长的测量范围。

(第三变形示例)

图25是示出根据本发明的第二实施例的分光器的构造的第三变形示例的概念图。图25所示的分光器50D与图24所示的分光器50C不同，就作为特定波长检测装置20的构成元件的光检测元件21和带通滤波器22分开放置而言，具体地，带通滤波器22放置在基板5上以覆盖光输出部分24。此外，光检测元件21放置在外部。在具有上述构造的分光器50C的情况下，与也外部放置带通滤波器22的构造相比，分光器可以是更小型的，因为仅在外部放置光检测元件21。

(第四变形示例)

图26是示出根据本发明的第二实施例的分光器的构造的第四变形示例的概念图。图26所示的分光器50E与图23所示的分光器50B不同，就特定波长检测装置20布置在基板5上的光输出部分4的左侧(即，图26中的Y轴的负方向)而言。使位置变化与将特定波长λs设定为长于测量波长范围中的最大波长λx相关联地。也就是说，当具有最大波长λx的光通过光输出部分4时，特定波长检测装置20被放置在其中具有特定波长λs的光聚焦的位置。

特别地，在波长测量范围中的最大波长λx等于或小于2000nm的情况下，可以存在其中在具有特定波长λs的光的焦点处检测到具有特定波长λs'的高阶衍射光的构造。尽管如上所述的λm、λx和λs是一阶衍射光，但是根据衍射原理，对于一阶衍射光的每个位置存在半波长的二阶衍射光的叠加。例如，在关于一阶衍射光的特定波长λs为2000nm的情况下，存在聚焦于一阶衍射光焦点的相同位置处的具有1000nm的波长的二阶衍射光(即，λs'＝λs/2)。因此，由于在检测具有波长为λs'的二阶衍射光的情况下可以采用较便宜的Si光电二极管，因此可以节省成本。

注意到，第二实施例中说明的特定波长检测装置20可以应用于第一实施例中说明的所有分光器10A至10I。

此外，可以采用在每个实施例中说明的分光器与光源一起构造分析设备。例如，在分析设备中，光源向测量对象发射测量光。然后，由分光器在波长基础上分散由测量对象漫射和反射的测量光，以便检测每个波长的测量光。以这种方式，分析设备能够获得每个波长的分光镜光谱，其特征取决于测量对象的分子结构。此外，可以采用在每个实施例中说明的分光器与光源一起构造波长可变光源。使用根据上述每个实施例的分光器的分析设备和波长可变光源可以以更小型和更低的成本实现，因为分光器是小型的且便宜的。

图28是示出通过使用根据本发明的第一实施例的分光器10A的光谱测量设备70的构造的概念图。图28所示的光谱测量设备70构造有图1所示的分光器10A、位于光输出部分4的外部的光检测装置30以及光源31。在光谱测量设备70中，光由光源31朝向测量对象90发射，然后由测量对象90反射的光从光入射部分1入射到分光器10A。由凹衍射光栅2衍射的光被可移动光反射部分3反射，然后，在根据可移动光反射部分3的倾斜通过光输出部分4输出之后，由光检测装置30检测。以上述方式，光谱测量设备70能够获得测量对象90的吸收分光镜光谱。注意到，光谱测量设备70中的操作机构的细节与先前说明的相同，因此该说明在这里被省略。

以上描述了本发明的有利实施例。然而，本发明不限于这些实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种变化和修改。

本申请基于2017年1月20日向日本专利局提交的日本优先权申请No.2017-008806，以及2017年9月19日向日本专利局提交的日本优先权申请No.2017-178919，其全部内容在此引入作为参考。

附图标记列表

1 光入射部分(即光入射单元)

2 凹衍射光栅(即衍射光栅)

3 可移动光反射部分(即反射单元)

4 光输出部分(即光输出单元)

5 基板(即第二基板)

6 基板(即第一基板)

7 驱动电路(即驱动单元)

8 梁部分

10A 至10I分光器

11 光反射单元

14 树脂层

15 反射构件

17 间隔件(即介入构件)

18 光检测部分(即光检测单元)

19 基板(即第三基板)

20 特定波长检测装置(即特定波长检测单元)

21 光检测元件(即光检测器)

22 带通滤波器

23 光拦截构件

24 光输出部分(即第二光输出单元)

50A至50E 分光器

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种分光器，包括：

光入射单元，该光入射单元被构造为允许来自外部的光的入射；

衍射光栅，该衍射光栅被构造为根据波长分散通过所述光入射单元入射的光；

反射单元，该反射单元包括反射表面，用于反射由衍射光栅根据波长已经分散的光，其中反射表面的倾斜是可变的；和

光输出单元，该光输出单元被构造为在被所述反射单元反射之后从外部输出所述光。

2.根据权利要求1所述的分光器，还包括驱动单元，该驱动单元被构造为驱动所述反射单元以控制所述反射表面的倾斜。

3.根据权利要求1所述的分光器，其中所述光输出单元和所述衍射光栅形成在单个基板上。

4.根据权利要求1，2和3中任一项所述的分光器，其中所述光入射单元和所述反射单元形成在单个基板上。

5.根据权利要求1所述的分光器，其中所述光输出单元和所述光入射单元形成在单个基板上。

6.根据权利要求1所述的分光器，还包括：

第一基板；

第二基板；和

设置在第一基板和第二基板之间的介入构件，

其中光入射单元和反射单元形成在第一基板上，

其中光输出单元和衍射光栅形成在第二基板上，和

其中第一基板和第二基板中的每一个结合到介入构件。

7.根据权利要求1所述的分光器，还包括：

第一基板；

第二基板；和

设置在第一基板和第二基板之间的第三基板，该第三基板不平行于第一基板和第二基板，

其中反射单元形成在第一基板上，

其中衍射光栅形成在第二基板上，

其中光入射单元和光输出单元形成在第三基板上，和

其中第一基板和第二基板中的每一个都结合到第三基板。

8.根据权利要求3，4，6和7中任一项所述的分光器，其中所述衍射光栅形成为使得相对于所述衍射光栅的中心的法线与其上形成衍射光栅的基板表面不成直角。

9.根据权利要求1，3至8中任一项所述的分光器，还包括光检测单元，该光检测单元被构造为在通过光输出单元输出之后检测所述光。

10.根据权利要求1，3至8中任一项所述的分光器，还包括光检测单元，该光检测单元被构造为在被所述反射单元反射之后检测所述光，所述光检测单元被设置为代替光输出单元。

11.根据权利要求1，2，3至10中任一项所述的分光器，还包括特定波长检测单元，该特定波长检测单元被构造为检测由所述反射单元反射的光中的具有特定波长的光。

12.根据权利要求11所述的分光器，其中所述特定波长检测单元和所述衍射光栅形成在单个基板上。

13.根据权利要求11或12所述的分光器，其中所述特定波长检测单元包括光检测器和带通滤波器，和

其中光检测器和带通滤波器单块地形成在同一基板上。

14.根据权利要求11所述的分光器，还包括第二光输出单元，该第二光输出单元被构造为将由所述反射单元反射的光朝向所述特定波长检测单元输出，所述特定波长检测单元从外部设置。

15.根据权利要求14所述的分光器，其中所述第二光输出单元和所述衍射光栅形成在同一基板上。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的分光器，其中指示由特定波长检测单元检测到的具有特定波长的光的检测信号的时间间隔被控制为恒定的，使得反射单元的倾斜被控制在恒定的范围内。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的分光器，其中由光检测单元检测的光的衍射的阶与由特定波长检测单元检测的具有特定波长的光的衍射的阶不同。

18.一种分析设备，包括：

光源；和

根据权利要求1，2，3至17中任一项所述的分光器。

19.一种波长可调光源，包括：

光源；和

根据权利要求1，2，3至8和11至16中任一项所述的分光器。

Claims (20)

1.一种分光器，包括：

光入射单元，该光入射单元被构造为允许来自外部的光的入射；

衍射光栅，该衍射光栅被构造为根据波长分散通过所述光入射单元入射的光；和

反射单元，该反射单元包括反射表面，用于反射由衍射光栅根据波长已经分散的光，

其中反射表面的倾斜是可变的。

2.根据权利要求1所述的分光器，还包括驱动单元，该驱动单元被构造为驱动所述反射单元以控制所述反射表面的倾斜。

3.根据权利要求1或2所述的分光器，还包括光输出单元，该光输出单元被构造为在被所述反射单元反射之后从外部输出所述光。

4.根据权利要求3所述的分光器，其中所述光输出单元和所述衍射光栅形成在单个基板上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的分光器，其中所述光入射单元和所述反射单元形成在单个基板上。

6.根据权利要求3所述的分光器，其中所述光输出单元和所述光入射单元形成在单个基板上。

7.根据权利要求3所述的分光器，还包括：

第一基板；

第二基板；和

设置在第一基板和第二基板之间的介入构件，

其中光入射单元和反射单元形成在第一基板上，

其中光输出单元和衍射光栅形成在第二基板上，和

其中第一基板和第二基板中的每一个结合到介入构件。

8.根据权利要求3所述的分光器，还包括：

第一基板；

第二基板；和

设置在第一基板和第二基板之间的第三基板，该第三基板不平行于第一基板和第二基板，

其中反射单元形成在第一基板上，

其中衍射光栅形成在第二基板上，

其中光入射单元和光输出单元形成在第三基板上，和

其中第一基板和第二基板中的每一个都结合到第三基板。

9.根据权利要求4，5，7和8中任一项所述的分光器，其中所述衍射光栅形成为使得相对于所述衍射光栅的中心的法线与其上形成衍射光栅的基板表面不成直角。

10.根据权利要求3至9中任一项所述的分光器，还包括光检测单元，该光检测单元被构造为在通过光输出单元输出之后检测所述光。

11.根据权利要求3至9中任一项所述的分光器，还包括光检测单元，该光检测单元被构造为在被所述反射单元反射之后检测所述光，所述光检测单元被设置为代替光输出单元。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的分光器，还包括特定波长检测单元，该特定波长检测单元被构造为检测由所述反射单元反射的光中的具有特定波长的光。

13.根据权利要求12所述的分光器，其中所述特定波长检测单元和所述衍射光栅形成在单个基板上。

14.根据权利要求12或13所述的分光器，其中所述特定波长检测单元包括光检测器和带通滤波器，和

其中光检测器和带通滤波器单块地形成在同一基板上。

15.根据权利要求12所述的分光器，还包括第二光输出单元，该第二光输出单元被构造为将由所述反射单元反射的光朝向所述特定波长检测单元输出，所述特定波长检测单元从外部设置。

16.根据权利要求15所述的分光器，其中所述第二光输出单元和所述衍射光栅形成在同一基板上。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的分光器，其中指示由特定波长检测单元检测到的具有特定波长的光的检测信号的时间间隔被控制为恒定的，使得反射单元的倾斜被控制在恒定的范围内。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的分光器，其中由光检测单元检测的光的衍射的阶与由特定波长检测单元检测的具有特定波长的光的衍射的阶不同。

19.一种分析设备，包括：

光源；和

根据权利要求1至18中任一项所述的分光器。

20.一种波长可调光源，包括：

光源；和

根据权利要求1至9和12至17中任一项所述的分光器。