CN115004065A - 凹面衍射光栅以及光学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供凹面衍射光栅和使用了该凹面衍射光栅的光学装置，该凹面衍射光栅能够防止反射膜因温度的影响而变形且能够防止由温度导致的光学特性的降低。本发明的凹面衍射光栅具备：反射膜(22)，其具备多个光栅槽(21)；保持膜(25)，其由金属构成，且在一方的面设有反射膜(22)；凹面基板(24)，其具备凹面(24a)；以及固定层(23)，其设于凹面(24a)与保持膜(25)的另一方的面之间，将保持膜(25)和反射膜(22)固定于凹面基板(24)。
Description
技术领域
本发明涉及凹面衍射光栅和具备该凹面衍射光栅的光学装置。
背景技术
凹面衍射光栅是在分光光度计等光学装置中使用的光学元件，具有按每个波长进行分光且聚光的功能。使用了凹面衍射光栅的光学装置能够减少装置的构件数量，能够简化装置的结构。
现有的衍射光栅是将形成有光栅槽的反射膜固定于基板而构成的。专利文献1～3中示出了现有的衍射光栅的例子。
在专利文献1中记载了如下技术：在形成有光栅槽的模具(主衍射光栅)形成反射膜(铝膜)，利用树脂制的粘接剂将反射膜固定于玻璃基板，从模具剥离玻璃基板，使反射膜反转粘接于基板，从而形成衍射光栅的光栅面。
在专利文献2中记载了如下技术：通过全息曝光和离子束蚀刻在石英、玻璃等平板状的基板形成锯齿状的光栅槽，在光栅槽的表面涂覆铝、金等金属膜，从而制造衍射光栅。
在专利文献3中记载了对载置于曲面固定基板的平面衍射光栅施加载荷而形成曲面衍射光栅的模具这一技术。通过将该曲面衍射光栅的模具转印于反射膜(金属或树脂)，并在反射膜设置固化树脂和固定基板，从而制作凹面衍射光栅。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-92687号公报
专利文献2：日本特开2017-211670号公报
专利文献3：国际公开WO2016/059928
发明内容
发明所要解决的课题
专利文献1、3所记载的衍射光栅是通过将衍射光栅的模具转印于反射膜(在衍射光栅的模具形成反射膜)而制作的，反射膜由树脂固定于基板。在上述衍射光栅中，由于反射膜设置在树脂上，所以存在如下课题：若树脂因温度、湿度等的影响而伸缩，则反射膜变形，对衍射光栅的光学特性造成影响。
在专利文献2所记载的衍射光栅中，由于在形成于石英、玻璃等基板的光栅槽的表面涂覆有金属膜(反射膜)，所以反射膜难以受到温度、湿度等的影响。但是，由于反射膜被涂覆于光栅槽的表面而形成，所以反射膜的光栅槽的顶部(构成光栅槽的凸部的顶部)变圆，有衍射光栅的光学特性降低的担忧。
本发明的目的在于提供凹面衍射光栅和使用了该凹面衍射光栅的光学装置，该凹面衍射光栅能够防止反射膜因温度的影响而变形，并且能够防止由温度导致的光学特性的降低。
用于解决课题的方案
本发明的凹面衍射光栅具备：反射膜，其具备多个光栅槽；保持膜，其由金属构成，且在一方的面设有上述反射膜；凹面基板，其具备凹面；以及固定层，其设于上述凹面与上述保持膜的另一方的面之间，将上述保持膜和上述反射膜固定于上述凹面基板。
发明的效果如下。
根据本发明，能够提供凹面衍射光栅和使用了该凹面衍射光栅的光学装置，该凹面衍射光栅能够防止反射膜因温度的影响而变形，并且能够防止由温度导致的光学特性的降低。
附图说明
图1是示出本发明的实施例1的光学装置的图。
图2是示出本发明的实施例1的凹面衍射光栅的立体图。
图3是图2的剖切线A-A处的凹面衍射光栅的剖视图。
图4是现有的凹面衍射光栅的剖视图。
图5A是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的第一工序的图。
图5B是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的第二工序的图。
图5C是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的第三工序的图。
图5D是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的第四工序的图。
图5E是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的第五工序的图。
图5F是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的第六工序的图。
图5G是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的第七工序的图。
图5H是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的第八工序的图。
图6A是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的另一制造方法的第一工序的图。
图6B是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的另一制造方法的第二工序的图。
图6C是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的另一制造方法的第三工序的图。
图6D是说明本发明的实施例1的凹面衍射光栅的另一制造方法的第四工序的图。
具体实施方式
本发明的凹面衍射光栅在具备光栅槽的反射膜与凹面基板之间具备保持膜，并具备将保持膜和反射膜固定于凹面基板的固定层。在本发明的凹面衍射光栅中，即使固定层因温度、湿度的影响而变形，或者因光的照射而反射膜的温度上升，也能够利用保持膜防止光栅槽自身的变形，能够防止光学特性的降低。保持膜抑制反射膜的变形，防止凹面衍射光栅因温度的影响而产生光学特性的降低。在本发明的凹面衍射光栅中，若凹面基板、固定层以及保持膜由导热率较大的材料构成，则容易从凹面衍射光栅散热，因此即使照射能量较大的光，也能够抑制由热引起的温度上升，能够具有稳定的分光性能。并且，本发明的凹面衍射光栅还具有反射膜的光栅槽的形状的偏差较小、光学特性优异的特征。
以下，使用附图对本发明的实施例的凹面衍射光栅和光学装置进行说明。
实施例1
图1是示出本发明的实施例1的光学装置的图。在光学装置1中，若对试样(例如化学物质、生物体物质)照射光，则选择性地吸收试样所含有的物质的化学键所特有的波长的光，光学装置1利用这样的技术而用于试样的浓度测定、物质鉴定。
光学装置1具备白色光源11、聚光透镜12a、12b、试样室13、狭缝14、凹面衍射光栅2以及多个检测器16。光学装置1优选具备冷却装置15。
白色光源11放射光并照射至试样。
聚光透镜12a将白色光源11放射出的光会聚地照射至试样室13的试样。
试样室13收纳作为测量对象的试样。
聚光透镜12b将透过试样后的光会聚于狭缝14。
狭缝14使聚光透镜12b所会聚的光通过而照射至凹面衍射光栅2。
凹面衍射光栅2按照每个波长对通过狭缝14后的光进行分光而形成光谱。
检测器16根据检测的波长而具备多个，呈直线状地配置。多个检测器16检测所形成的光谱，按照每个波长来测定光的强度。
冷却装置15例如能够使用散热器或珀尔帖元件来构成，冷却凹面衍射光栅2。若向凹面衍射光栅2照射能量较大的光，则凹面衍射光栅2的温度上升，反射膜变形，有光学特性(分光性能)降低的担忧。为了防止由温度上升导致的光学特性的降低，优选以与凹面衍射光栅2接触的方式设置冷却装置15。凹面衍射光栅2由冷却装置15冷却而温度上升受到抑制。并且，也可以将构成光学装置1的箱体视为冷却装置15，使凹面衍射光栅2与该箱体接触地设置。
使用图2和图3，对本发明的实施例1的凹面衍射光栅2进行说明。图2是示出本实施例的凹面衍射光栅2的立体图。图3是图2的剖切线A-A处的凹面衍射光栅2的剖视图。
本实施例的凹面衍射光栅2具备凹面基板24、固定层23、保持膜25以及反射膜22。固定层23、保持膜25以及反射膜22呈朝向凹面基板24凹下的凹形状。
凹面基板24能够由铜、铝等金属、硅、或者玻璃构成。在凹面基板24之上依次设有固定层23、保持膜25以及反射膜22。凹面基板24具备凹面24a，在凹面24a设有固定层23。凹面24a具有任意的曲率。
固定层23由树脂或金属构成，设于凹面基板24与保持膜25之间，起到将保持膜25和反射膜22固定于凹面基板24的粘接材料的作用。固定层23例如能够由环氧树脂等热固性树脂、或者焊料、锡、铟等粘接用的金属构成。并且，固定层23也可以由包含金属粒子(例如铜、铝的粒子)的热固性树脂构成。该金属粒子增大固定层23的导热率。
保持膜25由金属构成，是用于保持反射膜22的形状的部件，通过固定层23而固定于凹面基板24。在保持膜25的一方的面设有反射膜22。在保持膜25的另一方的面(即，朝向凹面基板24的面)设有固定层23。保持膜25优选由铜、镍等导热率较大的金属构成。
反射膜22具备多个光栅槽21，利用光栅槽21来反射光。反射膜22能够使用铝、金等反射率较高的材料来构成。并且，若反射膜22由铝、金等导热率较大的材料构成，则能够有效地散热，能够防止由温度上升导致的变形。
光栅槽21能够具备任意的形状，例如能够具备锯齿形状、波形形状(例如正弦波形状)或者矩形形状(例如脉冲波形状)。当光栅槽21呈锯齿形状时，具有容易通过下述的本实施例的凹面衍射光栅2的制造方法来制作的优点。
保持膜25是用于防止由温度、湿度导致的反射膜22的光栅槽21的变形来保持反射膜22的形状的部件。保持膜25的另一方的面(即，被固定于凹面基板24的面)为平坦的凹面。如图3所示，保持膜25优选还存在于反射膜22的光栅槽21与光栅槽21之间。若保持膜25还存在于光栅槽21彼此之间，则保持膜25的一方的面(即，设有反射膜22的面)具备与光栅槽21相同的形状(例如锯齿形状、波形形状或者矩形形状)。
反射膜22在光照射而热积聚、温度上升时产生变形。为了防止反射膜22的由温度上升导致的变形，需要从反射膜22释放热。因此，在本实施例的凹面衍射光栅2中，凹面基板24、固定层23以及保持膜25优选由导热率较大的材料构成。
此处，对现有的凹面衍射光栅的结构进行说明。
图4是现有的凹面衍射光栅52的剖视图，且是与图3对应的图。现有的凹面衍射光栅52在具备凹面24a的凹面基板24之上设有固定层23和反射膜22。固定层23由树脂构成，是将反射膜22固定于凹面基板24的部件。反射膜22具备多个光栅槽21。
固定层23也存在于反射膜22的光栅槽21彼此之间。因此，若固定层23因温度、湿度的影响而变形，则反射膜22变形，光栅槽21的形状改变，有时凹面衍射光栅52的光学特性降低。
本实施例的凹面衍射光栅2(图2、图3)具有上述结构，因此即使固定层23因温度、湿度的影响而变形(例如伸缩)，保持膜25也能够抑制反射膜22的变形，防止凹面衍射光栅2的光学特性的降低。
并且，若由导热率较大的材料构成固定层23和凹面基板24，则能够有效地抑制在凹面衍射光栅2积聚热而温度上升。
保持膜25优选具有因温度的变化而保持膜25的形状与反射膜22相同地变化的线膨胀系数。即，保持膜25的线膨胀系数优选为与反射膜22的线膨胀系数大致相等的值或接近的值。若保持膜25和反射膜22的线膨胀系数的值为相同程度，则即使保持膜25和反射膜22因温度上升而变形，它们也会一起变形，因此反射膜22的光栅槽21虽然伸长但能够保持其形状。
在现有的凹面衍射光栅52(图4)中，固定层23的线膨胀系数比反射膜22的线膨胀系数大。因此，在现有的凹面衍射光栅52中，若固定层23因温度上升而变形，则反射膜22的光栅槽21变形而形状改变。
此外，如使用图5C、图5D和图6C、图6D所说明的那样，在反射膜22与保持膜25之间设有籽晶膜26。图3中未示出籽晶膜26。在下文中说明籽晶膜26。
接下来，对本实施例的凹面衍射光栅2的制造方法的例子进行说明。
图5A～图5H是说明本实施例的凹面衍射光栅2的制造方法的第一～第八工序的图。此外，图5A～图5D中示出了平面基板30和平面衍射光栅20的一部分。
首先，如图5A所示，在平面基板30之上形成光栅槽31。平面基板30能够由铜、铝等金属、硅、或者玻璃构成。例如通过使用在半导体元件的制造工艺中应用的光刻、蚀刻等在平面基板30的表面设置凸部31a，从而光栅槽31能够形成在平面基板30之上。凸部31a与凹面衍射光栅2的光栅槽21相同地能够具备任意的形状，例如能够具备锯齿形状、波形形状、或者矩形形状。
接着，如图5B所示，通过蒸镀或溅射在光栅槽31(凸部31a)之上形成反射膜22。反射膜22形成为能够沿凸部31a形成凹凸。
接着，如图5C所示，通过蒸镀或溅射在反射膜22之上形成籽晶膜26，并通过镀敷在籽晶膜26之上形成保持膜25。
籽晶膜26是为了在通过镀敷形成保持膜25时使电流容易流动来使保持膜25形成而使用的，尤其是在反射膜22由铝构成时是有效的。籽晶膜26防止反射膜22与保持膜25之间的扩散(例如，构成反射膜22的铝扩散到保持膜25之中)。籽晶膜26能够由多种金属膜构成。例如，通过将与反射膜22的紧贴力较大的金属(例如钛)的膜、防止反射膜22的因温度上升导致的扩散的金属(例如铂)的膜、以及难以氧化的金属(例如金、铂)的膜依次形成在反射膜22之上，从而能够构成籽晶膜26。
接着，如图5D所示，通过从反射膜22、籽晶膜26以及保持膜25的层叠体剥离形成有光栅槽31(凸部31a)的平面基板30，来制作平面衍射光栅20。平面衍射光栅20是反射膜22、籽晶膜26以及保持膜25依次排列而成的平面状的层叠体。利用凸部31a在反射膜22形成有光栅槽21。例如通过将凸部31a熔化而除去，来剥离平面基板30而制作平面衍射光栅20。
接着，如图5E所示，在平面衍射光栅20的与具备光栅槽21的面相反的一侧的面设置固定层23。然后，以与平面衍射光栅20的具备光栅槽21的面对置的方式配置凸面基板27，以与平面衍射光栅20的设置有固定层23的面对置的方式配置凹面基板24。凸面基板27是具有凸面27a的基板，配置为凸面27a与平面衍射光栅20对置。凹面基板24是具有凹面24a的基板，配置为凹面24a与平面衍射光栅20对置。
接着，如图5F所示，在真空气氛下，在固定层23的粘接温度或共晶点以上的温度下，对凸面基板27施加载荷28，由凸面基板27和凹面基板24夹持平面衍射光栅20。通过该加热和加压，使平面衍射光栅20的形状仿照凸面基板27的凸面27a和凹面基板24的凹面24a的形状而变形，使平面衍射光栅20粘接于凹面基板24。在对凸面基板27施加载荷28而使平面衍射光栅20变形的状态下，固定层23冷却而固化。若固定层23固化，则平面衍射光栅20被固定于凹面基板24。
此外，即使对凸面基板27施加载荷28而由凸面基板27和凹面基板24夹持平面衍射光栅20，光栅槽21也不会变形。通过实验已验证如下情况：即使对光栅槽21的顶部(构成光栅槽21的凸部的顶部)施力，该力也会向夹持光栅槽21的顶部的边分散，因此光栅槽21不会变形。
接着，如图5G所示，在固定层23固化而平面衍射光栅20被固定于凹面基板24之后，将凸面基板27除去。
接着，如图5H所示，通过将平面衍射光栅20的从凹面基板24伸出的部分除去，能够制造凹面衍射光栅2。
本实施例的凹面衍射光栅2也能够通过以下说明的方法来制造。
图6A～图6D是与图5A～图5D对应的图，且是说明本实施例的凹面衍射光栅2的另一制造方法的第一～第四工序的图。本实施例的凹面衍射光栅2也能够通过代替图5A～图5D所示的工序而实施图6A～图6D所示的工序来制造。
首先，如图6A所示，通过机械加工(例如使用机械装置的刻印)在平面基板30的表面设置凸部31a，从而在平面基板30形成光栅槽31。
接着，如图6B所示，通过蒸镀或溅射在光栅槽31(凸部31a)之上形成反射膜22。反射膜22形成为能够沿凸部31a形成凹凸。图6B所示的工序与图5B所示的工序相同。
接着，如图6C所示，通过蒸镀或溅射在反射膜22之上形成籽晶膜26，并通过镀敷在籽晶膜26之上形成保持膜25。图6C所示的工序与图5C所示的工序相同。
接着，如图6D所示，通过从反射膜22、籽晶膜26以及保持膜25的层叠体剥离形成有光栅槽31(凸部31a)的平面基板30，来制作平面衍射光栅20。通过从该层叠体剥离并除去平面基板30，来制作平面衍射光栅20。
接着，通过实施图5E～图5H所示的工序，能够制造本实施例的凹面衍射光栅2。
在本实施例的凹面衍射光栅2中，反射膜22的光栅槽21的形状反映了形成于平面基板30的光栅槽31的形状，光栅槽21的顶部(构成光栅槽21的凸部的顶部)的形状反映了光栅槽31的底部的形状。因此，本实施例的凹面衍射光栅2的光栅槽21的形状的偏差较小，能够减少噪声(杂散光)，从而光学特性优异。
此外，本发明并不限定于上述的实施例，能够进行各种变形。例如，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而进行了详细说明，本发明并不限定于必须具备所说明的所有结构。并且，能够将某实施例的结构的一部分置换成其它实施例的结构。并且，也能够在某实施例的结构中追加其它实施例的结构。并且，能够对各实施例的结构的一部分进行删除或者其它结构的追加、置换。
符号的说明
1—光学装置，2—凹面衍射光栅，11—白色光源，12a、12b—聚光透镜，13—试样室，14—狭缝，15—冷却装置，16—检测器，20—平面衍射光栅，21—光栅槽，22—反射膜，23—固定层，24—凹面基板，24a—凹面，25—保持膜，26—籽晶膜，27—凸面基板，27a—凸面，28—载荷，30—平面基板，31—光栅槽，31a—凸部，52—现有的凹面衍射光栅。
Claims (9)
1.一种凹面衍射光栅，其特征在于，具备：
反射膜，其具备多个光栅槽；
保持膜，其由金属构成，且在一方的面设有上述反射膜；
凹面基板，其具备凹面；以及
固定层，其设于上述凹面与上述保持膜的另一方的面之间，将上述保持膜和上述反射膜固定于上述凹面基板。
2.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅，其特征在于，
上述保持膜具有因温度的变化而上述保持膜的形状与上述反射膜相同地变化的线膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅，其特征在于，
上述保持膜还存在于上述光栅槽彼此之间。
4.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅，其特征在于，
上述固定层由树脂或金属构成。
5.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅，其特征在于，
上述固定层由包含金属粒子的树脂构成。
6.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅，其特征在于，
上述光栅槽为锯齿形状。
7.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅，其特征在于，
上述凹面基板由金属、硅或者玻璃构成。
8.一种光学装置，其特征在于，具备：
光源，其向试样照射光；
凹面衍射光栅，其对透过上述试样后的上述光进行分光；以及
多个检测器，其对上述凹面衍射光栅分光后的上述光的强度进行测定，
上述凹面衍射光栅是权利要求1至7任一项中所述的凹面衍射光栅。
9.根据权利要求8所述的光学装置，其特征在于，
具备冷却装置，
上述冷却装置与上述凹面衍射光栅接触地设置。
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