DE60209419T2 - Kollimator und Spektrophotometer - Google Patents

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Tomoyuki Hachioji-shi Kobayashi
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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft einen Hochleistungs-Kollimator und ein kompaktes Spektrophotometer, welches fähig ist, Spektrophotometrie ohne Verwendung eines Prismas oder Beugungsgitters durchzuführen.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Verfahren zum Messen der spektralen Intensität mittels Leitens von Licht in eine unterschiedliche Richtung für jede Wellenlänge unter Verwendung eines Prismas oder Beugungsgitters, zum Abstrahlen des Lichts auf einen linearen Sensor oder Ähnliches und zum Messen der Ausgabe der Elemente des linearen Sensors wird herkömmlich im Allgemeinen zum Durchführen von Spektrophotometrie verwendet. Jedoch wird eine gewisse Menge an Platz benötigt, um das gebeugte Licht zu separieren und gemäß der Wellenlänge in verschiedene Richtungen zu lenken, wenn ein Prisma, ein Beugungsgitter oder Ähnliches verwendet wird. Daraus resultiert ein inakzeptabel großes Spektrophotometer. Andere Nachteile schließen die Tatsache ein, dass die Lichtintensität auf Grund dessen abnimmt, dass das gemessene Licht durch einen Schlitz hindurch geschleust wird, wenn es auf das Prisma oder Beugungsgitter abgestrahlt wird, und dass Hochgeschwindigkeits-Messung schwierig durchzuführen waren, da die für den linearen Sensor benötigte Speicherzeit erheblich war.
  • Mehrere Verfahren mit einem linear veränderlichen Filter (nachfolgend gelegentlich mit LVF bezeichnet) wurden vorgeschlagen und entwickelt mit dem Ziel, die oben genannten Nachteile zu beseitigen. Beispielsweise sind die in der japanischen Anmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. H5-322653 offenbarte Technik und die in US-Patent Nr. 5,872,655 offenbarte Technik weithin bekannt und ein Spektrophotometer, welches ein verschiedenes System linear veränderlicher Filter verwendet, wird in US-Patent Nr. 6,057,925 offenbart und ist kommerziell erhältlich. Bei diesen Techniken wird von einem linear veränderlichen Filter ausgestrahltes gebeugtes Licht auf einen linearen Sensor fokussiert, indem zwischen das lineare veränderliche Filter und den linearen Sensor ein optisches System zum Errichten eines gleichgroßen Bildes eingebracht wird, und eine GRIN-(Gradienten-Index)Linse oder ein Mikro-Linsen-Array als ein kompaktes Fokussierungssystem für das errichtete gleichgroße Bild verwendet wird.
  • Jedoch existieren die folgenden Probleme in dem in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. H5-322653 offenbarten System und in dem in dem US-Patent Nr. 5,872,655 offenbarten Verfahren. Insbesondere treten Mehrfach-Reflexionen zwischen dem linear veränderlichen Filter und dem linearen Sensor auf Grund dessen auf, dass diese Verfahren derart ausgeführt sind, dass der linear veränderliche Filter an dem linearen Sensor angebracht ist und dass sich daher die spektrale Charakteristik verschlechtert.
  • Obwohl diese Probleme in dem in dem US-Patent Nr. 6,057,925 offenbarten Verfahren beseitigt wurden, traten nichtsdestoweniger andere Probleme auf. Insbesondere weist die GRIN-Linse in Summe 28 in zwei Reihen angeordnete zylindrische Linsen auf. Wenn folglich ein Oberflächenbild ähnlich einem linearen veränderlichen Filter projiziert wird, treten exakt 28 spitze Unregelmäßigkeiten in der Ausgabe des linearen Sensors auf, da ein von den 28 zylindrischen Linsen gebildetes zusammengesetztes Bild auf dem linearen Sensor gebildet wird. Die dimensionsgerechte Genauigkeit der spektralen Wellenlängen-Ausgabe wird daher abnehmen, auch wenn die Positionsgenauigkeit der spektralen Wellenlänge verbessert wird.
  • Mittlerweile werden konventionell mechanische Kollimatoren zum Übertragen von Licht in einer parallelen Weise verwendet. Insbesondere wird in großen optischen Systemen, beispielsweise Kantenortungssystemen und Entfernungsmessgeräten für gewebeförmige Messobjekte, ein großer Kollimator verwendet. Diese Art von mechanischem Kollimator kann auch bei der Übertragung von Licht zwischen einem linear veränderlichen Filter und einem linearen Sensor verwendet werden. Jedoch haben solche Kollimatoren voluminöse Strukturen und es wurde geglaubt, dass es unmöglich sei, ein kompaktes Produkt herzustellen, das Anforderungen hinsichtlich einer hohen Auflösung befriedigt und fähig ist, bei der Übertragung von Licht zwischen einem linear veränderlichen Filter und einem linearen Sensor verwendet zu werden.
  • US-Patent Nr. 6,000,270 offenbart einen Kollimator, der bei der Herstellung von Halbleiter-Vorrichtungen verwendet wird, der eine im Wesentlichen Honigwaben-artige Form hat und aus Folien aus dünnem Metall hergestellt ist.
  • In der Absicht, ein Verfahren zum Beseitigen der oben genannten Probleme zu entwickeln, gelang es den Erfindern, spektrale Ergebnisse mit hoher Wellenlängen-Auflösung und ohne jegliche Unregelmäßigkeiten zu erhalten, indem sie einen faseroptische Folie (nachfolgend mit FOP abgekürzt) zwischen dem linear veränderlichen Filter und dem linearen Sensor oder an der nach vorne gerichteten Oberfläche des linear veränderlichen Filters platzierten, und haben zur Erlangung eines Patents die Patentanmeldung 2001-078176 (nachfolgend als „die frühere Anmeldung" bezeichnet) eingereicht. Ein FOP mit hoher Richtfähigkeit (NA = 0,35) wird in den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung insbesondere zum Verbessern der Wellenlängen-Auflösung verwendet.
  • Ein strukturelles Diagramm davon ist in 16 dargestellt. Faseroptische Folien 33a und 33b sind oberhalb des Sensorpakets 32 eines linearen Sensors 31 in der in der Figur dargestellten Weise bereitgestellt und ein linear veränderlicher Filter 34 ist auf die faseroptische Folie 33a auf der Oberseite davon gebondet. Der Raum zwischen dem linearen Sensor 31 und der faseroptischen Folie 33b ist mit einem transparenten Harz 35 gefüllt und ist ungefähr 0,01 mm breit. Die numerische Apertur (NA) der faseroptischen Folien 33a und 33b wird in diesem Ausführungsbeispiel mit 1 angenommen.
  • Der Grund für das Aufteilen der faseroptischen Folien 33a und 33b in zwei Schichten ist, dass die faseroptische Folie 33a statt dem Oberflächen-bedeckenden Glas des Sensorpakets 32 des linearen Sensors 31 verwendet wird; und wenn dies unnötig ist, kann eine einzelne faseroptische Folie verwendet werden, oder 33a und 33b können in einer integrierten Weise hergestellt werden.
  • Für in den linear veränderlichen Filter 34 vom oberen Abschnitt der Figur aus eintretendes Licht wird lediglich Licht mit einer Wellenlänge, die durch die Eintrittsstelle in den linear veränderlichen Filter 34 bestimmt wird, transmittiert, gemäß der Position des linear veränderlichen Filters 34 spektral aufgeteilt, von den faseroptischen Folien 33a und 33b geführt und durch das transparente Harz 35 hindurch auf den zugehörigen Pixel des linearen Sensors 31 gerichtet. Daher kann eine spektrale Messung durchgeführt werden, indem die Ausgabe eines jeden Pixels des linearen Sensors verarbeitet wird.
  • Da der linear veränderliche Filter 34 und die faseroptische Folie 33a miteinander verbunden sind, gibt es im Raum dazwischen keine Lichtstreuung, aber ein geringer Grad an Lichtstreuung tritt trotzdem zwischen der faseroptischen Folie 33b und dem linearen Sensor 31 auf, auch wenn die numerische Apertur der faseroptischen Folien 33a und 33b gleich 1 ist. Dies stellt jedoch kein großes Problem dar, da deren Intervall ungefähr 0,01 mm beträgt. Die Licht-Übertragungsrate von dem linear veränderlichen Filter zu dem linearen Sensor beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr 60–70%, was offensichtlich ganz und gar nicht minderwertig ist, wenn dieser Wert mit dem herkömmlichen Beispiel, bei dem ein linear veränderlicher Filter und ein linearer Sensor aneinander angrenzen, verglichen wird.
  • Bei diesem Verfahren existieren dennoch auch Probleme. Insbesondere reicht der effektive Wellenbereich der FOP, in der die tatsächliche NA 0,35 beträgt, nur von 400 bis 800 nm. Folglich können von längeren Wellenlängen (800 nm oder größer) keine hoch aufgelösten spektralen Ergebnisse erhalten werden. Zur gleichen Zeit wird gesagt, dass linear veränderliche Filter für eine Wellenlänge von 0,4 μm bis 20 μm hergestellt werden können.
  • Um eine FOP bei größeren Wellenlängen zu verwenden, muss eine Faser für diesen Wellenbereich neu hergestellt werden. Es ist teuer und unpraktisch, eine optische Faser entsprechend einer jeden Wellenlänge herzustellen. Ein anderer Nachteil ist, dass die Lichtdurchlässigkeit vermindert wird, wenn NA = 0,35, selbst in einer FOP im sichtbaren Bereich.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung, die angesichts der obigen Situation entwickelt wurde, ist, einen Wellenlängen-unabhängigen kompakten Kollimator mit hoher Wellenlängen-Auflösung bereitzustellen und ein kompaktes Spektrophotometer bereitzustellen, das diesen Kollimator verwendet und eingerichtet ist, mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit spektral zu messen.
  • Diesbezüglich stellt die Erfindung einen Kollimator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Kollimator mit den Merkmalen des Anspruchs 2 bereit. Außerdem wird ein entsprechendes Spektrophotometer mit den Merkmalen des Anspruchs 5 bereitgestellt. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen erklärt.
  • Die Erfindung betrifft einen Kollimator, bei dem der Licht-Transmissionspfad Luft ist.
  • Da der Licht-Transmissionspfad in dieser Erfindung Luft aufweist, ist es möglich, einen Wellenlängen-unabhängigen Kollimator mit geringer Verminderung von infrarotem Licht zu erzielen. Insbesondere beträgt die optische Weglänge für einen gewöhnlichen Kollimator ungefähr 0,5–5 mm, und es gibt fast keine Notwendigkeit, Wellenlängen-Abhängigkeit zu berücksichtigen, wenn die Vorrichtung vom Ultraviolett-Bereich bis zum fernen Infrarot-Bereich verwendet wird.
  • Der gemäß einem ersten Aspekt dieser Erfindung hergestellte Kollimator ist derart konfiguriert, dass eine Mehrzahl von Löchern, deren Breite gleich der Dicke der zuvor genannten ersten Metallfolien ist, parallel zueinander hergestellt wird, wobei ein Intervall offen gelassen wird, das der Dicke der zuvor genannten zweiten Metallfolien gleicht. Insbesondere wird ein Kollimator mit einer Anzahl von Öffnungen gleich der Anzahl von ersten Metallfolien hergestellt. Die ersten Metallfolien und die zweiten Metallfolien sind mittels Diffusions-Bonden basierend auf Thermokompressions-Bonden gebondet und können daher ausreichend dünn gemacht werden (insbesondere kann deren Dicke in der Größenordnung von einigen zehn Mikrometern liegen), und ein Kollimator kann daher hergestellt werden, in dem eine große Anzahl von Löchern einige zehn Mikrometer breit in Intervallen von einigen zehn Mikrometern verteilt sind.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Erfindung wird ein zweidimensionaler Kollimator hergestellt, indem alternierend erste Metallfolien mit parallelen Löchern in einer Mehrzahl von Reihen und zweite Metallfolien ohne Löcher gestapelt werden, gegenüber liegende Seiten davon mit Pressfolien gepresst werden, diese Teile mittels Diffusions-Bonden basierend auf Thermokompressions-Bonden integriert werden und die Abschnitte, die den Abschnitten entsprechen, in denen Löcher in den ersten Metallfolien existieren, in der Stapelrichtung der Metallfolien geschnitten werden. Die zuvor genannten parallelen Löcher sind in einem Intervall in einer einzelnen Richtung angeordnet, und die Löcher sind gemäß der Anzahl der ersten Metallfolien in der dazu senkrechten Richtung angeordnet, wie in dem zuvor beschriebenen ersten Mittel. Es ist daher möglich, einen zweidimensionalen Kollimator mit der gleichen Struktur wie den zuvor genannten Kollimator zu konstruieren.
  • Gemäß einem dritten Aspekt dieser Erfindung werden Löcher in der zweiten Metallfolie in den Schnitt-Abschnitten der zweiten Metallfolien geöffnet. Die Länge der Löcher in den Schnittebenen ist gleich oder größer als die Breite der Löcher in den Schnittebenen der ersten Metallfolien, und die Löcher in den zweiten Metallfolien bedecken die Löcher in den ersten Metallfolien in den Schnittebenen.
  • Aufgrund dessen kann Schneiden durchgeführt werden, bis der Schnitt-Abschnitt die Durchgangslöcher in den ersten Metallfolien während des Schneidens erreicht, und es gibt keine Notwendigkeit, die Abschnitte der zweiten Metallfolien, die die Barrieren der Kollimator-Löcher (die Löcher wurden zuvor erzeugt) in den zweiten Metallfolien aufweisen, zu schneiden. Diese Abschnitte erfahren daher keine Verformung durch die Schneidekraft oder durch Hitze während des Schneidens.
  • Die in den ersten Metallfolien erzeugten Durchgangslöcher in diesem Mittel können in Längsrichtung hergestellte Gitterelemente aufweisen, insbesondere in der Richtung orthogonal bezüglich deren Schnittebenen. Diese Gitterelemente dienen als Streben zum Tragen der zweiten Metallfolien, die die Barrieren der Kollimator-Löcher aufweisen, und verhindern Deformation der zweiten Metallfolien, wenn der Kollimator fertig gestellt wird, wie später im Detail in dem Abschnitt mit den Ausführungsbeispielen unter Verwendung der Figuren beschrieben wird. Es ist daher möglich, einen Kollimator zu erzielen, dessen Löcher eine regelmäßige Form haben.
  • Die Konfiguration dieser Erfindung ist im Wesentlichen identisch zu der Konfiguration der Erfindung aus der im Stand der Technik beschriebenen „früheren Anmeldung", unterscheidet sich jedoch dadurch, dass an Stelle einer faseroptischen Platte (FOP) ein Kollimator gemäß irgendeinem der oben genannten Mittel verwendet wird. Eine FOP ist also eine Art von Kollimator, jedoch breitet sich das Licht innerhalb einer Faser aus und die Wellenlängen-Abhängigkeit des Brechungsindex der Faser beeinträchtigt die Ausbreitungs-Charakteristik. Im Gegensatz dazu weist der Licht-Transmissions-Weg in irgendeinem der in dieser Erfindung verwendeten Kollimatoren Luft auf, so dass es keine Wellenlängen-Abhängigkeit gibt und dass Licht im Bereich von infrarotem Licht bis zu ultraviolettem Licht spektral aufgespaltet werden kann.
  • Ein linearer Objektiv-Element-Sensor, der ein Beispiel für ein Spektrometer ist, in dem ein linear veränderlicher Filter verwendet wird, ist extrem schmal, hat eine Länge von 12,5 mm und weist 265 Wellenlängen-Detektionselemente auf, die jeweils 50 μm breit sind (Breite: 2.500 μm). Außerdem sollte die Abstands-Dimension des Kollimator-Zwischenraums vorzugsweise ungefähr 10–100 μm betragen, da das linear veränderliche Filter und der lineare Sensor die gleichen Dimensionen haben (1 : 1).
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Diagramm, das einen konzeptionellen Umriss eines Kollimators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung illustriert;
  • 2 ist ein Diagramm zum Beschreiben eines beispielhaften Herstellungsverfahrens des in 1 dargestellten Kollimators;
  • 3 ist ein Diagramm zum Beschreiben eines beispielhaften Herstellungsverfahrens des in 1 dargestellten Kollimators;
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Bespiel für eine Struktur von Bauelementen zum Herstellen eines zweidimensionalen Kollimators und ein Beispiel eines Querschnitts durch den zweidimensionalen Kollimator illustriert;
  • 5 ist ein Diagramm, das ein Bespiel für eine Struktur von Bauelementen zum Herstellen eines Gitters als ein Verstärkungs-Bauelement und ein Beispiel eines Querschnitts durch einen eindimensionalen Kollimator mit dem Gitter illustriert;
  • 6 ist ein Diagramm, das die Struktur von Bauelementen zum Vermeiden von Deformation während des Schneidens illustriert;
  • 7 ist ein Diagramm, das einen strukturellen Umriss eines Spektrophotometers als ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung illustriert;
  • 8 ist ein Diagramm, das einen Umriss einer als Kollimator verwendeten Kapillarenplatte illustriert;
  • 9 ist ein Diagramm, das einen Umriss einer zum Untersuchen der Charakteristik des Spektrophotometers gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendeten Vorrichtung illustriert;
  • 10 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse direkter spektraler Zerlegung von Licht illustriert, das von einer parallelen Lichtquelle emittiert wurde;
  • 11 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse spektraler Zerlegung von Licht illustriert, das von einer parallelen Lichtquelle durch ein Didymium-Filter hindurch emittiert wurde;
  • 12 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse spektraler Zerlegung von Licht illustriert, das von einer parallelen Lichtquelle über eine Streuplatte emittiert wurde;
  • 13 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse spektraler Zerlegung von Licht illustriert, das von einer parallelen Lichtquelle über eine Streuplatte und ein Didymium-Filter emittiert wurde;
  • 14 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse spektraler Zerlegung von Licht illustriert, das unter Verwendung einer Infrarot-Lichtquelle als eine parallele Lichtquelle durch ein Didymium-Filter transmittiert wurde;
  • 15 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse spektraler Zerlegung von Licht illustriert, das von einer parallelen Lichtquelle durch ein Didymium-Filter in der Erfindung der „früheren Anmeldung" emittiert wurde, wobei eine FOP als ein Kollimator verwendet wird; und
  • 16 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration der spektralen Vorrichtung der Erfindung der „früheren Anmeldung" illustriert.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele Ausführungsbeispiele dieser Erfindung werden nun nachfolgend unter Verwendung der Figuren beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das einen konzeptionellen Umriss eines Kollimators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung illustriert. In 1 ist (a) eine Aufsicht, (b) eine Frontansicht, (c) eine A-A-Querschnitts-Ansicht und (d) eine B-B-Querschnitts-Ansicht. Da diese Figur ein konzeptioneller Umriss zum Beschreiben der Struktur ist, entsprechen die gezeigten Dimensionen nicht den tatsächlichen Dimensionen.
  • Wie in dem Diagramm offensichtlich ist, wird der Kollimator erhalten aus einem alternierenden aufeinander Schichten von Metallfolien 1 (40 μm dick), die Löcher 4 mit einer Breite von 2.200 μm in deren Mitte aufweisen, und von Metallfolien 2 (10 μm dick) ohne Löcher (hier beschreibt „Metallfolien 1 mit Löchern 4" den Zustand, der existiert, bevor sie in der unten beschriebenen Weise geschnitten sind, wobei der obere Abschnitt und der untere Abschnitt der Metallfolien 1 in der Figur (in dem fertiggestellten Produkt) nicht miteinander verbunden sind). Beide Seiten werden mittels Pressfolien 3 gehalten, die 2 mm dick sind. Diese Metallfolien und Pressfolien sind mittels Diffusions-Bonden basierend auf Thermokompressions-Bonden gebondet.
  • Die Abschnitte mit den vertikalen Durchgangslöchern 4 (40 μm × 2.000 μm) werden daher Licht-transmittierende Abschnitte, wobei die Metallfolien 2 als Barrieren zwischen benachbarten Löchern 4 dienen, und auf eine Breite von 40 μm kollimiertes Licht breitet sich letzten Endes durch diese hindurch aus. Die verwendete dünne Metallfolie kann irgendeine photoätzbare dünne Metallfolie sein, solange diese Folie gestapelt und unter Verwendung von Thermokompressions-Bonden Diffusions-gebondet werden kann. In diesem Fall wird jedoch eine SUS-Folie verwendet. Diese Folie hat eine hohe Festigkeit und ist vergleichsweise billig und weit verbreitet verfügbar.
  • Aluminium ist ein anderes effektives Material, aber SUS ist hinsichtlich Festigkeit überlegen. Die Struktur des in der Figur mittels einer gepunkteten Linie dargestellten Abschnitts ist identisch zu den Abschnitten links und rechts davon und wird in dem Diagramm daher nicht dargestellt. 256 Metallfolien 1 und 255 Metallfolien 2 sind aufeinander gestapelt und 256 Lichtdurchgänge sind in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet.
  • Wegen der Neuheit dieses Kollimators wird ein Beispiel des Herstellungsverfahrens dafür beschrieben. Wie in 2 dargestellt, werden dünne SUS-Folien 1 mit einer Länge von 100 mm, einer Breite von 8 mm und einer Dicke von 40 μm, dünne SUS-Folien 2 mit einer Länge von 100 mm, einer Breite von 8 mm und einer Dicke von 10 μm sowie eine dünne SUS-Folie 3 mit einer Länge von 100 mm, einer Breite von 8 mm und einer Dicke von 2 mm hergestellt, und werden Löcher 4 mit den Maßen 40 μm × 2.200 μm in den Mittenabschnitten der dünnen SUS-Folien 1 mittels Photolithographie und Ätzen erzeugt. Photolithographie und Ätzen werden auch für jede der dünnen SUS-Folien 1 und der dünnen SUS-Folien 2 verwendet, elektro-erosive Bearbeitung wird für die SUS-Folien 3 verwendet, um zwei Löcher 5 mit einem Durchmesser von 2 mm darin zu erzeugen. Der Grund dafür, Ätzen als ein Herstellungsverfahren zu verwenden, ist das Ausschließen des Auftretens von Schweiß-Blitzen.
  • Eine 40 μm dünne SUS-Folie 1 wird als nächstes über der 2 mm dicken SUS-Folie 3 platziert und eine 10 μm dünne SUS-Folie 2 wird darauf gestapelt. 40 μm und 10 μm dünne SUS-Folien werden dann alternierend gestapelt. In diesem Beispiel werden 256 40 μm SUS-Folien 1 und 255 10 μm SUS-Folien 2 aufeinander gestapelt und eine 2 mm dicke SUS-Folie 3 wird darauf platziert. Die Folien werden dann unter Verwendung der Löcher 5 mit den 2 mm Durchmessern ausgerichtet.
  • Die gestapelten Folien müssen miteinander verbunden werden, da sie in diesem Zustand nicht gesichert sind. Eine Thermokompressions-Bond-Technik kann hierin verwendet werden, um die Kontakt-Oberflächen der SUS-Folien miteinander zu verbinden. Um dies zu erreichen, wird mit Hilfe von Pressfolien (unter Verwendung von mit dem SUS nicht verbundenem Material) Druck von oberhalb und unterhalb der gestapelten Abschnitte auf den gestapelten Abschnitt ausgeübt, wobei der Aufbau in diesem Zustand in einem Unterdruck-Heizungs-Ofen angeordnet ist, wobei die Temperatur von Raumtemperatur auf 1.000°C erhöht wird und auf dieser Höhe gehalten wird, und wobei die Temperatur reduziert wird, wenn das Diffusions-Bonden als beendet erachtet wird. Dieser Schritt benötigt ungefähr 24 Stunden. Auf diese Weise wird, wie in 3 dargestellt, eine gebondete mehrschichtige Folie fertig gestellt. In 3 ist (a) eine Aufsicht und (b) eine Seitenansicht.
  • Die gebondete mehrschichtige Folie wird dann in ihrer Stapel-Richtung geschnitten. Die Schneide-Position zum Abschneiden eines einzelnen Kollimators wird in 3 mittels der gestrichelten Linie angezeigt. Schneiden wird unter Verwendung von drahtschneidender elektro-erosiver Bearbeitung durchgeführt. Eine saubere Schnittfläche wird erhalten, da die Folien Diffusions-gebondet sind. Ein in 1 dargestellter Kollimator der Höhe L ist somit hergestellt (die Ansicht von rechts und links in 3 entspricht (a) in 1). Die Höhe L des Kollimators wird aus der Länge ermittelt, wenn die Vorrichtung wie in 3 dargestellt geschnitten wird. Ein Vorteil dieses Herstellungsverfahrens ist, dass die Höhe des Kollimators auf jeden beliebigen Wert in dem letzten Schritt gefertigt werden kann. L wird für Anwendungen größer, die hohe Wellenlängen-Auflösung erfordern. Anwendungen, die eine große Geschwindigkeit benötigen, können unter Verwendung eines kleineren L-Wertes angepasst werden.
  • Oben wurde ein eindimensionaler Kollimator beschrieben und nun wird ein zweidimensionaler Kollimator gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben. Lediglich ein einzelnes Loch 4 wurde in der Metallfolie 1 in 2 geöffnet, aber wie in 4(a) dargestellt, ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl (sechs sind in der Figur dargestellt, aber eine beliebige Anzahl davon kann enthalten sein) von rechteckigen Löchern 4 mit einem vorgegebenen Zwischenraum parallel ausgebildet. Die Metallfolien 2 und Pressfolien 3 sind entsprechend den Metallfolien 1 dimensioniert und ein Kollimator ist mittels des gleichen Verfahrens wie das zum Herstellen des in 1 dargestellten Kollimators verwendete hergestellt.
  • Dies stellt einen zweidimensionalen Kollimator fertig, bei dem der Querschnitt entsprechend (c) in 1 in einen Querschnitt wie beispielsweise denjenigen, der in 4(b) dargestellt ist, konvertiert wird.
  • Bei dem auf diese Weise hergestellten Kollimator erfahren die Metallfolien 2 manchmal Wärme-Deformation und können nicht parallel zueinander gehalten werden, wenn die in den 1 und 2 dargestellten Löcher 4 (vertikale Länge in der Figur) eine beträchtliche Länge haben. In diesen Fällen wird ein Gitter als eine Verstärkung der Löcher 4 ausgebildet.
  • Insbesondere wird ein linearer Abschnitt mit einer Breite von ungefähr 100 μm in dem Loch 4 in der Metallfolie 1 übrig gelassen, wenn ein einzelnes Loch 4 mittels Ätzens hergestellt wird, wie in 5(a) dargestellt, so dass ein enges Gitter 6 gebildet wird. Wenn ein Kollimator mittels solch eines Verfahrens unter Verwendung dieses Typs von Metallfolie hergestellt wird, wird dieser Kollimator derart gebildet, dass der Querschnitt entsprechend (c) in 1 in einen Querschnitt, beispielsweise den in 5(b) dargestellten, konvertiert wird. Insbesondere kann ein zuverlässiger Kollimator ohne Biegen der Metallfolien 2 hergestellt werden, da das Gitter 6 derart gebildet ist, dass es die Metallfolien 1 in diesem Kollimator verstärkt. Die Lichttransmissions-Effizienz nimmt leicht ab, da sich Licht nicht durch den Abschnitt des Gitters 6 hindurch ausbreitet, aber ungefähr drei Gitter sind tatsächlich ausreichend. Auch wenn die Breite (vertikale Richtung in 5) 2.200 μm beträgt und das Gitter 6 drei Teile aufweist und eine Breite von 100 μm hat, summiert sich die Abnahme der Transmissions-Effizienz auf ungefähr 3/22, was kein signifikantes Problem darstellt. Es ist offensichtlich, dass das gleiche Verfahren für den oben erwähnten zweidimensionalen Kollimator ebenso verwendet werden kann.
  • Da die Abschnitte der Metallfolien 2, die auf keiner Seite mittels der Metallfolien 1 gehalten werden (insbesondere die den Löchern 4 entsprechenden Abschnitte), eine geringe Festigkeit (das ist die Festigkeit einer Folie mit ungefähr 40 μm Dicke) aufweisen, wenn in irgendeinem der oben beschriebenen Verfahren drahtschneidende elektro-erosive Bearbeitung durchgeführt wird, deformieren sich diese Abschnitte der Metallfolien 2 manchmal als Ergebnis von Wärme-Deformation oder mechanische Spannung während des Schneidens. Die Metallfolien 2 haben zum Vermeiden dieses Phänomens die in 6 dargestellte Form. Insbesondere werden zuvor mittels Ätzens oder Ähnlichem Löcher 8 im Mittenabschnitt der Metallfolien 2 an Positionen gebildet, die mit mittels drahtschneidender elektro-erosiver Bearbeitung gebildeter Schnittebenen 7 ausgerichtet sind. Die Löcher sind derart dimensioniert, dass sie die Breitenrichtung (vertikale Richtung in 6) der in den Metallfolien 1 gebildeten Löcher 4 vollständig bedecken, wenn die Metallfolien 1 und 2 aufeinander gelegt werden. Insbesondere ist deren Höhe gleich oder größer als die Breite der Löcher 4. Übrigens ist es vorteilhaft, wenn die Breite der Löcher 4 und die Höhe der Löcher 8 im Wesentlichen identisch ist und wenn beide Typen von Löchern nahezu vollständig aufeinander gelegt sind.
  • Auf diese Weise kann der mittels drahtschneidender elektro-erosiver Bearbeitung geschnittene Abschnitt sich bis zu beiden Löchern 4 und 8 erstrecken und fast kein Abschnitt der Metallfolien 2, der die Seitenfläche der Löcher 4 bildet, wird einer drahtschneidenden elektro-erosiven Bearbeitung unterzogen. Dieser Abschnitt erfährt daher keine Wärme-Deformation und ein genauer Schlitz wird darin gebildet.
  • In einem beliebigen der oben beschriebenen Kollimatoren werden die Metallfolien 1 zunächst als eine Einzelfolie verbunden, werden aber nach dem Unterziehen einer drahtschneidenden elektro-erosiven Bearbeitung in hauchfeine Abschnitte aufgeteilt. Die in diesem Schritt aufgeteilten Abschnitte bleiben jedoch zusammen, da sie mittels Diffusions-Bonden basierend auf Thermokompressions-Bonden an die Metallfolien 2 gebondet sind.
  • 7 ist ein Diagramm, das einen strukturellen Umriss eines Spektrophotometers als ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung illustriert. Dieses Spektrophotometer ist eine eindimensionale spektrale Vorrichtung und ist um ein linear veränderliches Filter 11, eine Kollimator 12, ein linearer-Semsor-Paket 13 und einen linearen Sensor 14 herum strukturiert. Licht, das von dem linear veränderlichen Filter 11 spektral aufgeteilt wird, breitet sich durch den Kollimator 12 hindurch aus und wird zu dem linearen Sensor 14 innerhalb des linearer-Sensor-Pakets 13 geführt. Der linear veränderliche Filter 11, der Kollimator 12 und das linearer-Sensor-Paket 13 sind derart strukturiert, dass sie gegenseitig im Kontakt stehen. Der lineare Sensor 14 ist innerhalb des linearer-Sensor-Pakets 13 befestigt und hat die Funktionalität, Licht von dem Kollimator 12 durch ein Glasfenster (nicht dargestellt) hindurch zu empfangen und das Licht in elektrische Signale zu konvertieren.
  • Die Wellenlänge des sich durch das linear veränderliche Filter 11 hindurch ausbreitenden Lichts wird gemäß der Position in der Breitenrichtung des linear veränderlichen Filters 11 ermittelt. Der Kollimator 12 führt das von jeder Position in der Breitenrichtung des linear veränderlichen Filters 11 emittierte Licht zu dem linearen Sensor 14, ohne das Licht mit von anderen Positionen emittierten Licht zu vermischen. Die spektrale Charakteristik des auf das linear veränderliche Filter 11 einfallenden Lichts kann daher ermittelt werden, indem die Ausgabe eines jeden Elements des linearen Sensors 14 detektiert wird.
  • Von dem linear veränderlichen Filter 11 emittiertes Licht kann in einem Zustand geringer Schwächung des linearen Sensors 14 transmittiert werden und die Sensitivität kann in diesem Ausführungsbeispiel verbessert werden, da der Kollimator 12 zum Übertragen von emittiertem Licht von dem linear veränderlichen Filter 11 zu dem linearen Sensor 14 mit einem Luftraum als ein Medium eingerichtet ist.
  • 8 stellt ein erstes Beispiel eines in dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendeten Kollimators dar. In diesem Beispiel wird die auf der Homepage von Hamamatsu Photonics beschriebene Kapillarenplatte als Kollimator verwendet. Diese Kapillarenplatte weist Löcher mit Durchmessern von einigen wenigen Mikrometern bis mehrere hundert Mikrometer auf, die in einer regelmäßigen Weise in Glas ausgebildet sind, und kann mit einer Dicke von 0,5 mm bis zu mehrere zehn Mikrometer hergestellt werden.
  • Die Kapillarenplatte kann als ein Kollimator verwendet werden, indem eine Beschichtung zur vollständigen Absorption von Licht auf der Innenfläche der Löcher in der Platte aufgebracht wird. Die von dem linear veränderlichen Filter 11 emittierte spektrale Wellenlänge wird mit Hilfe dieses Kollimators zu dem linearen Sensor 14 übertragen.
  • Dieses Ausführungsbeispiel hat jedoch Nachteile, wonach das Öffnungsverhältnis der Kapillarenplatte gering ist, bei maximal 55% liegt, und die Lichttransmissions-Effizienz ist ebenso gering, da die Löcher kreisförmig sind. Besonders wenn die verwendete Vorrichtung ein eindimensionales Spektrometer ist, nimmt die Anzahl an unbrauchbaren Abschnitten auf Grund der insgesamt kreisförmigen Form der Kapillarenplatte zu.
  • Diese Probleme können unter Verwendung eines Kollimators, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist, oder eines modifizierten Beispiels (mit einem Gitter) eines Kollimators, wie beispielsweise der oben beschriebene, welche Ausführungsbeispiele dieser Erfindung sind, überwunden werden. Da die Öffnungen in diese Kollimatoren rechteckig sind, kann insbesondere der Übertragungs-Oberflächenbereich für Licht für die Kapillarenplatte vergrößert werden, wodurch es möglich gemacht wird, die Lichttransmissions-Effizienz zu erhöhen.
  • 7 stellt eine eindimensional aufteilende Vorrichtung dar, aber wenn für das linear veränderliche Filter 11 eine breite Vorrichtung verwendet wird, kann leicht eine zweidimensionale spektrale Vorrichtung konfiguriert werden, indem der Kollimator 12 in einen zweidimensionalen Kollimator konvertiert wird und der lineare Sensor 14 als eine zweidimensionale Vorrichtung konstruiert wird.
  • Auch wenn eine Kapillarenplatte für den Kollimator 12 verwendet wird, können in diesem Fall Nachteile bis zu einem gewissen Grad eliminiert werden, wenn mit dem Fall einer eindimensionalen spektralen Vorrichtung verglichen wird, aber eine Abnahme der Lichttransmissions-Effizienz kann nicht vermieden werden, da die Löcher kreisförmig sind. Folglich kann die Lichttransmissions-Effizienz erhöht werden, wenn ein zweidimensionaler Kollimator, beispielsweise der in 4 dargestellte oder ein modifiziertes Beispiel mit dem Gitter, verwendet wird.
  • Ein eindimensionaler Kollimator mit einem Gitter wie in 5(b) dargestellt wurde hergestellt. SUS wurde für die Metallfolien 1, die Metallfolien 2 und die Pressfolien 3 verwendet; die Metallfolien 1 waren 90 μm dick, die Metallfolien 2 waren 10 μm dick und die Pressfolien waren 2 mm dick; und die mittels Photolithographie und Ätzen erzeugten Löcher 4 waren 2.200 μm breit. Wie in 5(a) dargestellt, wurde ein fünfteiliges Gitter mit einer Breite von 100 μm mit regelmäßigen Zwischenräumen innerhalb des 2.200 μm-Raumes gebildet. Wie in 6 dargestellt, wurden in der Mitte der Metallfolien 1 mittels Photolithographie und Ätzen Löcher 8 mit einer Breite (horizontale Richtung in der Figur) von 1 mm und einer Länge (vertikale Richtung in der Figur) von 2.400 μm mit 4 mm Zwischenräumen in der Querrichtung der Figur gebildet. 128 Metallfolien 1 und 127 Metallfolien 2 wurden alternierend aufeinander auf einer Pressfolie 3 gestapelt, eine andere Pressfolie 3 wurde schließlich darauf aufgebracht, der Aufbau wurde mittels Thermokompressions-Bondens gemäß dem in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Verfahren Diffusions-gebondet, und der Abschnitt mit den darin geöffneten Löchern 8 wurde mittels drahtschneidender elektro-erosiver Bearbeitung geschnitten. Ein Kollimator mit einer Dicke von 3 mm, einer Breite von 2.200 μm und einer Länge von ungefähr 15,8 mm wurde dabei fertig gestellt. 128 Löcher mit einer Dicke von 90 μm und einer Länge von 2.200 μm wurden in diesem Kollimator gebildet.
  • Die spektrale Charakteristik der in 7 dargestellten und unter Verwendung dieses Kollimators erhaltenen eindimensionalen spektralen Vorrichtung wurde unter Verwendung einer Vorrichtung, wie beispielsweise in 9 dargestellt, untersucht. Ein von einer parallelen Lichtquelle 21 emittierter paralleler Lichtstrahl mit einem kontinuierlichen Spektrum wurde mittels einer Streuplatte 22 gestreut und mittels eines Wellenlängen-Kalibrierungsfilters 23 übertragen, und die Wellenlängen-Verteilung wurde mittels einer eindimensionalen spektralen Vorrichtung, wie beispielsweise der in 7 dargestellten, gemessen.
  • 10 zeigt die Ergebnisse direkter spektraler Zerlegung von Licht, das von der parallelen Lichtquelle 21 ohne Verwendung der Streuplatte 22 oder des Wellenlängen-Kalibrierungsfilters 23 emittiert wurde; und 11 zeigt die Ergebnisse direkter spektraler Zerlegung von Licht, das erhalten wurde, wenn ein Didymium-Filter als Wellenlängen-Kalibrierungsfilter ohne Verwendung der Streuplatte 22 verwendet wurde. Die theoretische Lichtabsorptions-Peak-Wellenlänge für ein Didymium-Filter beträgt 580 nm und dessen theoretisches Licht-Absorptionsvermögen beträgt 1,80, aber, wie aus 11 offensichtlich wird, gibt es einen Peak bei einer Wellenlänge, die 580 nm entspricht (in der Figur als Pixel-Einheiten eines linearen Sensors dargestellt), und dessen Licht-Absorptionsvermögen beträgt 1,769. Es ist nun offensichtlich, dass die Auflösung der spektralen Vorrichtung besonders hoch ist. Wie vorhin schon bemerkt, wird eine solch hohe Wellenlängen-Auflösung erreicht, auch wenn ein Zwischenraum von ungefähr 2 mm zwischen dem Kollimator 12 und dem linearen Sensor 14 bereitgestellt wird, da ein in der oben beschriebenen Weise kalibrierter Kollimator eine extrem gute Kollimations-Charakteristik aufweist.
  • Im Gegensatz hierzu mussten in der Erfindung der „früheren Anmeldung" die FOP und der lineare Sensor befestigt werden und musste das linearer-Sensor-Paket 13 maschinell bearbeitet werden. In diesem Ausführungsbeispiel wurde auch eine adäquate Charakteristik auf Grund solcher Charakteristiken erreicht, wenn der Kollimator 12 mit dem linearer-Sensor-Paket 13 verbunden wird.
  • Eine Streuplatte 22 wurde vor dem Didymium-Filter bereitgestellt und die gleiche Art von Experiment wurde zum weiteren Untersuchen der Kollimator-Leistung durchgeführt. 12 stellt die Ergebnisse des Messens der spektralen Charakteristik dar, die erhalten wird, wenn die Streuplatte 22 alleine, ohne irgendein Didymium-Filter, vorgesehen ist. Gemäß einem Vergleich zwischen 10 und 12 bleiben beide Charakteristiken ohne Rücksicht auf die vorhergesagte Abnahme der Wellenlängen-Auflösung in 12 im Wesentlichen unverändert, da in 12 Licht auf das linear veränderliche Filter 11 aus verschiedenen Winkeln einfällt. Diese wird der Tatsache zugeschrieben, dass, da der Kollimator 12 eine adäquate Kollimations-Charakteristik aufweist, nur sich geradlinig ausbreitendes Licht zu dem linearen Sensor 14 übertragen wird, auch wenn das Streulicht auf das linear veränderliche Filter 11 einfällt.
  • 13 zeigt die Ergebnisse, die erhalten wurden, wenn ein Didymium-Filter als ein Wellenlängen-Kalibrierungsfilter 23 hinter der Streuplatte 22 eingefügt wurde und da hindurch sich ausbreitendes Licht spektral aufgeteilt wird. Es erscheint in 13 auch ein Absorptions-Peak an einer Position, die 580 nm entspricht, was die theoretische Lichtabsorptions-Peak-Wellenlänge eines Didymium-Filters ist, und der Absorptions-Kurvenverlauf ist fast identisch zu dem in 11 dargestellten. Jedoch beträgt das Absorptionsvermögen 1,65, was etwas geringer ist als in dem Fall, bei dem die Streuplatte fehlt.
  • Es ist aus den obigen Ergebnissen offensichtlich, dass hohe Wellenlängen-Auflösung unter Verwendung des oben erwähnten Kollimators erreicht wird, auch wenn das Licht Streulicht aufweist und es einen Zwischenraum zwischen dem Kollimator und dem linearen Sensor gibt.
  • Die oben beschriebenen Experimente betrafen sichtbares Licht, aber 14 zeigt die Ergebnisse, die mittels spektralen Aufteilens von transmittiertem Licht unter Verwendung einer Infrarot-Lichtquelle als die parallele Lichtquelle 21 und unter Verwendung von lediglich einem Didymium-Filter ohne Einsetzen einer Streuplatte 22 erhalten wurden. Der Absorptions-Peak des Didymium-Filters für infrarotes Licht ist 800 nm und dessen theoretisches Licht-Absorptionsvermögen beträgt 1,20, und es gab in dem Spektrometer auch einen Absorptions-Peak bei 800 nm, und das gemessene Licht-Absorptionsvermögen von 1,201 lag äußerst nahe bei dem theoretischen Wert. Es ist daher offensichtlich, dass das Spektrometer auch für die spektrale Zerlegung von infrarotem Licht ebenso verwendet werden kann.
  • 15 stellt die spektrale Charakteristik eines vergleichbaren Beispiels dar, welche unter Verwendung einer spektralen Vorrichtung (dargestellt in 16), die die in der Erfindung der „früheren Anmeldung" beschriebene faseroptische Platte nutzt, und unter Verwendung der Streuplatte 22 und des Didymium-Filters erhalten wurde. Der Lichtabsorptions-Peak für die Didymium-Filter-Absorptions-Wellenlänge von 580 nm fällt auf 1,30 ab und die Wellenform lässt allgemein nach. Der Grund dafür ist, dass die Kollimator-Leistung im Vergleich mit den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung schlecht ist.

Claims (5)

  1. Kollimator, welcher erhältlich ist durch alternatives Stapeln von ersten Metallfolien (1) mit Durchgangslöchern (4) an jeweils der gleichen Position innerhalb der ersten Metallfolien (1) und von zweiten Metallfolien (2) ohne derartige Durchgangslöcher (4) zum Bereitstellen von Barrieren zwischen benachbarten Durchgangslöchern (4), Pressen von entgegengesetzten Seiten des Stapels mit Pressfolien (3), Integrieren dieser Teile mittels Diffusions-Bonden basierend auf Thermokompression und Schneiden des integrierten Stapels in Gebieten, wo die Durchgangslöcher (4) in den ersten Metallfolien (1) existieren, in der Stapel-Richtung senkrecht zu den gestapelten Metallfolien (1, 2, 3), dadurch Erzielen von Löchern in den ausgeschnittenen Teilen des integrierten Stapels, welche sich senkrecht zu der Stapel-Richtung erstrecken und von den geschnittenen zweiten Metallfolien (2) begrenzt werden.
  2. Zwei-dimensionaler Kollimator, welcher erhältlich ist durch alternatives Stapeln von ersten Metallfolien (1) mit einer Mehrzahl von Durchgangslöchern (4), welche sich parallel zueinander an jeweils der gleichen Position innerhalb der ersten Metallfolien (1) erstrecken, und von zweiten Metallfolien (2) ohne derartige Durchgangslöcher (4) zum Bereitstellen von Barrieren zwischen benachbarten Durchgangslöchern (4), Pressen von entgegengesetzten Seiten des Stapels mit Pressfolien (3), Integrieren dieser Teile mittels Diffusions-Bonden basierend auf Thermokompression und Schneiden des integrierten Stapels in Gebieten, wo die Durchgangslöcher (4) in den ersten Metallfolien (1) existieren, in der Stapel-Richtung senkrecht zu den gestapelten Metallfolien (1, 2, 3), dadurch Erzielen von Löchern in den ausgeschnittenen Teilen des integrierten Stapels, welche sich senkrecht zu der Stapel-Richtung erstrecken und von den geschnittenen zweiten Metallfolien (2) begrenzt werden.
  3. Kollimator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zweiten Metallfolien (2) mit Löchern (8) bereitgestellt werden, deren jeweilige Länge ausreichend ist, um die Breite der Durchgangslöcher (4) in den ersten Metallfolien (1) abzudecken.
  4. Kollimator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die in den ersten Metallfolien (1) gebildeten Durchgangslöcher (4) mit in regelmäßigen Intervallen gebildeten lang gestreckten, parallelen Gitterelementen (6) bereitgestellt wird, dadurch Bilden von Gitterförmigen Durchgangslöchern (4).
  5. Spektrophotometer mit einem linear veränderlichen Filter (11, 34), einem linearen Sensor (14, 31) und einem Kollimator (12) zum Übertragen von spektral zerlegtem Licht, welches von dem linear veränderlichen Filter (11, 34) emittiert wird, an den linearen Sensor (14, 31), welcher zwischen dem linear veränderlichen Filter (11, 34) und dem linearen Sensor (14, 31) angeordnet ist, wobei der in dem Spektrometer verwendete Kollimator der Kollimator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.
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