JP2010256670A - Diffraction grating, spectroscopic unit using the same, spectrometer, and method for preparing diffraction grating - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回折格子およびそれを用いる分光ユニット、分光計ならびに回折格子の作成方法に関し、特に前記回折格子としては、安価な樹脂製のものに関する。 The present invention relates to a diffraction grating, a spectroscopic unit using the same, a spectrometer, and a method for producing a diffraction grating, and in particular, relates to an inexpensive resin-made diffraction grating.
分光計、特にセンサアレイを用いて測定波長域の分光分布を同時に測定する低コストなポリクロメータ型の分光計が、いわば部品としてさまざまな分野で用いられるようになり、より低コスト化が求められるようになっている。そのコストを削減する上で、回折格子とハウジングとを射出成形された樹脂製にすることは効果がある。特許文献1は、両者を一体で射出成形した分光ユニットを提示している。その具体的構成を図4で示す。この分光ユニット51は、一面を開放した箱形のハウジング52の内底面52aに反射型の凹面回折格子54が形成され、その箱を閉止する印刷配線基板55側に、光導入孔(スリット)56が形成されるとともに、前記光導入孔56から入射し、前記回折格子54で分光された各波長の光強度を同時測定するセンサアレイ57が設けられて構成されている。このような分光ユニット51に、前記センサアレイ57からの出力を処理する処理回路を前記印刷配線基板55などに備えて、分光輝度計や分光測色計などに組み込まれる分光計が構成される。こうして、先ず回折格子54の材料を従来のガラスから樹脂に変更することでコストを低減し、さらに該回折格子54をハウジング52に一体成型することで、組み立てに伴うコストならびに誤差を低減して、一層のコスト低減が図られている。
Spectrometers, especially low-cost polychromator-type spectrometers that simultaneously measure the spectral distribution in the measurement wavelength range using a sensor array, have come to be used in various fields as a so-called component, and further cost reduction is required. It is like that. In order to reduce the cost, it is effective to make the diffraction grating and the housing made of injection molded resin. Patent Document 1 presents a spectroscopic unit in which both are integrally formed by injection molding. The specific configuration is shown in FIG. In this
しかしながら、樹脂の線膨張係数が7×10−5/℃前後と、ガラスの10倍近いために、上述のような樹脂製の回折格子は、格子定数の温度依存性が大きく、波長精度で劣るという問題がある。すなわち、温度変化によって格子のピッチが変わり、波長に応じたシフトが生じてしまう。 However, since the linear expansion coefficient of the resin is around 7 × 10 −5 / ° C., which is nearly 10 times that of glass, the resin diffraction grating as described above has a large temperature dependence of the lattice constant and is inferior in wavelength accuracy. There is a problem. That is, the pitch of the grating changes due to a temperature change, and a shift corresponding to the wavelength occurs.
そこで、樹脂にガラス繊維などの充填材を入れると、線膨張係数を1/3以下に抑制できるが、充填材が表面の平滑性を損ない、格子の光学性能を損なってしまう。このため、特許文献2では、充填材を含まない樹脂で回折格子を成型して格子の光学性能を確保しつつ、別体のハウジングを回折格子の樹脂に近い線膨張率をもつ樹脂で成型し、格子定数の熱膨張をハウジングの熱膨張で補償する技術を開示している。
Therefore, when a filler such as glass fiber is added to the resin, the linear expansion coefficient can be suppressed to 1/3 or less, but the filler impairs the smoothness of the surface and impairs the optical performance of the grating. For this reason, in
この従来技術では、補償は回折格子とハウジングとの温度差が十分小さいことが前提となる。しかし、樹脂製の回折格子やハウジングは熱伝導率が低く、特に光源を内蔵して測定物を照明し、反射光の分光分布を測定する反射特性測定装置では、前記回折格子とハウジング(特にセンサアレイが搭載され、光導入孔(スリット)が形成される印刷配線基板側)との間で温度上昇の不均一性が生じ、補償が不十分となって精度低下が避けられないという問題がある。 In this prior art, compensation is premised on the temperature difference between the diffraction grating and the housing being sufficiently small. However, resin-made diffraction gratings and housings have low thermal conductivity. In particular, in a reflection characteristic measuring apparatus that illuminates a measurement object with a built-in light source and measures the spectral distribution of reflected light, the diffraction grating and housing (especially sensors) There is a problem that non-uniformity of temperature rise occurs between the array and the light-introducing holes (slits) on the printed wiring board side), compensation is insufficient, and accuracy is inevitable. .
一方、温度による波長誤差には、上述のような格子定数の変化に起因するものだけでなく、印刷配線基板55とハウジング52や回折格子54の線膨張係数の差や形状変化に起因するものがある。しかしながら、これらの格子定数変化によらない要因の多くは、全波長一律の誤差を生じるので、たとえば本願発明者による特許文献3の方法で、補正することができる。
On the other hand, the wavelength error due to temperature is not only due to a change in the lattice constant as described above, but also due to a difference in linear expansion coefficient between the printed
本発明の目的は、樹脂製であっても、格子定数の温度依存性を小さくすることができる回折格子およびそれを用いる分光ユニット、分光計ならびに回折格子の作成方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a diffraction grating, a spectroscopic unit using the same, a spectrometer, and a method for producing the diffraction grating, which can reduce the temperature dependence of the lattice constant even if it is made of resin.
本発明の回折格子は、樹脂製の回折格子において、前記回折格子が形成される薄肉の表層部と、前記表層部よりも熱膨張係数が小さい材料によって、該表層部よりも高い剛性で、該表層部に一体成型される基部とを含むことを特徴とする。 The diffraction grating of the present invention is a resin-made diffraction grating having a thin surface layer portion on which the diffraction grating is formed and a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the surface layer portion, and having a rigidity higher than that of the surface layer portion, And a base portion formed integrally with the surface layer portion.
また、本発明の回折格子の作成方法は、樹脂製の回折格子を作成するための方法において、転写すべき前記回折格子が刻設されたコア(たとえば内型)に、第1の所定の空間を空けて第1のキャビティ(外型)を嵌め合せ、前記第1の空間に第1の樹脂材料を射出して薄肉の表層部を形成する工程と、前記第1のキャビティ(外型)に代えて、第2の所定の空間を空けて第2のキャビティ(外型)を嵌め合せ、前記第2の空間に前記第1の樹脂材料よりも熱膨張係数が小さい第2の樹脂材料を射出して、前記表層部よりも高い剛性となる基部を、前記表層部に一体成型する工程とを含むことを特徴とする。 The diffraction grating creating method of the present invention is a method for creating a resin-made diffraction grating, wherein a first predetermined space is formed in a core (for example, an inner mold) in which the diffraction grating to be transferred is engraved. And fitting a first cavity (outer mold) and injecting a first resin material into the first space to form a thin surface layer portion; and in the first cavity (outer mold) Instead, a second predetermined space is provided to fit a second cavity (outer mold), and a second resin material having a smaller thermal expansion coefficient than that of the first resin material is injected into the second space. And a step of integrally molding a base portion having higher rigidity than the surface layer portion into the surface layer portion.
上記の構成によれば、低コスト化が可能な樹脂製の回折格子において、単一材料で該回折格子を成型するのではなく、いわゆる2色成型(2材成型、複合成型)を用いて、少なくとも2つの材料で成型する。さらにその成型にあたっては、熱膨張係数が小さい材料によって高い剛性に成型する基部に、薄肉の表層部を積層し、その表層部に前記回折格子を形成(成型の際に型から転写)する。前記基部を前記表層部よりも剛性を高めるためには、該基部を厚く形成したり、リブを形成したりするなどの構造的な工夫や、材料に補強剤を分散させる等の工夫で実現することができる。 According to the above configuration, in the resin-made diffraction grating capable of reducing the cost, instead of molding the diffraction grating with a single material, so-called two-color molding (two-material molding, composite molding) Molded with at least two materials. Further, in the molding, a thin surface layer portion is laminated on a base portion that is molded with high rigidity by a material having a small thermal expansion coefficient, and the diffraction grating is formed on the surface layer portion (transferred from the mold at the time of molding). In order to increase the rigidity of the base portion than the surface layer portion, it is realized by structural measures such as forming the base portion thicker or forming ribs, or by devising a reinforcing agent in the material. be able to.
したがって、一体成型された回折格子において、その熱膨張係数は剛性の高い基部の熱膨張係数が支配的となり、該基部に成形後の熱的な安定性および好ましくは経時の安定性にも優れた樹脂材料を用いることで、回折格子を含む基部全体での熱膨張係数を小さく抑えることができる。これに対して、前記表層部には、前記補強剤などの格子表面を荒らす材料を含まない、平滑性および好ましくは成形性にも優れた樹脂材料を用いて、高い光学特性を得ることができる。こうして、低コストの樹脂製の回折格子においても、格子定数の温度依存性を小さくすることができる。 Therefore, in the integrally molded diffraction grating, the thermal expansion coefficient of the base portion having high rigidity is dominant, and the base portion is excellent in thermal stability after molding, and preferably in stability over time. By using the resin material, the coefficient of thermal expansion of the entire base including the diffraction grating can be kept small. On the other hand, the surface layer portion does not contain a material that roughens the lattice surface such as the reinforcing agent, and high optical characteristics can be obtained by using a resin material having excellent smoothness and preferably moldability. . Thus, even in a low-cost resin diffraction grating, the temperature dependence of the lattice constant can be reduced.
さらにまた、本発明の回折格子では、前記表層部は、熱膨張係数の抑制のための充填材を含まない第1の樹脂材料から成り、前記基部は、前記第1の樹脂材料に前記充填材を充填した第2の樹脂材料から成ることを特徴とする。 Furthermore, in the diffraction grating of the present invention, the surface layer portion is made of a first resin material that does not include a filler for suppressing a thermal expansion coefficient, and the base portion is formed by adding the filler to the first resin material. It consists of the 2nd resin material filled with.
上記の構成によれば、前記表層部と基部とに同一の樹脂ベースを用いることで、前記一体成型によって両者は良好に一体化する。そして、基部だけに充填材を添加することで、前記のような該基部が前記表層部よりも熱膨張係数が小さい状況を実現することができる。 According to said structure, both are favorably integrated by the said integral molding by using the same resin base for the said surface layer part and a base part. Then, by adding the filler only to the base portion, it is possible to realize a situation where the base portion has a smaller thermal expansion coefficient than the surface layer portion.
また、本発明の分光ユニットは、前記の回折格子を用い、前記基部がハウジングの少なくとも一部を構成することを特徴とする。 The spectroscopic unit of the present invention is characterized in that the diffraction grating is used, and the base portion forms at least a part of a housing.
上記の構成によれば、分光輝度計や分光測色計などの分光計に用いられ、光導入孔が形成されたハウジングに、少なくとも回折格子およびそれによる分光強度を測定するセンサを備えて成る分光ユニットにおいて、回折格子には前記の2色成型による回折格子を用い、その基部にハウジングの少なくとも一部を構成させることで、回折格子とハウジングとの結合作業や、結合に伴う調整作業が不要になり、熱的な安定性が高い分光ユニットをより低コストで実現することができる。 According to said structure, it is used for spectrometers, such as a spectroluminance meter and a spectrocolorimeter, The spectrum which comprises at least a diffraction grating and the sensor which measures the spectral intensity by it in the housing in which the light introduction hole was formed. In the unit, the diffraction grating using the above-mentioned two-color molding is used as the diffraction grating, and at least a part of the housing is formed at the base thereof, so that the work of coupling the diffraction grating and the housing and the adjustment work associated with the coupling are unnecessary. Therefore, a spectroscopic unit having high thermal stability can be realized at a lower cost.
さらにまた、本発明の分光計は、前記の分光ユニットに、その分光ユニット内の分光強度測定用のセンサからの出力を処理する処理回路を備えて成ることを特徴とする。 Furthermore, the spectrometer of the present invention is characterized in that the above-mentioned spectroscopic unit is provided with a processing circuit for processing the output from the sensor for measuring the spectral intensity in the spectroscopic unit.
上記の構成によれば、熱的な安定性が高く安価な分光計を実現することができる。 According to the above configuration, an inexpensive spectrometer having high thermal stability can be realized.
本発明の回折格子およびそれを用いる分光ユニット、分光計ならびに回折格子の作成方法は、以上のように、いわゆる2色成型(2材成型、複合成型)を用いて、熱膨張係数が小さい材料によって高い剛性に成型する基部に、薄肉の表層部を積層し、その表層部に回折格子を形成(成型の際に型から転写)する。 As described above, the diffraction grating of the present invention, the spectroscopic unit using the same, the spectrometer, and the method of creating the diffraction grating are made of a material having a small thermal expansion coefficient using so-called two-color molding (two-material molding, composite molding). A thin surface layer portion is laminated on a base portion to be molded with high rigidity, and a diffraction grating is formed on the surface layer portion (transferred from a mold at the time of molding).
それゆえ、一体成型された回折格子において、その熱膨張係数は剛性の高い基部の熱膨張係数が支配的となるので、該基部に成形後の熱的な安定性および好ましくは経時の安定性にも優れた樹脂材料を用いることで、回折格子を含む基部全体での熱膨張係数を小さく抑えることができるとともに、前記表層部には、補強剤などの格子表面を荒らす材料を含まない、平滑性および好ましくは成形性にも優れた樹脂材料を用いることで、高い光学特性を得ることができる。こうして、低コストの樹脂製の回折格子においても、格子定数の温度依存性を小さくすることができる。 Therefore, in the integrally molded diffraction grating, the coefficient of thermal expansion is dominated by the coefficient of thermal expansion of the base portion having high rigidity. In addition, it is possible to keep the coefficient of thermal expansion of the entire base including the diffraction grating small by using an excellent resin material, and the surface layer does not include a material that roughens the grating surface such as a reinforcing agent, and is smooth. High optical characteristics can be obtained by using a resin material having excellent moldability. Thus, even in a low-cost resin diffraction grating, the temperature dependence of the lattice constant can be reduced.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の一形態に係る分光ユニット1の断面図である。この分光ユニット1は、一面を開放した箱形のハウジング2の内底面2aに反射型の凹面回折格子4が形成され、その箱を閉止する印刷配線基板5に、光導入孔(スリット)6が形成されるとともに、前記光導入孔6から入射し、前記回折格子4で分光された各波長の光強度を同時測定するセンサアレイ7が設けられて構成されている。前記印刷配線基板5に、前記センサアレイ7からの出力を処理する処理回路を備えて、分光輝度計や分光測色計などに組み込まれる分光計が構成される。以上の構成は、前述の図4で示す分光ユニット51と同様である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a spectroscopic unit 1 according to an embodiment of the present invention. In this spectroscopic unit 1, a reflective
注目すべきは、この分光ユニット1では、コスト低減のために前記回折格子4を樹脂製とし、さらに該回折格子4をハウジング2に一体成型することで、組み立てに伴うコストならびに誤差を低減して、一層のコスト低減を実現するにあたって、さらにその樹脂製の回折格子4を第1の樹脂材料による射出成型で薄肉の表層部4aに形成し、その表層部4aに、第2の樹脂材料による射出成型で、基部となる前記ハウジング2を、いわゆる2色成型(2材成型、複合成型)を用いて一体成型することである。
It should be noted that in this spectroscopic unit 1, the
そして、前記第1の樹脂材料には、ガラス繊維などの格子表面を荒らす材料を含んでおらず、平滑性および好ましくは成形性にも優れた樹脂材料、たとえばポリカーボネイトが用いられる。また、前記第2の樹脂材料には、第1の樹脂材料に、前記ガラス繊維などの熱膨張係数が小さい補強材と、遮光のための黒色顔料とが充填材として添加される。さらに、薄肉の表層部4aに比べて、基部であるハウジング2が厚肉に形成されており、これによってハウジング2は表層部4aに比べて格段に高い剛性に形成される。この他にも、前記剛性を高めるために、リブを形成するなどの構造的な配慮を施すこともできる。また、前記第2の樹脂材料の充填材には、前記のガラス繊維(針状)に限らず、成型後の等方的な安定性を得るために、ディスク状あるいは球状の充填材を用いてもよい。
The first resin material does not include a material that roughens the lattice surface such as glass fiber, and a resin material that is excellent in smoothness and preferably moldability, such as polycarbonate, is used. In addition, a reinforcing material having a small thermal expansion coefficient such as the glass fiber and a black pigment for light shielding are added to the first resin material as fillers. Furthermore, the
図2は、前記表層部4aおよびハウジング2の成型過程の一例を示す断面図である。前記2色成型(2材成型、複合成型)は、1つのコア型(内型)11に、異なる形状の2つのキャビティ型(外型)12,13を組み合わせて行われる。前記回折格子4を転写するための格子型11aは、コア型11の凸面部11bに形成されている。そして、先ず図2(a)で示すように、コア型11と第1のキャビティ型12とが嵌め合せられ、格子型11a面を含む狭い間隙(第1の空間)に、前述のようなガラス繊維を含まない第1の樹脂材料が射出され、凹面の回折格子4を含む薄肉の表層部4aが形成される。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the molding process of the
次に、図2(b)で示すように、エジェクターピンなどで前記表層部4aがコア型11に付着した状態で、第1のキャビティ型12が外される。代わって、図2(c)で示すように、表層部4aが付着したコア型11に第2のキャビティ型13が嵌め合せられ、ハウジング2を形成する比較的広い間隙(第2の空間)に、前記ガラス繊維と黒色顔料とを充填した第2の樹脂材料が射出され、ハウジング2が表層部4aに融合および密着し、それらは一体に形成されることになる。その後、図2(d)で示すように、第2のキャビティ型13およびコア型11が外され、凹面の回折格子4と一体化されたハウジング2が取り出されて成型が終了する。
Next, as shown in FIG. 2B, the
このように前記表層部4aとハウジング2とを異なる樹脂材料で成型する成型法には、2つのキャビティ型12,13を用いる上述の2色成型法に限らず、1つのキャビティ型13を用い、先ず第1の樹脂材料をコアに射出して前記表層部4aを成型した後、第2の樹脂材料を射出・充填してハウジング2を成型するサンドイッチ成型法を用いることもできる。その後、コア型11から外された表層部4aと一体化したハウジング2の回折格子4の部分にのみアルミ蒸着されて、反射型凹面回折格子が形成される。
As described above, the molding method for molding the
一方、前記印刷配線基板5には、予めセンサアレイ7が取付けられるとともに、前記光導入孔6と、位置決め用の孔5aとが穿設されている。このような印刷配線基板5に、前記のように作成されたハウジング2が、その取付け用のフランジ2cに立設された位置決め用のピン2bを前記孔5aに嵌め込んで位置決めされ、接着されることで組付けられる。必要に応じて、前記印刷配線基板5や別途の基板に前記センサアレイ7からの出力を処理する処理回路が取付けられて、分光計が完成する。
On the other hand, a
このように構成することで、低コスト化が可能な樹脂製の回折格子4と、ハウジング2とを、それぞれに適した材料で、いわゆる2色成型(2材成型、複合成型)を用いて一体成型することで、熱膨張係数については剛性の高いハウジング2に支配されて小さく抑えられ、光学的には平滑性に優れた材料を用いて高い特性をもつ回折格子4を得ることができる。こうして、低コストな樹脂製の回折格子4においても、格子定数の温度依存性を小さくすることができる。
With this configuration, the
また、前記回折格子4を形成する表層部4aとハウジング2とに同一の樹脂ベースを用いることで、前記一体成型によって両者は良好に一体化(融合および密着)する。そして、ハウジング2だけに少なくとも前記熱膨張係数の抑制のための充填材を添加することで、前記のように該ハウジング2の熱膨張係数を前記表層部4aよりも小さくすることができる。
Further, by using the same resin base for the
さらにまた、光導入孔6が形成されたハウジング2に、少なくとも回折格子4およびそれによる分散光を受光するセンサアレイ7を備えて成る分光ユニット1において、回折格子4には前記の2色成型による回折格子を用い、その回折格子4の基部にハウジング2の少なくとも一部を構成させることで、回折格子4とハウジング2との結合作業や、結合に伴う調整作業が不要になり、熱的な安定性が高い分光ユニットをより低コストで実現し、分光輝度計や分光測色計などに組み込まれる分光計に用いることができる。
Furthermore, in the spectroscopic unit 1 in which the
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の他の形態に係る分光ユニット21のブロック図である。この分光ユニット21は、前述の分光ユニット1に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。前述の分光ユニット1では、前記回折格子4を備えるハウジング2が印刷配線基板5に直付けされているのに対して、注目すべきは、本実施の形態の分光ユニット21では、ハウジング22の開口部分にもう1つのハウジング23が接合され、そのハウジング23に、前記センサアレイ7を搭載した印刷配線基板25が取付けられることである。このため、前記光導入孔6はハウジング23に形成され、この光導入孔6には光ファイバ26によって被測定光が入射する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a block diagram of a
前記ハウジング23もハウジング2と同様に、樹脂ベースに、前記ガラス繊維などの熱膨張係数が小さい補強材および遮光のための黒色顔料が充填材として添加された前記第2の樹脂材料が用いられ、厚肉(高剛性)に成型される。そして、図示しない位置決め部材によって位置決めされた後、開口の端面2d,23d同士が接着される。
Similarly to the
このように構成することで、2つのハウジング部品が必要になるが、光導入孔6の位置や入射方向、センサアレイ7の位置や受光面の方向について、より大きな設計自由度を得ることができる。
With this configuration, two housing parts are required, but a greater degree of design freedom can be obtained with respect to the position and incident direction of the
1,21 分光ユニット
2,22,23 ハウジング
2a 内底面
4 回折格子
4a 表層部
5,25 印刷配線基板
6 光導入孔
7 センサアレイ
11 コア型
11a 格子型
11b 凸面部
12 第1のキャビティ型
13 第2のキャビティ型
26 光ファイバ
1, 21
Claims (5)
前記回折格子が形成される薄肉の表層部と、
前記表層部よりも熱膨張係数が小さい材料によって、該表層部よりも高い剛性で、該表層部に一体成型される基部とを含むことを特徴とする回折格子。 In resin diffraction grating,
A thin surface layer portion on which the diffraction grating is formed;
A diffraction grating comprising: a base having a lower thermal expansion coefficient than that of the surface layer portion, and a base portion integrally molded with the surface layer portion with higher rigidity than the surface layer portion.
転写すべき前記回折格子が刻設されたコアに、第1の所定の空間を空けて第1のキャビティを嵌め合せ、前記第1の空間に第1の樹脂材料を射出して薄肉の表層部を形成する工程と、
前記第1のキャビティに代えて、第2の所定の空間を空けて第2のキャビティを嵌め合せ、前記第2の空間に前記第1の樹脂材料よりも熱膨張係数が小さい第2の樹脂材料を射出して、前記表層部よりも高い剛性となる基部を、前記表層部に一体成型する工程とを含むことを特徴とする回折格子の作成方法。 In a method for creating a resin diffraction grating,
The first cavity is fitted into the core on which the diffraction grating to be transferred is engraved, the first resin material is injected into the first space, and a thin surface layer portion is formed. Forming a step;
Instead of the first cavity, a second predetermined space is provided to fit the second cavity, and the second resin material has a smaller thermal expansion coefficient than the first resin material in the second space. And a step of integrally molding a base portion having higher rigidity than the surface layer portion into the surface layer portion.
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