JP2011047693A - 光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】低いコストで、波長が異なる多数の光を検出し得る、光学ユニットを提供する。
【解決手段】透過する光を分光するフィルタ部材１と、複数の受光素子を有する光検出器２とを備えている。フィルタ部材１は、光透過性を有する基板と、基板の一方の面上に金属材料で形成された複数の凸部と、金属材料よりも屈折率の高い酸化金属材料によって、複数の凸部と共に基板の一方の面を覆うように形成された金属酸化膜とを備えている。複数の凸部は、隣り合う凸部間に存在する金属酸化膜が回折格子となり、凸部が導波路となるように配置される。回折格子の格子周期、凸部の高さ、及び金属酸化膜の厚みの少なくとも一つは、フィルタ部材を透過する光の波長が部分毎に変化するように、部分毎に異なる値に設定されている。光検出器２は、複数の受光素子２１それぞれが、フィルタ部材１を透過する光を受光するように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物からの透過光又は反射光に対してスペクトル分析を行うための光学ユニットに関する。

近年、種々の分野において、分光光度計が、盛んに利用されている。分光光度計は、測定対象物に波長の異なる光を照射して、測定対象物のスペクトル分布（分光密度）を測定する装置である。

一般に、分光光度計は、光学ユニットと、制御ユニットとを備えている。光学ユニットは、主に、分光器、及び光検出器によって構成されている。また、分光光度計は、受光用の光学ユニットに加えて、光源用の光学ユニットを備えている場合もある。

光学ユニットにおいて、分光器は、対象物からの透過光又は反射光を特定波長の光に分光する。光検出器は、分光された光を検出し、検出した光の光量に応じて信号を出力する。このとき、出力は、検出した光の波長毎に行われる。そして、制御ユニットでは、出力された信号毎に、検出された光の輝度が算出される。この結果、スペクトル分布が得られる。

ところで、光学ユニットを構成する分光器としては、従来から、プリズムが知られている。但し、分光器としてプリズムを採用すると、光学ユニット、ひいては、分光光度計が大型化し易く、また分光光度計のコスト低減が困難となる。このような問題を解消するため、分光器として、特定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタを用いた分光光度計が提案されている（特許文献１参照。）。

特許文献１は、透過波長が異なる３枚のバンドパスフィルタと、各バンドパスフィルタに対応する３つの受光素子とを備えた光学ユニットを開示している。この光学ユニットでは、各バンドバンドパスフィルタは、シート状を呈し、主面が一致するように配置されている。また、各受光素子は、対応するバンドパスフィルタを透過した光を受光するように配置されている。よって、受光された光の波長に応じて、対応する受光素子が信号を出力する。

このように、特許文献１に開示の光学ユニットでは、３枚のシート状のバンドパスフィルタが分光器として機能している。従って、特許文献１に開示の光学ユニットを用いれば、簡単な構成で波長の異なる３種類の光を測定することができる。また、特許文献１に開示されている光学ユニットと同様の光学ユニットが、特許文献２にも開示されている。

特開平０５−２４９０３２号公報 特開２００２−２９６１１６号公報

ところで、一般的なバンドパスフィルタは、ガラス基板上に金属膜や酸化膜を形成することによって作成されるが、このようなバンドパスフィルタでは、透過波長の帯域を狭くすることが困難である。このため、特許文献１及び２に開示された光学ユニットには、測
定波長の種類を増やすことが難しく、スペクトル分析の精度を向上させることができないという問題がある。

また、特許文献１及び２に開示された光学ユニットでは、複数のバンドパスフィルタを別々に作成し、その後、これらを繋ぎ合せる必要がある。このため、分光器の製造コストの低減は難しく、特許文献１及び２に開示された光学ユニットを用いた場合であっても、分光光度計のコスト低減効果は低いと考えられる。

本発明の目的は、上記問題を解消し、低いコストで、波長が異なる多数の光を検出し得る、光学ユニットを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明における光学ユニットは、透過する光を分光するフィルタ部材と、複数の受光素子を有する光検出器とを備え、
前記フィルタ部材は、光透過性を有する基板と、前記基板の一方の面上に第１の金属材料で形成された複数の凸部と、前記第１の金属材料よりも屈折率の高い第２の金属材料によって、前記複数の凸部と共に前記基板の前記一方の面を覆うように形成された金属膜とを備え、
前記複数の凸部は、隣り合う凸部間に存在する前記金属膜が回折格子となり、前記凸部が導波路となるように配置され、
前記回折格子の格子周期、前記凸部の高さ、及び前記金属膜の厚みの少なくとも一つは、前記フィルタ部材を透過する光の波長が部分毎に変化するように、前記部分毎に異なる値に設定され、
前記光検出器は、前記複数の受光素子それぞれが、前記フィルタ部材を透過する光を前記部分毎に受光するように配置されている、ことを特徴とする。

以上の特徴により、本発明における光学ユニット及び測定装置によれば、低いコストで、波長が異なる他数の光を検出することができる。

図１は、本発明の実施の形態における光学ユニットの概略構成を示す断面図である。 図２は、図１に示されたフィルタ部材の構成を拡大して示す断面図である。 図３は、図１に示されたフィルタ部材の構成を説明するための斜視図である。 図４は、図１に示されたフィルタ部材の機能を説明するための断面図である。 図５は、図１に示されたフィルタ部材の各部分と透過光の周波数との関係を示す図である。図５（ａ）は、図１に示されたフィルタ部材の各部分を示す図であり、図５（ｂ）は、フィルタ部材に入射する混在光の一例を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態における光学ユニットの他の例の概略構成を示す断面図である。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態における光学ユニットについて、図１〜図６を参照しながら説明する。最初に、図１〜図３を用いて、本実施の形態における光学ユニットの構成について説明する。

図１は、本発明の実施の形態における光学ユニットの概略構成を示す断面図である。図２は、図１に示されたフィルタ部材の構成を拡大して示す断面図である。図３は、図１に
示されたフィルタ部材の構成を説明するための斜視図である。なお、図２においては、凸部の断面にのみハッチングが施されている。

図１に示すように、本実施の形態における光学ユニット１０は、透過する光を分光するフィルタ部材１と、複数の受光素子２２を有する光検出器２とを備えている。図１において、３は、光学ユニット１０のフレームとなる基盤３である。また、フィルタ部材１は治具によって基盤３に固定されているが、図１において治具の記載は省略している。

また、図２に示すように、フィルタ部材１は、光透過性を有する基板１１と、基板１１の一方の面上に形成された複数の凸部１２と、複数の凸部１２と共に基板１２の一方の面を覆う金属膜１３とを備えている。

各凸部１２は、第１の金属材料によって形成され、金属膜１３は、第１の金属材料よりも屈折率の高い第２の金属材料によって形成されている。更に、図２及び図３に示すように、複数の凸部１２は、隣り合う凸部１２間に存在する金属膜が回折格子１５となり、各凸部１２が導波路１４となるように配置されている。

そして、フィルタ部材１において、回折格子１５の格子周期ｐ、凸部１２の高さｈ、及び金属膜１３の厚みｔの少なくとも一つは、フィルタ部材１を透過する光の波長が部分毎に変化するように、部分毎に異なる値に設定されている。つまり、フィルタ部材１は、その部分毎に、透過光の波長が異なるように形成されている。なお、回折格子１５の格子周期ｐは、実質的には、図２に示すように、隣り合う凸部１２間における一の凸部１２の一方側の側面から他の凸部１２の同じく一方側の側面までの距離である。

ここで、更に、図１〜図３に加えて図４を用い、本実施の形態で用いられるフィルタ部材１の機能について具体的に説明する。図４は、図１に示されたフィルタ部材の機能を説明するための断面図である。なお、図４では、説明のためハッチングの記載は省略している。

上述したように、凸部１２間に存在する金属膜１３は、回折格子１５を形成している（図４参照）。このとき、金属膜１３が回折格子として機能するようにするため、回折格子の格子周期ｐは、透過光の波長が異なる部分毎に、当該部分において透過することが求められている光の波長よりも短くなるように設定されている。また、複数の凸部１２は、回折格子１５の性能の点から、それぞれ角柱状に形成され、更に、図３に示すように、マトリクス状に配置されているのが好ましい。

そして、図４に示すように、凸部１２は、サブ波長格子となるので、導波路１４として機能し、フィルタ部材１に入射した入射光Ｌ１は、凸部１２の中をエバネセント波として伝搬する。但し、入射光Ｌ１に含まれる光のうち、設定された周波数の光のみが、基板１１に達し、基板１１を透過する。それ以外の周波数の光は、基板１１で反射される。図４の例では、入射光Ｌ１が、波長λ１の光と、波長λ２の光と、波長λ３の光とを含む混在光であり、このうち、波長λ１の光のみがフィルタ部材１を透過する。

透過光の波長の選択は、図２〜図４に示したフィルタ部材１では、回折格子１５の形状、フィルタ部材１を構成する各部材の屈折率、及び凸部１２の消衰係数を適宜設定することによって行うことができる。このうち、回折格子１５の形状は、回折格子１５の格子周期ｐ、凸部１２の高さｈ、金属膜１３の厚みｔによって設定できる。また、凸部１２の消衰係数は、凸部１２の高さｈに依存する値である。

従って、回折格子１５の格子周期ｐ、凸部１２の高さｈ、金属膜１３の厚みｔ、及び各
部材の屈折率のうちいずれかを部分毎に変えることにより、部分毎に透過光の波長が異なるフィルタ部材１を得ることが可能となる。具体的には、凸部１２の高さｈを高くすれば、透過光の波長は、長波長側へとシフトする傾向にある。同様に、回折格子１５の格子周期ｐを広くした場合、基板１１の屈折率を大きくした場合も、透過光の波長は、長波長側へとシフトする傾向にある。

但し、実際には、部分毎に、各部材の屈折率を変えることは困難であるため、本実施の形態では、各部分の透過光の波長は、回折格子１５の格子周期ｐ、凸部１２の高さｈ、及び金属膜１３の厚みｔによって設定される。更に、透過光は、実際には狭帯域の波長を持っており、透過光の波長の設定は、狭帯域における中心波長について行われる。

また、基板１１、凸部１２、及び金属膜１３の形成材料は、目的の波長の光が透過し易いように適宜設定すれば良い。例えば、透過光が赤外領域にある光の場合を例に挙げると、基板１１の形成材料としては、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）が挙げられる。この場合、基板１１は、いわゆる石英基板である。また、凸部１２を形成する第１の金属材料としては、金（Ａｕ）又は金（Ａｕ）を含む合金が挙げられる。更に、金属膜１３の形成材料としては、酸化チタン（ＴｉＯ_２）が挙げられる。

ここで、透過光が赤外領域にある光の場合において、例えば、透過光の中心波長を１．４８μｍに設定する例について説明する。金属膜１３を形成する酸化チタンの屈折率は「１．９０４」、基板１１を形成する酸化シリコンの屈折率は「１．４６５」、金の反射率は「０．９４４」である。また、凸部１２の高さｈを「６２μｍ」に設定するとする。そして、金の屈折率と消衰係数としては、無数の値が存在するが、上記の例では、金の屈折率が「０．５０」、消衰計数が「７．１」であるとする。このような例では、回折格子１５の格子周期ｐは「１０６４．７μｍ」、及び金属膜１３の厚みｔは「１３４μｍ」に設定すれば良い。

このような構成により、フィルタ部材１に混在光が入射すると、上述した機能により、混在光に含まれる複数の光は、フィルタ部材１の各部分によって分光される。この点について図５を用いて説明する。図５は、図１に示されたフィルタ部材の各部分と透過光の周波数との関係を示す図である。図５（ａ）は、図１に示されたフィルタ部材の各部分を示す図であり、図５（ｂ）は、フィルタ部材に入射する混在光の一例を示す図である。

図５（ａ）に示すように、フィルタ部材１は、透過光の波長が異なる８つの部分Ａ１〜Ａ８を備えている。このため、図５（ｂ）に示す混在光が、入射光としてフィルタ部材１に入射すると、各光は、その波長の光が透過可能な部分でのみ透過し、他の部分では反射される。例えば、図５（ｂ）中の最も波長の短い光は、部分Ａ１を透過する。

また、基板１１として石英基板が用いられ、凸部１２の形成材料が金であり、金属膜１３の形成材料が酸化チタンである場合は、フィルタ部材は、以下の製造工程によって作製することができる。

先ず、基盤１１となる石英基板に、次工程で形成する金の膜との密着性を高めるための前処理が実行される。次に、石英基板の一方の面に、スパッタリング処理等によって、金の膜を形成する。

次に、金の膜の上に、当該膜を凸部１２に成形するため、レジストパターンが形成される。具体的には、先ず、金の膜の上に、電子線（Electron Beam : EB）レジストがコーティングされ、その後、電子線描画装置によって、ＥＢレジストが、設定されたパターン形状に加工される。このレジストパターンの形状により、隣り合う凸部１２間の格子周期ｐ
を部分毎に異なった値に設定できる。

次に、レジストパターンをマスクとしてエッチングを実施し、レジストパターンを除去すると、図３に示された状態となる。図３に示された状態で、一部の凸部１２の高さｈを低くする場合は、低くする必要のない凸部１２の上部のみを被覆するマスクが作成され、そして、エッチングが実行される。

その後、蒸着処理によって、凸部１２を含む基板１１の一方の面を覆う酸化チタンの金属膜１３が形成される。また、金属膜１３の厚みｔを一部において薄くする場合は、薄くしない部分のみを被覆するマスクが作成され、その後、エッチングが実行される。以上の工程により、フィルタ部材１が完成する。

また、図１に示すように、光検出器２は、複数の受光素子２２それぞれが、フィルタ部材１を透過する光を受光するように配置されている。このため、透過光は、フィルタ部材１の部分毎に、異なる受光素子２２によって受光され、検出される。

本実施の形態では、光検出器２は、複数の受光素子２２がマトリクス状に形成された半導体基板２１を有する固体撮像装置、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像装置、又はＭＯＳ型撮像装置であるのが好ましい。固体撮像装置を用いた場合は、フィルタ部材の一つの部分に対して、複数個の受光素子２２を割り当てることができるため、確実に透過光を検出することができる。

以上のように、本実施の形態で用いられるフィルタ部材１では、微細な回折格子によって透過する光を選択することができるため、上記特許文献１及び２に示されたフィルタ部材に比べて、透過波長の帯域を狭くすることができる。このため、本実施の形態における光学ユニットによれば、波長の異なる多数の光を検出することができ、スペクトル分析の精度を向上させることができる。

更に、本実施の形態で用いられるフィルタ部材１では、透過光の波長が互いに異なる部分は、一度に一体的に作製されるので、上記特許文献１及び２に示されたフィルタ部材に比べて作製コストも低減される。このため、本実施の形態における光学ユニット１０、ひいては、これを用いた分光光度計におけるコストの低減化も可能となる。

また、本実施の形態では、光学ユニット１０は、更に、図６に示す例とすることもできる。図６は、本発明の実施の形態における光学ユニットの他の例の概略構成を示す断面図である。図６に示す例では、光学ユニット１０は、スリット部材４と、コリメータレンズ５とを備えている。

よって、図６に示す例によれば、対象物からの光が拡散光である場合に、この拡散光は、コリメータレンズ５によって平行光に変換される。そして、平行光のうちスリット部材４を通過した光のみが、フィルタ部材１に入射する。光学ユニット１０において、図６に示す例を採用した場合は、対象物からの光を効率良くフィルタ部材１に入射させることができるので、光学ユニット１０を用いた光検出の精度を高めることができる。

以上のように、本発明によれば、低いコストで、波長が異なる多数の光を検出できる光学ユニットを提供することができる。本発明は、対象物からの透過光又は反射光に対してスペクトル分析を実行する装置に有用である。

１ フィルタ部材
２ 光検出器
３ 基盤
４ スリット部材
５ コリメータレンズ
１０ 光学ユニット
１１ 基板
１２ 凸部
１３ 金属膜
１４ 導波路
１５ 回折格子
２１ 半導体基板
２２ 受光素子

Claims (5)

1. 透過する光を分光するフィルタ部材と、複数の受光素子を有する光検出器とを備え、
   前記フィルタ部材は、光透過性を有する基板と、前記基板の一方の面上に第１の金属材料で形成された複数の凸部と、前記第１の金属材料よりも屈折率の高い第２の金属材料によって、前記複数の凸部と共に前記基板の前記一方の面を覆うように形成された金属膜とを備え、
   前記複数の凸部は、隣り合う凸部間に存在する前記金属膜が回折格子となり、前記凸部が導波路となるように配置され、
   前記回折格子の格子周期、前記凸部の高さ、及び前記金属膜の厚みの少なくとも一つは、前記フィルタ部材を透過する光の波長が部分毎に変化するように、前記部分毎に異なる値に設定され、
   前記光検出器は、前記複数の受光素子それぞれが、前記フィルタ部材を透過する光を受光するように配置されている、ことを特徴とする光学ユニット。
2. 前記回折格子の格子周期が、前記部分毎に、当該部分において透過することが求められている光の波長よりも短くなるように形成されている、請求項１に記載の光学ユニット。
3. 前記基板の形成材料が酸化シリコンを含み、前記第１の金属材料が金（Ａｕ）を含み、前記第２の金属材料が酸化チタンを含む、請求項１または２に記載の光学ユニット。
4. 前記複数の凸部が、角柱状に形成され、且つ、マトリクス状に配置されている、請求項１〜３のいずれかに記載の光学ユニット。
5. 前記光検出器が、複数の受光素子がマトリクス状に形成された半導体基板を有する固体撮像装置である、請求項１〜４のいずれかに記載の光学ユニット。
   

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