JP2017215372A - Diffraction grating, spectroscope, spectroscopic device, and analyzing device - Google Patents

Diffraction grating, spectroscope, spectroscopic device, and analyzing device Download PDF

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政士 末松
Masashi Suematsu
政士 末松
英剛 野口
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英剛 野口
安住 純一
Junichi Azumi
純一 安住
英記 加藤
Hideki Kato
英記 加藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diffraction grating so structured that the diffraction grating and a drive mechanism are integrated and made compact, and characterized in that a voltage in driving is a low voltage and a power consumption is reducible.SOLUTION: A diffraction grating comprises: a coupling member 20 which has a plurality of grating units 21 arrayed on the same plane at substantially equal intervals and varies intervals between adjacent grating units 21; a casing 11 to which both ends of the coupling member 20 are fixed; and driving means 30 for driving and displacing the coupling member 20. The coupling member 20 consists of an elastic coupling body 12 and a moving body 15 driven by the driving means 30, the driving means 30 comprises a piezoelectric element 13 and a vibration body 14 where a plurality of projection parts 14a capable of abutting on an edge part of the moving body 15 are formed. The moving body 15 is displaced by transmitting vibration that the piezoelectric element 13 generates through the vibration body 14, and the elastic coupling body 12 expands and contracts as the moving body 15 is displaced.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、回折格子、分光器、分光装置および分析装置に関する。   The present invention relates to a diffraction grating, a spectroscope, a spectroscopic device, and an analysis device.

回折格子は、周期的に配置された格子を有し、入射した光の回折干渉を応用する分光素子である。その分光特性は光の入射角と格子周期に依存することが知られている。
回折格子は、分光器、波長フィルタ、光変調器、光検出器等に応用されている。
The diffraction grating is a spectroscopic element that has a periodically arranged grating and applies diffraction interference of incident light. It is known that the spectral characteristics depend on the incident angle of light and the grating period.
The diffraction grating is applied to a spectroscope, a wavelength filter, an optical modulator, a photodetector, and the like.

回折格子の波長特性を変化させる技術としては、回折格子の向きを変化させて光の入射角度を変える方法がある。この方法では、回折格子自体を回転させることにより光の入射角を変化させ、出射角を制御するものが主流である。しかしながら、機械的な回転機構(回転させるためのスペース)や、駆動制御部品等が必要となるため、装置の大型化をまねくという問題がある。   As a technique for changing the wavelength characteristics of the diffraction grating, there is a method of changing the incident angle of light by changing the direction of the diffraction grating. In this method, the mainstream method is to change the incident angle of light by rotating the diffraction grating itself and control the emission angle. However, since a mechanical rotation mechanism (a space for rotation), a drive control component, and the like are required, there is a problem that the apparatus is increased in size.

これに対し、回折格子の周期を変化させることにより回折格子の波長特性を変化させる方法では、例えば、MEMS(Micro-electro-mechanical system)技術を用いることによって微細な機構を作製することができ、装置を小型化することができる。   On the other hand, in the method of changing the wavelength characteristics of the diffraction grating by changing the period of the diffraction grating, for example, a fine mechanism can be produced by using MEMS (Micro-electro-mechanical system) technology, The apparatus can be miniaturized.

具体的には、リボン状の回折素子をシリコン基板上に一列に並べた構造において、固定された回折素子と静電力で引き込むことで下方に湾曲可能な回折素子とを交互に設け、バイアスを印加することで可動する回折素子を下方に湾曲させ、凹凸面を形成することにより回折光を生ずるという機構の回折格子が知られている。   Specifically, in a structure in which ribbon-shaped diffractive elements are arranged in a line on a silicon substrate, fixed diffractive elements and diffractive elements that can be bent downward by drawing in electrostatic force are alternately provided, and a bias is applied. A diffraction grating having a mechanism of generating diffracted light by bending a movable diffraction element downward and forming an uneven surface is known.

このようなMEMS技術を用いた回折格子構造によれば、小さな機械的変位で大きな光学変調が得られる。また高速の応答が可能であり、さらに機械的な信頼性も高い。
しかしながら、上述の例では、リボン状の回折素子を下方に湾曲させることに伴う構造の複雑化や製造の困難さ、さらに光学的な自由度が制限される等の点で改善の余地があった。そこで、これを改善する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
According to the diffraction grating structure using such MEMS technology, a large optical modulation can be obtained with a small mechanical displacement. In addition, high-speed response is possible, and mechanical reliability is high.
However, in the above-described example, there is room for improvement in terms of the complexity of the structure and the difficulty in manufacturing due to the downward bending of the ribbon-shaped diffraction element, and the limitation of the optical degree of freedom. . Therefore, a technique for improving this has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1には、同一面上において第1の方向に併設された複数の梁体を備え、前記第1の方向にみた前記梁体の間隔が可変とされ、前記第1の方向にみた前記梁体の配置が第1の周期を有する第1の状態と、前記第1の方向にみた前記梁体の配置が前記第1の周期とは異なる第2の周期を有する第2の状態と、を選択的に形成可能である回折格子が開示されている。   Patent Document 1 includes a plurality of beam bodies arranged side by side in the first direction on the same plane, and the interval between the beam bodies viewed in the first direction is variable, A first state in which the arrangement of the beam bodies has a first period; and a second state in which the arrangement of the beam bodies in the first direction has a second period different from the first period; A diffraction grating is disclosed that can be selectively formed.

しかしながら、特許文献1に記載の回折格子の動作は高電圧(静電)駆動であることから、電力消費が多くなるという問題がある。また、依然として複雑な構造であることから、コスト増大や歩留まりの低下といった問題が解消されない可能性がある。   However, since the operation of the diffraction grating described in Patent Document 1 is high voltage (electrostatic) driving, there is a problem that power consumption increases. Further, since the structure is still complicated, there is a possibility that problems such as an increase in cost and a decrease in yield may not be solved.

そこで本発明は、回折格子と駆動機構とが一体化および小型化された構造であるとともに、駆動時の電圧が低電圧であり消費電力を低減可能な回折格子を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a diffraction grating that has a structure in which a diffraction grating and a driving mechanism are integrated and miniaturized, and that can be driven at a low voltage and can reduce power consumption.

かかる目的を達成するため、本発明に係る回折格子は、同一面上において複数配列された格子単位を有し、隣接した前記格子単位の間隔を可変とする結合部材と、前記結合部材の前記格子単位配列方向の両端部を固定する筐体と、前記結合部材を駆動して前記格子単位配列方向に変位させる駆動手段と、を備え、前記結合部材は、弾性結合体及び前記駆動手段により駆動される移動体からなり、前記駆動手段は、圧電素子と、前記移動体の縁部と当接可能な複数の凸状部が形成された振動体とを備え、前記振動体を介して前記圧電素子によって発生した振動を伝達して前記移動体を変位させ、前記移動体の変位に伴って前記弾性結合体が伸縮することを特徴とする。   In order to achieve this object, a diffraction grating according to the present invention has a plurality of grating units arranged on the same plane, and a coupling member that can vary the interval between adjacent grating units, and the grating of the coupling member A housing that fixes both ends in the unit arrangement direction, and a driving unit that drives the coupling member to displace it in the lattice unit arrangement direction, and the coupling member is driven by an elastic coupling body and the driving unit. The driving means includes a piezoelectric element and a vibrating body formed with a plurality of convex portions that can come into contact with an edge of the moving body, and the piezoelectric element is interposed via the vibrating body. The moving body is displaced by transmitting the vibration generated by the movement, and the elastic coupling body expands and contracts with the displacement of the moving body.

本発明によれば、回折格子と駆動機構とが一体化および小型化された構造であるとともに、駆動時の電圧が低電圧であり消費電力を低減可能な回折格子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a diffraction grating that has a structure in which the diffraction grating and the drive mechanism are integrated and miniaturized, and that the voltage at the time of driving is low and power consumption can be reduced.

本発明の一実施形態にかかる回折格子の上面図である。It is a top view of the diffraction grating concerning one Embodiment of this invention. 回折格子を構成する弾性結合体(回折格子部)の斜視図である。It is a perspective view of the elastic coupling body (diffraction grating part) which comprises a diffraction grating. 回折格子部の製造工程の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the manufacturing process of a diffraction grating part. 駆動手段による移動体の変位を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the displacement of the moving body by a drive means. 本発明の一実施形態にかかる分光器の断面図である。It is sectional drawing of the spectrometer concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる分光装置の断面図である。It is sectional drawing of the spectrometer concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる分析装置の構造図である。1 is a structural diagram of an analyzer according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明に係る回折格子、分光器、分光装置および分析装置について、図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。   Hereinafter, a diffraction grating, a spectroscope, a spectroscopic device, and an analysis device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below, and other embodiments, additions, modifications, deletions, and the like can be changed within a range that can be conceived by those skilled in the art, and any aspect is possible. As long as the functions and effects of the present invention are exhibited, the scope of the present invention is included.

本実施形態の回折格子を図1及び図2に基づき説明する。
図1は、本発明の回折格子の一実施形態を示す上面図であり、図2は、回折格子を構成する弾性結合体(回折格子部)の斜視図である。
The diffraction grating of this embodiment is demonstrated based on FIG.1 and FIG.2.
FIG. 1 is a top view showing an embodiment of the diffraction grating of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of an elastic coupling body (diffraction grating portion) constituting the diffraction grating.

本実施形態の回折格子は、同一面上において略等間隔に複数配列された格子単位21を有し、隣接した格子単位21の間隔を可変とする結合部材20と、結合部材20の格子単位配列方向の両端部を固定する筐体11と、結合部材20を駆動して格子単位配列方向に変位させる駆動手段30と、を備える。
結合部材20は、弾性結合体12及び駆動手段30により駆動される移動体15を有する。
駆動手段30は、圧電素子13と、移動体15の縁部と当接可能な複数の凸状部14aが形成された振動体14とを備え、振動体14を介して圧電素子13によって発生した振動を伝達して移動体15を変位させる。
そして、移動体15の変位に伴って弾性結合体12が伸縮する。
弾性結合体12は、断面が矩形凹凸状の周期的構造からなり、移動体15の変位に伴って格子単位21の間隔が変化する。
The diffraction grating according to the present embodiment includes a plurality of grating units 21 arranged at substantially equal intervals on the same plane, and a coupling member 20 in which the interval between adjacent grating units 21 is variable, and a grating unit arrangement of the coupling members 20. And a driving means 30 for driving the coupling member 20 to displace it in the lattice unit arrangement direction.
The coupling member 20 includes a movable body 15 driven by the elastic coupling body 12 and the driving means 30.
The driving unit 30 includes the piezoelectric element 13 and the vibrating body 14 formed with a plurality of convex portions 14 a that can come into contact with the edge of the moving body 15, and is generated by the piezoelectric element 13 via the vibrating body 14. The moving body 15 is displaced by transmitting the vibration.
The elastic coupling body 12 expands and contracts with the displacement of the moving body 15.
The elastic coupling body 12 has a periodic structure with a rectangular uneven shape in cross section, and the interval of the lattice units 21 changes as the moving body 15 is displaced.

図1(A)において、移動体15を介して図の左側の弾性結合体12aにより形成される格子単位21の間隔(回折格子の周期)をd1、図の右側の弾性結合体12bにより形成される格子単位21の間隔(回折格子の周期)をd2とすると、移動体15が変位した状態を示す図1(B)において、d1は大きくなり、d2は小さくなる。回折格子の周期が変化することにより回折光の方向は変化するため、格子単位21の間隔を変化させることにより、所望の波長特性が得られるように調整することができる。   In FIG. 1A, the interval (diffraction grating period) of the grating units 21 formed by the elastic coupling body 12a on the left side of the drawing through the movable body 15 is d1, and the elastic coupling body 12b on the right side of the drawing forms. In FIG. 1B, which shows a state in which the moving body 15 is displaced, d1 becomes larger and d2 becomes smaller if the distance between the grating units 21 (diffraction grating period) is d2. Since the direction of the diffracted light is changed by changing the period of the diffraction grating, it can be adjusted to obtain a desired wavelength characteristic by changing the interval of the grating units 21.

弾性結合体12は、図2に示すように断面が矩形凹凸状の周期的構造からなり、格子単位の配列方向に伸縮する弾性体として機能する。裏面のパターン形状によって、伸縮する強度(ばね強度)を所望の強さに調整することができる。   As shown in FIG. 2, the elastic coupling body 12 has a periodic structure with a rectangular concave and convex section, and functions as an elastic body that expands and contracts in the arrangement direction of the lattice units. Depending on the pattern shape on the back surface, the expanding and contracting strength (spring strength) can be adjusted to a desired strength.

結合部材20の格子単位配列方向の両端部は、筐体11に接続固定されているため、格子単位配列方向への変位によって折格子の周期が変化する。一方、移動体15が振動体14の凸状部14aと当接しているため、格子単位配列方向に対して垂直な方向への変位が規制されている。   Since both ends of the coupling member 20 in the lattice unit arrangement direction are connected and fixed to the housing 11, the period of the folded lattice changes due to the displacement in the lattice unit arrangement direction. On the other hand, since the moving body 15 is in contact with the convex portion 14a of the vibrating body 14, displacement in a direction perpendicular to the lattice unit arrangement direction is restricted.

筐体11及び結合部材20は、弾性を有する材料により形成されていることが好ましく、具体的にはシリコンにより形成されていることが好ましい。
筐体11の短辺方向の一領域には複数の配線パッド16が形成されている。
筐体11及び結合部材20は、MEMS技術により駆動手段30とともに集積化される。
The casing 11 and the coupling member 20 are preferably formed of a material having elasticity, and specifically, are preferably formed of silicon.
A plurality of wiring pads 16 are formed in an area in the short side direction of the housing 11.
The casing 11 and the coupling member 20 are integrated together with the driving unit 30 by the MEMS technology.

本実施形態の回折格子の筐体の大きさは、長辺が10mm、短辺が5mmである。なお、筐体11の大きさとしては、本実施形態に限られないが、MEMS技術により作成することが適切な範囲であればよい。   As for the size of the case of the diffraction grating of this embodiment, the long side is 10 mm and the short side is 5 mm. Note that the size of the housing 11 is not limited to the present embodiment, but may be in an appropriate range to be created by the MEMS technology.

結合部材20には、光反射率の高い材料からなる反射層17が形成されている。反射層17を設けることにより、反射効果による回折光の強度向上効果が得られる。
反射層17は、例えば、Ag、Al、Au等の金属薄膜により形成することができ、本実施形態ではAlからなる反射層を設けている。
The coupling member 20 is formed with a reflective layer 17 made of a material having a high light reflectance. By providing the reflective layer 17, the effect of improving the intensity of diffracted light by the reflection effect can be obtained.
The reflective layer 17 can be formed of a metal thin film such as Ag, Al, or Au, for example. In this embodiment, a reflective layer made of Al is provided.

図3は、本実施形態の回折格子を構成する回折格子部の製造工程の一例を示す断面模式図である。
図3(A)は、シリコン基板10に、反射層となるAl薄膜17aを積層した構造の基板の断面図である。以下、Al薄膜が形成された面を表面(符号10a)、他方の面を裏面(符号10b)という。
図3(B)は、Al薄膜17aをエッチングして反射層17(ミラー形状)を形成した状態を示している。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the manufacturing process of the diffraction grating part constituting the diffraction grating of this embodiment.
FIG. 3A is a cross-sectional view of a substrate having a structure in which an Al thin film 17a serving as a reflective layer is stacked on a silicon substrate 10. FIG. Hereinafter, the surface on which the Al thin film is formed is referred to as a front surface (reference numeral 10a), and the other surface is referred to as a rear surface (reference numeral 10b).
FIG. 3B shows a state where the Al thin film 17a is etched to form the reflective layer 17 (mirror shape).

図3(C)は、Al薄膜17aが除去されて露出したシリコン基板の表面10aをエッチングした状態を示している。
図3(D)は、シリコン基板の裏面10bをエッチングして、断面が矩形凹凸状の構造が形成された状態を示している。上述のように、この裏面のエッチングを制御することにより、弾性結合体12のばね強度を調節することができる。
FIG. 3C shows a state in which the surface 10a of the silicon substrate exposed by removing the Al thin film 17a is etched.
FIG. 3D shows a state in which the back surface 10b of the silicon substrate is etched to form a structure with a rectangular concavo-convex cross section. As described above, the spring strength of the elastic coupling body 12 can be adjusted by controlling the etching of the back surface.

上述のように、シリコン基板の表面及び裏面をエッチングすることにより、図3(E)に示す回折格子部が得られる。
なお、図3は結合部材20の一方側の回折格子部のみを示しているが、移動体15を介した他方側の回折格子部も同様にして形成される。
As described above, the diffraction grating portion shown in FIG. 3E is obtained by etching the front and back surfaces of the silicon substrate.
3 shows only the diffraction grating portion on one side of the coupling member 20, the diffraction grating portion on the other side via the movable body 15 is formed in the same manner.

次に、駆動手段30による移動体15の駆動について図4に基づき説明する。
本実施形態の周期配列型回折格子において、圧電素子13によって発生する振動は、超音波振動である。
図4に示すように、駆動手段30は、圧電素子13と、移動体15の縁部と当接可能な複数の凸状部14aが形成された振動体14とを備える。隣接する圧電素子13には、位相差のある電圧波形が印加される。
Next, driving of the moving body 15 by the driving means 30 will be described with reference to FIG.
In the periodic array type diffraction grating of the present embodiment, the vibration generated by the piezoelectric element 13 is ultrasonic vibration.
As shown in FIG. 4, the drive unit 30 includes the piezoelectric element 13 and the vibrating body 14 formed with a plurality of convex portions 14 a that can come into contact with the edge of the moving body 15. A voltage waveform having a phase difference is applied to the adjacent piezoelectric element 13.

振動体14の中を進行波が伝播する際に、表面付近の凸状体14aの粒子が楕円軌跡を描いて運動する。この運動を利用し、摩擦力を介して超音波振動を一方向への運動へと変換する。すなわち、圧電素子13によって振動体(ステータ)14に超音波振動を発生させ、摩擦力によって移動体(スライダー)15を駆動し、変位させる。移動体15は、振動体14に発生するたわみ進行波によって摩擦駆動される。   When traveling waves propagate through the vibrating body 14, the particles of the convex bodies 14a near the surface move along an elliptical locus. Using this motion, ultrasonic vibration is converted into motion in one direction via frictional force. That is, ultrasonic vibration is generated in the vibrating body (stator) 14 by the piezoelectric element 13, and the moving body (slider) 15 is driven and displaced by the frictional force. The moving body 15 is frictionally driven by a deflection traveling wave generated in the vibrating body 14.

振動体14のたわみ進行波を移動体15に伝えるために、凸状部14aと移動体15とはある程度の圧力で圧接している必要があり、接触面の精度を高くする必要がある。振動体14のたわみ進行波が移動体15にうまく伝達されないと、摩擦熱により発熱が増大するおそれがある。   In order to transmit the bending traveling wave of the vibrating body 14 to the moving body 15, the convex portion 14a and the moving body 15 need to be in pressure contact with a certain level of pressure, and the accuracy of the contact surface needs to be increased. If the flexural traveling wave of the vibrating body 14 is not transmitted well to the moving body 15, there is a risk that heat generation will increase due to frictional heat.

上述のように、本実施形態の回折格子は、MEMS技術により回折格子と駆動機構とが一体化および小型化された構造であるとともに、超音波アクチュエータにより周期を変更させるため、駆動時の電圧が低電圧であり消費電力を低減することができる。   As described above, the diffraction grating of the present embodiment has a structure in which the diffraction grating and the drive mechanism are integrated and miniaturized by the MEMS technology, and the period is changed by the ultrasonic actuator. Low voltage and power consumption can be reduced.

〔分光器〕
図5は、本発明の分光器の一実施形態を示す断面図である。
本実施形態の分光器40は、光入射部3と、凹面光反射部6、7と、回折格子4と、を備え、回折格子が上述の本発明の回折格子である。回折格子の小型化によって、本実施形態の分光器40も小型化されている。
[Spectrometer]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an embodiment of the spectrometer of the present invention.
The spectroscope 40 of this embodiment includes a light incident part 3, concave light reflecting parts 6 and 7, and a diffraction grating 4, and the diffraction grating is the above-described diffraction grating of the present invention. Due to the miniaturization of the diffraction grating, the spectroscope 40 of the present embodiment is also miniaturized.

分光器40は、第一の基板1と第二の基板2から形成されている。第一の基板1上には、光入射部3、回折格子4及び光出射部5が形成され、第二の基板2上には第一の凹面光反射部6及び第二の凹面光反射部7が形成されている。
第一の基板1と第二の基板2とは、スペーサー8を介して固定される際に、所望の位置になるようにアライメントされている。
回折格子4が上述の本発明の回折格子である。回折格子の小型化によって、本実施形態の分光器40も小型化されている。
The spectroscope 40 is formed of a first substrate 1 and a second substrate 2. A light incident part 3, a diffraction grating 4 and a light emitting part 5 are formed on the first substrate 1, and a first concave light reflecting part 6 and a second concave light reflecting part are formed on the second substrate 2. 7 is formed.
The first substrate 1 and the second substrate 2 are aligned so as to be in a desired position when being fixed via the spacer 8.
The diffraction grating 4 is the above-described diffraction grating of the present invention. Due to the miniaturization of the diffraction grating, the spectroscope 40 of the present embodiment is also miniaturized.

図5中の矢印は、ある波長の光の光路を示している。この矢印が示すように、分光器40の光入射部3から入射した入射光は、第一の凹面光反射部6で反射して回折格子4へと導かれる。入射光は回折格子4で波長分散されるとともに、第二の凹面光反射部7で反射され、光出射部5で結像される。   An arrow in FIG. 5 indicates an optical path of light having a certain wavelength. As indicated by the arrow, the incident light incident from the light incident part 3 of the spectroscope 40 is reflected by the first concave light reflecting part 6 and guided to the diffraction grating 4. Incident light is wavelength-dispersed by the diffraction grating 4, reflected by the second concave light reflecting portion 7, and imaged by the light emitting portion 5.

ここで、回折格子4は、波長分散の機能と、光出射部5の位置における結像の機能とを有し、第二の凹面光反射部7は、回折格子4で分散された光を光出射部5の位置で走査可能にする機能を有している。   Here, the diffraction grating 4 has a function of wavelength dispersion and a function of image formation at the position of the light emitting part 5, and the second concave light reflecting part 7 emits light dispersed by the diffraction grating 4. It has a function of enabling scanning at the position of the emitting portion 5.

分光器40の製造方法の一例を以下に説明する。
第一の基板1としてシリコン基板を用いる場合、第一の基板1上に、ナノインプリントやグレースケールマスクを用いたドライエッチング技術を用いて回折格子4を形成する。
一方、光入射部3及び光出射部5は、第一の基板1上にウェットプロセスまたはドライプロセスの異方性エッチング等により形成される。
An example of a method for manufacturing the spectroscope 40 will be described below.
When a silicon substrate is used as the first substrate 1, the diffraction grating 4 is formed on the first substrate 1 using a dry etching technique using a nanoimprint or a gray scale mask.
On the other hand, the light incident part 3 and the light emitting part 5 are formed on the first substrate 1 by anisotropic etching of a wet process or a dry process.

第二の基板2上には、第一の凹面光反射部6及び第二の凹面光反射部7の反射面をAg、Al、Au等の金属薄膜で形成する。   On the second substrate 2, the reflecting surfaces of the first concave light reflecting portion 6 and the second concave light reflecting portion 7 are formed of a metal thin film such as Ag, Al, Au.

第一の基板1と第二の基板2とは、直接貼り合わせることにより、またはスペーサー8を介して固定することができる。固定は、固定部材を用いることもできる。スペーサー8を介して固定する場合、スペーサー8の厚みを調節することにより、第一の光反射部6及び第二の凹面光反射部7と回折格子4とが所望の位置関係や距離となるようにアライメントすることができる。   The first substrate 1 and the second substrate 2 can be fixed by direct bonding or via a spacer 8. For fixing, a fixing member can also be used. When fixing via the spacer 8, the thickness of the spacer 8 is adjusted so that the first light reflecting portion 6 and the second concave light reflecting portion 7 and the diffraction grating 4 have a desired positional relationship and distance. Can be aligned.

なお、分光器を構成する各部材の材料、分光器の形成方法や製造工程は上述の方法に限定されない。   In addition, the material of each member which comprises a spectrometer, the formation method and manufacturing process of a spectrometer are not limited to the above-mentioned method.

〔分光装置〕
図6は、本発明の分光装置の一実施形態を示す断面図である。
本実施形態の分光装置50は、上述の分光器40と、この分光器40で分光された光束を受光する検出部9とを備える。具体的には、光入射部3と、凹面光反射部6、7と、回折格子4と、検出部9とを備え、回折格子が上述の本発明の回折格子である。回折格子の小型化によって、本実施形態の分光装置50も小型化されている。
[Spectroscope]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an embodiment of the spectroscopic device of the present invention.
The spectroscopic device 50 according to the present embodiment includes the spectroscope 40 described above and a detection unit 9 that receives a light beam split by the spectroscope 40. Specifically, the light incident portion 3, the concave light reflecting portions 6 and 7, the diffraction grating 4, and the detection portion 9 are provided, and the diffraction grating is the above-described diffraction grating of the present invention. Due to the miniaturization of the diffraction grating, the spectroscopic device 50 of the present embodiment is also miniaturized.

分光装置50は、上述の分光器40の光出射部5の位置に検出部9を形成したものである。検出部9の形成以外は、上述の分光器40と同様に形成することができる。
第一の基板1上に検出部9を形成することにより、従来は別の装置として外部に設置される光検出手段を一体化することができ、さらなる小型化を実現することができる。
外部に設置された光検出手段では、分光器40からの出射光を受光するためのアライメント調整が必要となり、最終的な製品コストの増加をまねくことがあるが、本実施形態の分光装置50によればこの問題も解消される。
The spectroscopic device 50 has a detection unit 9 formed at the position of the light emitting unit 5 of the spectroscope 40 described above. It can be formed in the same manner as the above-described spectroscope 40 except for the formation of the detection unit 9.
By forming the detection unit 9 on the first substrate 1, it is possible to integrate light detection means installed outside as a separate device in the past, and to achieve further miniaturization.
The light detection means installed outside requires alignment adjustment for receiving the light emitted from the spectroscope 40, which may increase the final product cost. According to this, this problem is also solved.

フォトダイオードで受光する場合、測定する波長に応じた材料を選択する必要があり、例えば、Si、Ge、InGaAs等を使用することができる。
Siの検出器であれば、SiのフォトダイオードをCMOSプロセスによりSi基板、SOI(Silicon On Insulator)基板上に形成することができる。また、Ge、InGaAs等の検出器であれば、Ge、InGaAs等のフォトダイオードチップをSi基板上に実装することができる。
When receiving light with a photodiode, it is necessary to select a material corresponding to the wavelength to be measured, and for example, Si, Ge, InGaAs, or the like can be used.
In the case of a Si detector, a Si photodiode can be formed on a Si substrate or an SOI (Silicon On Insulator) substrate by a CMOS process. In the case of a detector such as Ge or InGaAs, a photodiode chip such as Ge or InGaAs can be mounted on the Si substrate.

なお、分光装置を構成する各部材の材料、分光装置の形成方法や製造工程は上述の方法に限定されない。
上述の周期可変回折格子を備える構成であれば、図5及び図6で示されるようなウェハレベルで作成された分光器及び分光装置に限定されない。
また、第1の基板1上に光入射部3と光出射部5を設けているが、第1の基板1とは別個のスリットとして光入射部3と光出射部5を別途設けてもよい。
In addition, the material of each member which comprises a spectroscopic device, the formation method and manufacturing process of a spectroscopic device are not limited to the above-mentioned method.
The spectroscope and the spectroscopic device created at the wafer level as shown in FIGS. 5 and 6 are not limited as long as the structure includes the above-described periodic variable diffraction grating.
Further, although the light incident part 3 and the light emitting part 5 are provided on the first substrate 1, the light incident part 3 and the light emitting part 5 may be separately provided as slits separate from the first substrate 1. .

〔分析装置〕
図7は、本発明の分析装置の一実施形態としてのモバイル型の分析装置60を示す構造図である。
本実施形態の分析装置60は、被測定物に光を照射する光源と、上述の分光装置50を備え、被測定物からの反射光を分光装置50により分光し、波長スペクトルを得る装置である。なお、分光装置50として上述の分光器40を用いることもできる。その場合、分光器40の出射光側に光検出部9を設ける。
〔Analysis equipment〕
FIG. 7 is a structural diagram showing a mobile analysis device 60 as an embodiment of the analysis device of the present invention.
The analysis device 60 of the present embodiment is a device that includes a light source that irradiates light to the object to be measured and the above-described spectroscopic device 50, and spectrally reflects the reflected light from the object to be measured by the spectroscopic device 50. . Note that the spectroscope 40 described above can also be used as the spectroscopic device 50. In that case, the light detection unit 9 is provided on the outgoing light side of the spectroscope 40.

本実施形態のモバイル型の分析装置60は、光源101、分光装置50、駆動回路104、処理回路105、これらの動力源であるバッテリー106等を搭載している。分光装置50は、上述の本発明にかかる分光装置である。
駆動回路104は、光源101及び分光装置50を駆動する。処理回路105は、検出された信号の増幅・A/D変換・通信等を行う。
The mobile analysis device 60 of this embodiment is equipped with a light source 101, a spectroscopic device 50, a drive circuit 104, a processing circuit 105, a battery 106 that is a power source of these, and the like. The spectroscopic device 50 is the spectroscopic device according to the present invention described above.
The drive circuit 104 drives the light source 101 and the spectroscopic device 50. The processing circuit 105 performs amplification, A / D conversion, communication, and the like of the detected signal.

本実施形態の分析装置60において、光源101から出射された出射光221は被測定物230に照射され、被測定物230内の分子に衝突しながら拡散反射する。拡散反射された光222は分光装置50に入射し、分光装置50に設けられた光検出部9により検出される。このようにして被測定物230の分子構造に特徴的な波長スペクトルを得ることができる。   In the analyzer 60 of the present embodiment, the emitted light 221 emitted from the light source 101 is applied to the object 230 to be measured and diffusely reflected while colliding with molecules in the object 230 to be measured. The diffusely reflected light 222 enters the spectroscopic device 50 and is detected by the light detection unit 9 provided in the spectroscopic device 50. In this manner, a wavelength spectrum characteristic of the molecular structure of the object to be measured 230 can be obtained.

本実施形態の分析装置60は、本発明にかかる分光装置50または分光器40を用いることにより小型化及び低コスト化を実現することができ、モバイル性を向上させることができる。   The analyzer 60 of the present embodiment can be reduced in size and cost by using the spectroscopic device 50 or the spectroscope 40 according to the present invention, and can improve mobility.

3 光入射部
4 回折格子
5 光出射部
6 第一の凹面光反射部
7 第二の凹面光反射部
8 スペーサー
9 光検出部
10 シリコン基板
11 筐体
12 弾性結合体(回折格子部)
13 圧電素子
14 振動体
15 移動体
16 配線パッド
17 反射層
20 結合部材
21 格子単位
30 駆動手段
40 分光器
50 分光装置
60 分析装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Light incident part 4 Diffraction grating 5 Light emitting part 6 1st concave light reflection part 7 2nd concave light reflection part 8 Spacer 9 Light detection part 10 Silicon substrate 11 Case 12 Elastic coupling body (diffraction grating part)
13 Piezoelectric element 14 Vibrating body 15 Moving body 16 Wiring pad 17 Reflective layer 20 Coupling member 21 Lattice unit 30 Driving means 40 Spectroscope 50 Spectrometer 60 Analyzer

特許第4958041号公報Japanese Patent No. 4957441

Claims (9)

同一面上において複数配列された格子単位を有し、隣接した前記格子単位の間隔を可変とする結合部材と、
前記結合部材の前記格子単位配列方向の両端部を固定する筐体と、
前記結合部材を駆動して前記格子単位配列方向に変位させる駆動手段と、を備え、
前記結合部材は、弾性結合体及び前記駆動手段により駆動される移動体からなり、
前記駆動手段は、圧電素子と、前記移動体の縁部と当接可能な複数の凸状部が形成された振動体とを備え、前記振動体を介して前記圧電素子によって発生した振動を伝達して前記移動体を変位させ、
前記移動体の変位に伴って前記弾性結合体が伸縮することを特徴とする回折格子。
A coupling member having a plurality of lattice units arranged on the same plane, and a variable interval between adjacent lattice units;
A housing that fixes both ends of the coupling member in the lattice unit arrangement direction;
Driving means for driving the coupling member to displace it in the lattice unit arrangement direction, and
The coupling member comprises an elastic coupling body and a moving body driven by the driving means,
The driving means includes a piezoelectric element and a vibrating body formed with a plurality of convex portions capable of coming into contact with an edge of the moving body, and transmits vibration generated by the piezoelectric element through the vibrating body. To displace the moving body,
The diffraction grating, wherein the elastic coupling body expands and contracts with the displacement of the moving body.
前記弾性結合体は、断面が矩形凹凸状の周期的構造からなることを特徴とする請求項1に記載の回折格子。   The diffraction grating according to claim 1, wherein the elastic coupling body has a periodic structure having a rectangular uneven shape in cross section. 前記圧電素子によって発生する振動が超音波振動であることを特徴とする請求項1または2に記載の回折格子。   The diffraction grating according to claim 1, wherein the vibration generated by the piezoelectric element is an ultrasonic vibration. 前記移動体が、前記振動体に発生するたわみ進行波により摩擦駆動されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の回折格子。   The diffraction grating according to claim 1, wherein the movable body is frictionally driven by a deflection traveling wave generated in the vibrating body. 前記筐体及び前記結合部材が、弾性を有する材料により形成されてなることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の回折格子。   5. The diffraction grating according to claim 1, wherein the casing and the coupling member are made of an elastic material. 前記筐体及び前記結合部材が、シリコンにより形成されてなることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の回折格子。   6. The diffraction grating according to claim 1, wherein the casing and the coupling member are made of silicon. 光入射部と、光反射部と、回折格子と、を備え、前記回折格子が請求項1から6のいずれかに記載の回折格子であることを特徴とする分光器。   A spectroscope comprising: a light incident part; a light reflecting part; and a diffraction grating, wherein the diffraction grating is the diffraction grating according to claim 1. 請求項6に記載の分光器と、前記分光器で分光された光束を受光する検出部とを備えたことを特徴とする分光装置。   7. A spectroscopic device comprising: the spectroscope according to claim 6; and a detection unit that receives a light beam split by the spectroscope. 被測定物に光を照射する光源と、請求項8に記載の分光装置とを備え、
前記被測定物からの反射光を前記分光装置により分光し、波長スペクトルを得ることを特徴とする分析装置。
A light source for irradiating light to the object to be measured; and the spectroscopic device according to claim 8,
An analyzer characterized in that reflected light from the object to be measured is dispersed by the spectroscopic device to obtain a wavelength spectrum.
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