JP7147143B2 - 分光器および分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、分光器および分析装置に関する。

従来、測定光を波長毎に分光することにより、波長毎の分光スペクトルが得られるようにしたいわゆる分光器が知られている。

ここで、一般的な分光器は、入射された測定光を複数の波長の光に分光する凹面回折格子と、複数の波長の光をそれぞれ検出することが可能なアレイセンサとを備えて構成されている（例えば、下記特許文献１参照）。例えば、アレイセンサには、Ｓｉフォトダイオードや、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード等が用いられる。

しかしながら、分光器に用いられるアレイセンサは大型且つ高価であるため、従来、小型且つ低価格な分光器を提供することができないという課題が生じていた。

本発明は、上述した従来技術の課題を解決するため、小型且つ低価格な分光器を提供できるようにすることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の分光器は、外部からの光を入射させる光入射手段と、前記光入射手段によって入射された前記光を波長分散させる凹面回折格子と、前記凹面回折格子によって波長分散された異なる波長の前記光を反射する反射面を有し、当該反射面の傾きが可変自在である反射手段と、前記反射手段の前記反射面の傾きを変化させることによって反射された前記波長が異なり焦点距離が異なる光を外部に出射する単一の光出射手段とを備え、前記光入射手段によって入射された前記光は、前記光出射手段によって出射される前に２回反射することを特徴とする。

本発明によれば、小型且つ低価格な分光器を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る分光器の構成を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る光反射ユニットの構成の概略図である。 図２に示す光反射ユニットのＡ－Ａ'断面図である。 図２に示す光反射ユニットのＢ－Ｂ'断面図である。 本発明の第１実施形態に係る凹面回折格子の第１構成例を示す概略図である。 本発明の第１実施形態に係る凹面回折格子の第２構成例を示す概略図である。 本発明の第１実施形態に係る凹面回折格子の第３構成例を示す概略図である。 本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第１変形例を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第２変形例を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第３変形例を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第４変形例を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第５変形例を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第６変形例を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第７変形例を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第８変形例を示す概念図である。 本発明の第２実施形態に係る分光器の構成を示す概念図である。 本発明の第２実施形態に係る特定波長検出器の構成（第１例）の概略図である。 本発明の第２実施形態に係る特定波長検出器の構成（第２例）の概略図である。 本発明の第２実施形態に係る特定波長検出器の出力信号の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る特定波長検出器の出力信号の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る特定波長検出器の出力信号の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る可動光反射部の振れ角の時間波形の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る分光器の構成の第１変形例を示す概念図である。 本発明の第２実施形態に係る分光器の構成の第２変形例を示す概念図である。 本発明の第２実施形態に係る分光器の構成の第３変形例を示す概念図である。 本発明の第２実施形態に係る分光器の構成の第４変形例を示す概念図である。 本発明の第２実施形態に係る分光器の他の構成を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る分光器を用いた分光測定装置の構成を示す概念図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。

（分光器１０Ａの構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る分光器１０Ａの構成を示す概念図である。図１に示す分光器１０Ａは、本発明の「分光器」の一例である。この分光器１０Ａは、光入射部１、凹面回折格子２、可動光反射部３、光出射部４、基板５、および基板６を備えて構成されている。

光入射部１は、本発明の「光入射手段」の一例である。光入射部１は、光通過部１ａが形成されている。光入射部１は、外部から照射された光を、光通過部１ａ内を通過させることによって、分光器１０Ａ内に入射させる。光通過部１ａは、例えば、ピンホール形状、スリット形状等を有している。光入射部１は、例えば、光の入射位置を決定したり、波長分解能を向上させたりする目的で設置されている。

凹面回折格子２は、本発明の「回折格子」の一例である。凹面回折格子２は、基板５上に形成されている。凹面回折格子２は、光入射部１から分光器１０Ａ内に入射した光を、波長分散する。凹面回折格子２によって波長分散された光（回折光）は、可動光反射部３に向けて反射される。基板５の材料としては、例えば、半導体、ガラス、金属、樹脂等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。なお、凹面回折格子２は、基板５上に直接形成されてもよく、基板５上に形成された薄膜層（例えば、樹脂層等）上に形成されてもよい。

可動光反射部３は、本発明の「反射手段」の一例である。可動光反射部３は、基板６の開口部６ａ内において、基板６と同一平面上に配置されている。可動光反射部３は、基板６とともに、光反射ユニット１１を構成する。可動光反射部３は、凹面回折格子２によって分光された回折光を、光出射部４に向けて反射する。可動光反射部３は、回転軸３ａを有している。可動光反射部３は、回転軸３ａを中心に回転することにより、回折光を反射する反射面の傾きを変化させることができるように構成されている。基板６の材料としては、例えば、半導体、ガラス、金属、樹脂等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。但し、基板６の材料として半導体を用いることにより、半導体プロセス、ＭＥＭＳプロセス等を用いて、非常に薄型且つ小型の可動光反射部３を形成することが可能である。また、基板６の材料として半導体を用いることにより、圧電駆動、静電駆動、電磁駆動などの駆動素子部を、基板６上にモノリシックに形成することができる。これにより、モーター等の外部駆動装置を用いなくても、可動光反射部３を駆動することができるため、分光器１０Ａのさらなる小型化が可能となる。

光出射部４は、本発明の「光出射手段」の一例である。光出射部４は、光通過部４ａが形成されている。光出射部４は、可動光反射部３によって反射された回折光を、その焦点位置で光通過部４ａ内を通過させることによって、外部に出射させる。光通過部４ａは、例えば、ピンホール形状、スリット形状等を有している。光出射部４は、例えば、回折光の出射位置を決定したり、波長分解能を向上させたりする目的で設置されている。

なお、光入射部１および光出射部４についても、基板上に形成されたものであってもよい。この場合、基板の材料としては、例えば、半導体、ガラス、金属、樹脂等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。但し、基板の材料として半導体を用いることにより、半導体プロセス、ＭＥＭＳプロセス等を用いて、高精度且つ低価格に光入射部１および光出射部４を形成することが可能である。

また、分光器１０Ａにおいて、上記各構成部は、図１に示すように所定の位置に配置され、さらに、所定の姿勢を維持できるように、筐体や治具等に対して固定されている。

（光反射ユニット１１の構成）
ここで、図２～図４を参照して、光反射ユニット１１の具体的な構成について説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る光反射ユニット１１の構成の概略図である。図２に示すように、光反射ユニット１１は、可動光反射部３、基板６、駆動回路７（本発明の「駆動手段」の一例）、および梁部８を有して構成されている。可動光反射部３は、基板６の開口部６ａ内において、基板６と同一平面上に配置されている。開口部６ａは、例えば、異方性深掘りエッチング等のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを用いて形成されたものである。可動光反射部３は、回転軸３ａの一端となる部分と、回転軸３ａの他端となる部分との双方が、梁部８によって支持されている。

また、図２の例では、可動光反射部３は、薄膜部３ｂと、薄膜部３ｂの反射面側に重畳された反射部材３ｃとを有して構成されている。反射部材３ｃは、可動光反射部３の反射率を向上させるために設けられている。薄膜部９には、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の薄膜Ｓｉ層等を用いることができる。また、反射部材１０には、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属材料を用いることができる。

図３は、図２に示す光反射ユニット１１のＡ－Ａ'断面図である。図３の例では、梁部８は、図中上方（Ｚ軸正方向）から順に、薄膜部８ａと、電極８ｂと、圧電膜８ｄと、電極８ｃとが重畳されて構成されている。このように構成された梁部８は、駆動回路７（図２参照）から、電極８ｂ，８ｃを介して圧電膜８ｄに電圧が印加されることにより、アクチュエータとして機能し、可動光反射部３を回転駆動させることが可能である。例えば、所望の波長の回折光が外部へ出射されるようにするためには、可動光反射部３を、その波長に応じた所定の角度に傾ける必要がある。例えば、駆動回路７は、圧電膜８ｄに所定の電圧を印加することにより、または、可動光反射部３が備える傾きセンサによって検出された角度を圧電膜８ｄへの印加電圧にフィードバックすることにより、可動光反射部３を所定の角度に傾けることができる。なお、可動光反射部３の駆動方式は、圧電駆動に限らず、その他の駆動方式（例えば、静電駆動、電磁駆動等）を用いてもよい。

図４は、図２に示す光反射ユニット１１のＢ－Ｂ'断面図である。図４に示すように、可動光反射部３は、図３で説明したように梁部８によって駆動されることによって、回転軸３ａを中心に、時計回りおよび反時計回りに回転することで、回折光を反射する反射面の傾きを変化させることができるように構成されている。

（凹面回折格子２の構成例）
次に、図５～図７を参照して、凹面回折格子２の具体的な構成について説明する。

図５は、本発明の第１実施形態に係る凹面回折格子２の第１構成例を示す概略図である。図５に示す例では、凹面回折格子２は、樹脂層１４および反射部材１５を有して構成されている。具体的には、基板５の上面に凹曲面が形成されており、その凹曲面に対して薄膜状の樹脂層１４が形成されている。そして、樹脂層１４に対して、回折格子が形成されている。さらに、回折格子の表面に、反射率を向上させるための、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属材料を用いた反射部材１５が形成されている。

例えば、基板５にＳｉ基板を用いた場合、グレースケールマスク、ナノインプリント技術等を用いて、基板５上に塗布されたレジストに凹曲面形成用のパターンを形成し、ドライエッチング等を行うことにより、基板５に凹曲面を形成する事ができる。また、基板５の凹曲面に樹脂層１４を形成し、別途作製した凹面回折格子の型を樹脂層１４へ転写し硬化させることにより、樹脂層１４に回折格子を形成することができる。

図６は、本発明の第１実施形態に係る凹面回折格子２の第２構成例を示す概略図である。図６に示す例では、凹面回折格子２は、反射部材１５を有して構成されている。具体的には、基板５の上面に凹曲面が形成されており、その凹曲面に対して、回折格子が形成されている。さらに、回折格子の表面に、反射率を向上させるための、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属材料を用いた反射部材１５が形成されている。例えば、基板５の凹曲面に対してレジストを塗布し、干渉露光法等を用いて、レジストに格子パターンを形成し、ドライエッチング等を行うことにより、基板５の凹曲面に回折格子を形成することができる。

図７は、本発明の第１実施形態に係る凹面回折格子２の第３構成例を示す概略図である。図７に示す例では、凹面回折格子２は、樹脂層１４および反射部材１５を有して構成されている。具体的には、基板５の上面（平坦面）に、樹脂層１４が形成されている。樹脂層１４の上面には、凹曲面が形成されており、その凹曲面に対して、回折格子が形成されている。さらに、回折格子の表面に、反射率を向上させるための、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属材料を用いた反射部材１５が形成されている。例えば、基板５の上面（平坦面）に樹脂層１４を形成し、別途作製した凹面回折格子の型を樹脂層１４へ転写し硬化させることにより、樹脂層１４に回折格子を形成することができる。図７の構成は、基板５に凹曲面を形成する工程を省くことができるため、プロセスの簡略化が可能である。

なお、図５～図７の凹面回折格子２としては、例えば、回折格子の溝部の断面形状として、矩形形状、正弦波形状、ノコギリ波形状等を有しているものを用いることが可能である。

また、図５～図７の凹面回折格子２において、反射部材１５を設けない構成としてもよい。また、凹面回折格子２の構成は、図５～図７に例示したものに限らない。すなわち、凹面回折格子２は、同様の波長分散機能を有するものであれば、図５～図７以外の構成であってもよい。また、光入射部１から平行光が入射する場合には、凹面回折格子２の代わりに平面回折格子を用いることによっても、同様の波長分散機能を実現することが可能である。この場合、平面回折格子の傾きを変える構成を採用した場合に必要となる複雑な装置構成（例えば、平面回折格子の前後で光を平行光にするためのコリメート光学系）は不要である。

（分光器１０Ａによる作用および効果）
以上のように構成された本実施形態の分光器１０Ａは、可動光反射部３を駆動して、可動光反射部３の反射面の傾きを変化させることにより、光出射部４から外部へと出射される回折光の波長を変化させることが可能となっている。具体的には、凹面回折格子２によって波長分散された回折光の焦点距離は、波長によって異なる。そこで、分光器１０Ａは、光出射部４の光通過部４ａの位置が、所望する波長の回折光の焦点距離に応じた位置となるように、可動光反射部３の反射面の傾きを変化させる。これにより、図１に示すように、光出射部４の光通過部４ａから、所望する波長の回折光が出射されることとなる。なお、図１における破線は、ある特定の波長の光の光路を、概略的に示すものである。すなわち、図１では、ある特定の波長の回折光が出射されるように、可動光反射部３の反射面の傾きが設定されている様子が示されている。

このように、本実施形態の分光器１０Ａによれば、可動光反射部３の反射面の傾き調整により、光出射部４の光通過部４ａから、所望する波長の回折光を出射させることができる。このため、本実施形態の分光器１０Ａによれば、外部に設けられた単一の光センサにより、所望する波長の回折光の分光スペクトルを得ることができる。すなわち、本実施形態の分光器１０Ａによれば、大型且つ高価なアレイセンサを用いることなく、様々な波長の回折光の分光スペクトルを得ることができる。したがって、本実施形態の分光器１０Ａによれば、小型且つ低価格な分光器を提供することができる。

また、本実施形態の分光器１０Ａによれば、凹面回折格子２の傾きを変えることなく、可動光反射部３の反射面の傾きを変えることにより、光出射部４の光通過部４ａから、所望する波長の回折光を出射させるようにしている。このため、本実施形態の分光器１０Ａによれば、凹面回折格子２の傾きを変える構成を採用した場合に必要となる複雑な装置構成（例えば、凹面回折格子２への光の入射角の変化に対応するための構成）が不要である。したがって、本実施形態の分光器１０Ａによれば、比較的簡単な構成で、光出射部４の光通過部４ａから、所望する波長の回折光を出射させることができる。

また、本実施形態の分光器１０Ａによれば、入射された光の反射の回数は、凹面回折格子２による反射と、凹面回折格子２による反射との２回である。このため、本実施形態の分光器１０Ａによれば、光を３回以上反射させる構成（例えば、特許文献１の構成）と比較して、構成を簡略化することができるうえに、反射ロスによる光量の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態の分光器１０Ａは、少なくとも、光出射部４の光通過部４ａから出射された回折光を検出する光検出器と組み合わされることにより、分光装置を構成することができる。この場合、光検出器には、単一の光センサを有する光検出器を用いることができる。また、本実施形態の分光器１０Ａは、少なくとも、光出射部４の光通過部４ａから出射された回折光を導く光ファイバと組み合わされることにより、モノクロメータを構成することができる。

（分光器の構成の変形例）
分光器の構成の変形例について説明する。なお、以下に説明する各変形例においては、それ以前に説明した分光器からの変更点について説明する。また、各変形例において、それ以前に説明した構成要素と同様の機能を有する構成要素については、それ以前に説明した構成要素と同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、各変形例において、分光器の動作原理等は、それ以前に説明したものと同様であるため、説明を省略する。

（第１変形例）
図８は、本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第１変形例を示す概念図である。図８に示す分光器１０Ｂでは、光入射部１と可動光反射部３とが、同一の基板６上に形成されている。また、分光器１０Ｂでは、光出射部４と凹面回折格子２とが、同一の基板５上に形成されている。例えば、基板５，６にＳｉ基板を用いた場合、光入射部１および光出射部４は、半導体プロセス、ＭＥＭＳプロセス等を用いて、それぞれ基板５，６上に一体的に形成することが可能である。

この分光器１０Ｂによれば、半導体プロセスを用いて、基板５，６に対し、高い位置精度で光入射部１，光出射部４を形成することができる。すなわち、この分光器１０Ｂによれば、光入射部１と可動光反射部３との間のアライメント調整、および、光出射部４と凹面回折格子２との間のアライメント調整が不要になるため、全体のアライメント調整が容易になる。また、この分光器１０Ｂによれば、光入射部１と可動光反射部３との間、および、光出射部４と凹面回折格子２との間に、筐体の一部や治具等が介在しない構成とすることができる。このため、分光器１０Ｂによれば、光入射部１と可動光反射部３との距離、および、光出射部４と凹面回折格子２との距離を短くでき、よって、より小型な分光器を実現することが可能となる。

（第２変形例）
図９は、本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第２変形例を示す概念図である。図９に示す分光器１０Ｃでは、光入射部１と光出射部４とが、同一の基板１６上に形成されている。

この分光器１０Ｃによれば、半導体プロセスを用いて、基板１６に対し、高い位置精度で光入射部１および光出射部４を形成することができる。すなわち、この分光器１０Ｃによれば、光入射部１と光出射部４との間のアライメント調整が不要になるため、全体のアライメント調整が容易になる。

（第３変形例）
図１０は、本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第３変形例を示す概念図である。図１０に示す分光器１０Ｄは、図８に示す分光器１０Ｂに対して、基板５と基板６との間に左右一対のスペーサ１７がさらに配置された構成を有している。基板５は、本発明の「第２の基板」の一例である。基板６は、本発明の「第１の基板」の一例である。スペーサ１７は、本発明の「介在部材」の一例である。基板５，６の各々は、スペーサ１７に接合されている。スペーサ１７には、例えば、柱状または板状のものを用いることができる。基板５と基板６との間隔は、スペーサ１７の厚みにより、所望の分光特性が得ることができるようにするための適切な間隔に調整されている。

この分光器１０Ｄによれば、基板５と基板６との間隔は、スペーサ１７の厚みにより、所望の分光特性が得ることができるようにするための適切な間隔に調整される。このため、分光器１０Ｄによれば、基板５と基板６との間のアライメント調整が不要になる。なお、分光器１０Ｄにおいて、スペーサ１７に基板を用いることも可能である。この場合、半導体プロセスを用いることにより、より高精度なスペーサ１７を形成することができる。また、ウエハに対して、複数のスペーサ１７を高精度で一括して形成することができる。このため、ばらつきが少なく、かつ、より低価格な分光器を実現する事ができる。

（第４変形例）
図１１は、本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第４変形例を示す概念図である。図１１に示す分光器１０Ｅは、基板５において、光出射部４が凹面回折格子２よりも右側（図中Ｙ軸正側）に形成されている点で、図１０に示す分光器１０Ｄと異なる。分光器１０Ｅでは、凹面回折格子２における格子ピッチが、図１０に示す分光器１０Ｄよりも広められている。これにより、凹面回折格子２による回折角が変化したため、分光器１０Ｅでは、光出射部４の位置が変更されている。この分光器１０Ｅによれば、分光器１０Ｄと比較して、凹面回折格子２の格子ピッチが大きいため、凹面回折格子２を容易に製造することができる。このため、分光器１０Ｅによれば、分光器１０Ｄと比較して、製造ばらつきを小さくすることができ、かつ、分光器の低価格化を実現することができる。

（第５変形例）
図１２は、本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第５変形例を示す概念図である。図１２に示す分光器１０Ｆは、基板５において、凹面回折格子２の中心部の垂線と基板５の基板面とが直交しないように、凹面回折格子２が基板５に対して光入射部１側（図中Ｙ軸負側）に傾けられた状態で配置されている点で、図１０に示す分光器１０Ｄと異なる。

このように構成された分光器１０Ｆによれば、凹面回折格子２の傾きを変化させることによって、可動光反射部３への回折光の入射角を調整して、可動光反射部３の正負方向の必要な振れ角が等しくなるように制御することが可能である。このため、分光器１０Ｆによれば、同じ波長範囲を測定可能としつつ、可動光反射部３の振れ角を小さくすることが可能となる。これにより、分光器１０Ｆによれば、より小さい駆動力で、可動光反射部３を駆動することができる。したがって、分光器１０Ｆによれば、可動光反射部３の駆動に必要な構成要素（例えば、駆動素子、駆動回路、電源等）を小型化することができ、分光器のさらなる小型化および低価格化を実現することができる。さらに、分光器１０Ｆによれば、可動光反射部３を支持する梁部８のねじれ量を低減できるため、梁部８に生じる応力を低減できる。このため、分光器１０Ｆによれば、可動光反射部３の回転角度の安定性や信頼性等を向上させることが可能である。

（第６変形例）
図１３は、本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第６変形例を示す概念図である。図１３に示す分光器１０Ｇは、左側（図中Ｙ軸負側）のスペーサ１７が基板１９に変更されている点、および、光入射部１と光出射部４とが、基板１９に形成されている点で、図１０に示す分光器１０Ｄと異なる。

基板１９は、本発明の「第３の基板」の一例である。基板１９は、基板５と基板６との間において、基板５および基板６に対して非平行且つ垂直に配置されている。そして、基板５および基板６の各々は、基板１９に対して接合されている。基板１９の材料としては、例えば、半導体、ガラス、金属、樹脂等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。但し、基板１９の材料として半導体を用いることにより、半導体プロセス、ＭＥＭＳプロセス等を用いて、非常に薄型且つ小型の光入射部１および光出射部４を形成することが可能である。

この分光器１０Ｇによれば、半導体プロセスを用いて、基板１９に対し、高い位置精度で光入射部１および光出射部４を形成することができる。すなわち、この分光器１０Ｇによれば、光入射部１と光出射部４との間のアライメント調整が不要になるため、全体のアライメント調整が容易になる。なお、分光器１０Ｇにおいて、光入射部１を基板６に形成し、光出射部４を基板１９に形成するようにしてもよい。または、分光器１０Ｇにおいて、光入射部１を基板１９に形成し、光出射部４を基板５に形成するようにしてもよい。

（第７，８変形例）
図１４は、本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第７変形例を示す概念図である。図１５は、本発明の第１実施形態に係る分光器の構成の第８変形例を示す概念図である。図１４に示す分光器１０Ｈは、光出射部４の代わりに、光出射部４の位置に光検出部１８が設けられている点で、図１に示す分光器１０Ａと異なる。図１５に示す分光器１０Ｉは、光出射部４の代わりに、光出射部４の位置に光検出部１８が設けられている点で、図８に示す分光器１０Ｂと異なる。分光器１０Ｈ，Ｉの光検出部１８は、本発明の「光検出手段」の一例である。

この分光器１０Ｈ，Ｉによれば、光検出部１８を外部に設ける必要がないため、より小型の分光器を実現することができる。なお、光検出部１８は、受光面の形状が、光出射部４に形成されている光通過部４ａと同様の形状（例えば、ピンホール形状、スリット形状等）に形成されていてもよい。または、光検出部１８は、受光面の上部に、光出射部４と同様の形状を有する遮光部材を有していてもよい。これらの受光面および遮光部材等は、半導体プロセスを用いて、半導体基板上にモノリシックに形成することができる。このため、光検出部１８は、薄型且つ小型に製造することが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、図１６～図２６を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、分光器に対し、特定波長検出器をさらに備える例を説明する。

（分光器５０Ａの構成）
図１６は、本発明の第２実施形態に係る分光器５０Ａの構成を示す概念図である。図１６に示す分光器５０Ａは、特定波長検出器２０をさらに備える点で、第１実施形態（図１）の分光器１０Ａと異なる。

特定波長検出器２０は、本発明の「特定波長検出手段」の一例である。特定波長検出器２０は、出射光の焦点位置（すなわち、光出射部４の位置）の近傍に設けられている。特定波長検出器２０は、特定の波長λｓの光を検出することが可能であり、光出射部４の近傍に設置されている。分光器５０Ａは、特定波長検出器２０によって特定の波長λｓの光を検出することにより、可動光反射部３の振れ角が、所望の測定波長範囲（λｍ～λｘ）に対して十分であるか否か、あるいは振れ角が一定であるか否かを検出することが可能である。

例えば、光検出器としてＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用いた場合、分光器５０Ａの測定波長範囲は、９００～１７００ｎｍまたは９００ｎｍ～２５００ｎｍに設定され得る。この場合、特定の波長λｓは、測定波長範囲の最小波長９００ｎｍよりも短波長側であってもよく、測定波長範囲の最大波長１７００ｎｍまたは２５００ｎｍよりも長波長側であってもよい。特に、波長１０００ｎｍ程度以下に特定の波長λｓを設定することにより、Ｓｉフォトダイオードが使用できるため、より低コストに本構成を実現することが可能である。

なお、図１６における破線は、測定波長範囲の最小波長λｍの光の光路を、概略的に示すものである。一方、図１６における一点鎖線は、特定の波長λｓの光の光路を、概略的に示すものである。

（特定波長検出器２０の構成）
ここで、図１７および図１８を参照して、特定波長検出器２０の具体的な構成について説明する。図１７は、本発明の第２実施形態に係る特定波長検出器２０の構成（第１例）の概略図である。例えば、図１７に示すように、特定波長検出器２０は、光検出器２１とバンドパスフィルタ２２とを備えて構成される。光検出器２１は、本発明の「光検出部」の一例である。光検出器２１は、特定の波長λｓの光を検出する。光検出器２１としては、例えば、Ｓｉフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード等が用いられる。バンドパスフィルタ２２は、特定の波長範囲（特定の波長λｓを範囲内に含む）の光を透過させる。バンドパスフィルタ２２には、通過帯域の狭いフィルタ（例えば、ファブリペローフィルタ等）を使用することが好ましい。

図１８は、本発明の第２実施形態に係る特定波長検出器２０の構成（第２例）の概略図である。図１８に示すように、特定波長検出器２０は、遮光部材２３をさらに備えて構成されてもよい。遮光部材２３における光通過部の形状およびサイズは、必要に応じて適切なものを用いればよい。なお、特定波長検出器２０は、バンドパスフィルタ２２、遮光部材２３、および光検出器２１を用いる代わりに、バンドパスフィルタおよび遮光部材としての機能を有する光検出器を用いるようにしてもよい。また、図２７は、本発明の第２実施形態に係る分光器５０Ａの他の構成を示す概念図である。図２７に示す構成のように、特定波長検出器２０を、光出射部４に一体的に形成しても良い。例えば、光出射部４がＳｉ基板で形成され、特定波長検出器２０がＳｉフォトダイオードである場合には、両者をモノリシックに形成することが可能である。また、バンドパスフィルタ２２は、例えばファブリペローフィルタ等を半導体プロセスを使用して形成でき、遮光部材２３も金属薄膜等を半導体プロセスを使用して形成できるため、光出射部４上に、図１８に示す特定波長検出器２０の構成を一体的に形成することが可能である。また、Ｓｉフォトダイオードの形状によっては、遮光部材２３を形成せずとも同様の機能を得ることが可能である。

図１９～２１は、本発明の第２実施形態に係る特定波長検出器２０の出力信号の一例を示す図である。図１９～２１では、特定波長検出器２０で特定の波長λｓの光を検出した場合の出力信号の一例を示している。可動光反射部３の共振周波数をｆとすると、駆動周期Ｔは１／ｆである。

図１９は、測定波長範囲（λｍ～λｘ）に対して、可動光反射部３の角度振幅が一致している状態を表している。この場合、例えば、λｓ＝λｍとすれば、可動光反射部３の振れ角の最大位置で、特定の波長λｓの光が検出されるため、特定の波長λｓの検出信号が、周期Ｔで１回ずつ出力されることとなる。

図２０は、測定波長範囲（λｍ～λｘ）に対して、可動光反射部３の角度振幅に余裕がある状態を表している。この場合、特定の波長λｓの検出信号が、周期Ｔで信号が２回ずつ出力されることとなる。

図２１は、測定波長範囲（λｍ～λｘ）に対して可動光反射部３の角度振幅に余裕がない状態を表している。この場合、特定の波長λｓの検出信号の振幅が低下することとなる。さらに、可動光反射部３の角度振幅が低下すると、特定の波長λｓの検出信号が出力されなくなる。

分光器の場合、測定波長範囲（λｍ～λｘ）を常に維持する必要があるため、図１９の状態、または、可動光反射部３の角度振幅に余裕がある図２０の状態である必要がある。特に、図２０の場合は、特定の波長λｓの検出信号の振幅に依存することなく、二つのピーク間の時間ＴｄあるいはＴｓを検出することで、可動光反射部３の角度振幅に余裕があることを検出することができる。また、ＴｄあるいはＴｓを一定にするように可動光反射部３の駆動を制御することで、測定波長範囲（λｍ～λｘ）を一定にすることができ、Ｔｓの範囲において、光出射部４から出射される光を検出すれば、所望の分光スペクトルを得ることが可能である。また、可動光反射部３の共振周波数ｆが変動する可能性がある場合は、ｆの値によってＴｄが変化するため、周期Ｔ（＝１／ｆ）を測定することによって、共振周波数ｆに応じてＴｄを一定に制御することができ、所望のスペクトルを得ることが可能である。

なお、Ｔの範囲は可動光反射部３の一往復分の駆動範囲であるため、実際には２回分のスペクトルが得られる。これらの半分のデータをスペクトルデータとして使用しても良いし、平均した値を使用してもよい。

図２２は、本発明の第２実施形態に係る可動光反射部３の振れ角の時間波形の一例を示す図である。図２２中の実線は、振れ角が測定波長範囲と一致している状態（図１９の状態）を表しており、振れ角の最大値において、最小波長λｍの光が光出射部４から出射されている状態（図１９の状態）を表している。図２２中の破線は、振れ角が測定波長範囲以上となっている状態（図２０の状態）を表している。この例では、振れ角が正の最大値付近で、最小波長λｍ相当の振れ角を超えているため、最小波長λｍ相当の振れ角となるタイミングで特定の波長λｓが検出される。このため、図２０に示したように、一周期ごとに二つの検出信号が連続して検出されることとなる。図２２中の一点鎖線は、振れ角が不十分な状態（図２１の状態、または、特定の波長λｓの出力が０の状態）を表している。

なお、特定波長検出器２０の検出結果は、例えば、駆動回路７に出力され、可動光反射部３の回転角度のフィードバック制御に用いられる。この場合、例えば、駆動回路７は、特定の波長λｓの検出信号の時間間隔ＴｄあるいはＴｓを一定に制御することで、可動光反射部３の回転角度を一定に制御するようにしてもよい。

（分光器の構成の変形例）
分光器の構成の変形例について説明する。なお、以下に説明する各変形例においては、それ以前に説明した分光器からの変更点について説明する。また、各変形例において、それ以前に説明した構成要素と同様の機能を有する構成要素については、それ以前に説明した構成要素と同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、各変形例において、分光器の動作原理等は、それ以前に説明したものと同様であるため、説明を省略する。

（第１変形例）
図２３は、本発明の第２実施形態に係る分光器の構成の第１変形例を示す概念図である。図２３に示す分光器５０Ｂでは、光入射部１と可動光反射部３とが、同一の基板６上に形成されている。また、分光器５０Ｂでは、光出射部４と、凹面回折格子２と、特定波長検出器２０とが、同一の基板５上に形成されている。例えば、基板５，６にＳｉ基板を用いた場合、光入射部１および光出射部４は、半導体プロセス、ＭＥＭＳプロセス等を用いて、それぞれ基板５，６上に一体的に形成することが可能である。

分光器５０Ｂにおいて、特定波長検出器２０は、光検出器２１とバンドパスフィルタ２２（図１７参照）とを備えたものであってもよく、さらに遮光部材２３（図１８参照）を備えたものであってもよい。前者の場合、光検出器２１およびバンドパスフィルタ２２は、例えばファブリペローフィルタ等を半導体プロセスを使用して形成できるため、基板５上にモノリシックに形成することが可能である。後者の場合、遮光部材２３も金属薄膜等を半導体プロセスを使用して形成できるため、光検出器２１およびバンドパスフィルタ２２と一体的に形成することが可能である。

このように構成された分光器５０Ｂによれば、特定波長検出器２０を基板５上に一体的に形成することができるため、さらなる小型化が可能である。また、分光器５０Ｂによれば、半導体プロセスを用いて光出射部４および特定波長検出器２０を形成することにより、光出射部４と特定波長検出器２０との間の高精度の位置関係を実現することができる。このため、分光器５０Ｂによれば、可動光反射部３の振れ角を正確に検出し、測定波長範囲を安定させることが可能である。

（第２変形例）
図２４は、本発明の第２実施形態に係る分光器の構成の第２変形例を示す概念図である。図２４に示す分光器５０Ｃは、基板５において、特定の波長λｓの光の集光位置に光出射部２４が形成されており、特定波長検出器２０が外部に配置されている点で、図２３に示す分光器５０Ｂと異なる。光出射部２４は、本発明の「第２の光出射手段」の一例である。このように構成された分光器５０Ｃによれば、特定波長検出器２０を基板５に形成しないため、基板５のプロセスを簡略化することができる。一方、光出射部４および光出射部２４については、基板５上に同一のプロセスで同時に形成できるため、それぞれの位置関係を精密に制御することが可能である。このため、分光器５０Ｃによれば、可動光反射部３の振れ角を正確に検出し、測定波長範囲を安定させることが可能である。

（第３変形例）
図２５は、本発明の第２実施形態に係る分光器の構成の第３変形例を示す概念図である。図２５に示す分光器５０Ｄは、特定波長検出器２０の構成要素である検出器２１とバンドパスフィルタ２２とが互いに分離されて配置されている点で、図２４に示す分光器５０Ｃと異なる。具体的には、バンドパスフィルタ２２は、基板５上において、光出射部２４を覆うように配置されている。一方、検出器２１は、外部に配置されている。このように構成された分光器５０Ｃによれば、外部には検出器２１のみが配置されるため、外部にさらにバンドパスフィルタ２２を配置する構成と比較して、小型化が可能である。

（第４変形例）
図２６は、本発明の第２実施形態に係る分光器の構成の第４変形例を示す概念図である。図２６に示す分光器５０Ｅは、基板５において、特定波長検出器２０が光出射部４よりも左側（図中Ｙ軸負側）に配置されている点で、図２３に示す分光器５０Ｂと異なる。この配置変更は、特定の波長λｓが、測定波長範囲の最大波長λｘよりも長波長側に設定されたことに応じてなされたものである。すなわち、特定波長検出器２０は、最大波長λｘの光が光出射部４を通過するときに特定の波長λｓの光が集光する位置に配置されている。

特に、測定波長範囲の最大波長λｘが２０００ｎｍ以下である場合、特定の波長λｓの集光位置での高次回折光の特定の波長λｓ'を検出する構成としてもよい。これまでに説明したλｍ、λｘ、λｓは、１次回折光であるが、回折の原理より、１次回折光の位置には波長が１／２となる２次回折光が重畳して回折される。例えば、特定の波長λｓを１次回折光の２０００ｎｍとした場合、１次回折光の集光位置と同じ位置にλｓ'＝λｓ／２となる波長１０００ｎｍの２次回折光が集光する。よって、波長λｓ'である２次回折光を検出することにより、より安価なＳｉフォトダイオードを使用できるので、より低コスト化が可能となる。

なお、第２実施形態で説明した特定波長検出器２０は、第１実施形態で説明した全ての分光器１０Ａ～１０Ｉに適用可能である。

また、各実施形態で説明したいずれかの分光器を、光源とともに用いて、分析装置を構成するようにしてもよい。この分析装置では、例えば、光源により、被測定物に対して測定光を照射する。そして、分光器により、被測定物において拡散反射された測定光を波長毎に分光し、これによって得られた波長毎の測定光を検出する。これにより、分析装置は、被測定物の分子構造に特徴的な、波長毎の分光スペクトルを得ることができる。また、各実施形態で説明したいずれかの分光器を、光源とともに用いて、波長可変光源を構成するようにしてもよい。このように、各実施形態のいずれかの分光器を用いた分析装置および波長可変光源は、分光器が小型且つ低価格であるため、分析装置および波長可変光源自体についても、小型化且つ低価格化を実現することができる。

図２８は、本発明の第１実施形態に係る分光器１０Ａを用いた分光測定装置７０の構成を示す概念図である。図２８に示す分光測定装置７０は、図１に示す分光器１０Ａに対し、光出射部４の外側に光検出器３０を設置し、さらに、光源３１を設けた構成である。分光測定装置７０においては、光源３１から照射された光が、被測定物９０に照射され、被測定物９０で反射された光が、光入射部１から分光器１０Ａ内に入射する。凹面回折格子２によって回折された光は、可動光反射部３によって反射され、可動光反射部３の角度に応じて光出射部４から出射された後に、検出器３０によって検出される。これにより、分光測定装置７０は、被測定物９０の吸収分光スペクトルを得ることが可能である。なお、分光測定装置７０における詳細な動作原理については、前述と同様のため、ここでは説明を省略する。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。

１ 光入射部（光入射手段）
２ 凹面回折格子（回折格子）
３ 可動光反射部（反射手段）
４ 光出射部（光出射手段）
５ 基板（第２の基板）
６ 基板（第１の基板）
７ 駆動回路（駆動手段）
８ 梁部
１０Ａ～１０Ｉ 分光器
１１ 光反射ユニット
１４ 樹脂層
１５ 反射部材
１７ スペーサ（介在部材）
１８ 光検出部（光検出手段）
１９ 基板（第３の基板）
２０ 特定波長検出器（特定波長検出手段）
２１ 光検出器（光検出部）
２２ バンドパスフィルタ
２３ 遮光部材
２４ 光出射部（第２の光出射手段）
５０Ａ～５０Ｅ 分光器

特開２０１５－１４８４８５号公報

Claims (20)

1. 外部からの光を入射させる光入射手段と、
   前記光入射手段によって入射された前記光を波長分散させる凹面回折格子と、
   前記凹面回折格子によって波長分散された異なる波長の前記光を反射する反射面を有し、当該反射面の傾きが可変自在である反射手段と、
   前記反射手段の前記反射面の傾きを変化させることによって反射された前記波長が異なり焦点距離が異なる光を外部に出射する単一の光出射手段と
   を備え、
   前記光入射手段によって入射された前記光は、前記光出射手段によって出射される前に２回だけ反射することを特徴とする分光器。
2. 前記反射手段を駆動することによって前記反射面の傾きを制御する駆動手段
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
3. 前記光出射手段の光通過部は、前記光の入射側よりも出射側の方が広いことを特徴とする請求項１または２に記載の分光器。
4. 前記光入射手段と前記光出射手段は、前記入射手段から前記凹面回折格子に向かう前記光の光路と、前記凹面格子から前記光出射手段に向かう前記光の光路と、が交差するよう位置することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の分光器。
5. 前記光出射手段と、前記凹面回折格子とが、同一の基板に形成されている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の分光器。
6. 前記光入射手段と、前記反射手段とが、同一の基板に形成されている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の分光器。
7. 前記光出射手段と、前記光入射手段とが、同一の基板に形成されている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の分光器。
8. 第１の基板および第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置された介在部材とをさらに備え、
   前記光入射手段と前記反射手段とが、前記第１の基板に形成されており、
   前記光出射手段と前記凹面回折格子とが、前記第２の基板に形成されており、
   前記第１の基板および前記第２の基板の各々が、前記介在部材に接合されている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の分光器。
9. 第１の基板および第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間において、前記第１の基板および前記第２の基板に対して非平行に配置された第３の基板と
   をさらに備え、
   前記反射手段が、前記第１の基板に形成されており、
   前記凹面回折格子が、前記第２の基板に形成されており、
   前記光入射手段と前記光出射手段とが、前記第３の基板に形成されており、
   前記第１の基板および前記第２の基板の各々が、前記第３の基板に接合されている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の分光器。
10. 前記凹面回折格子の中心部の垂線と、前記凹面回折格子が形成されている基板面とが直交しないように、前記凹面回折格子が形成されている
    ことを特徴とする請求項１から６，８，９のいずれか一項に記載の分光器。
11. 光出射手段から出射された前記光を検出する光検出手段を
    さらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の分光器。
12. 光出射手段に代えて、前記反射手段によって反射された前記光を検出する光検出手段を備え、前記光検出手段は単一の光センサであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の分光器。
13. 前記反射手段によって反射された光の特定の波長の光を検出する特定波長検出手段
    をさらに備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の分光器。
14. 前記特定波長検出手段と、前記凹面回折格子とが、同一の基板に形成されている
    ことを特徴とする請求項１３に記載の分光器。
15. 前記反射手段によって反射された光を、外部に設けられた前記特定波長検出手段に向けて出射する第２の光出射手段
    をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の分光器。
16. 前記第２の光出射手段と、前記凹面回折格子とが、同一の基板に形成されている
    ことを特徴とする請求項１５に記載の分光器。
17. 前記特定波長検出手段によって検出された、前記特定の波長の光の検出信号の時間間隔を一定に制御することで、前記反射手段の傾き範囲を一定に制御する
    ことを特徴とする請求項１３から１６のいずれか一項に記載の分光器。
18. 光検出手段によって検出される前記光の次数と、前記特定波長検出手段によって検出される前記特定の波長の光の次数とが異なる
    ことを特徴とする請求項１３から１７のいずれか一項に記載の分光器。
19. 光源と、
    請求項１から１８のいずれか一項に記載の分光器と
    を備えることを特徴とする分析装置。
20. 光源と、
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の分光器と
    を備えることを特徴とする波長可変光源。

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