JPH09507922A - 格子構造体及びその使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、一連の、光学的性質の凸面及び凹面を有する格子構造体に関する。本発明の課題は、波面分割方式を利用して、適切な回折素子（光学素子）を提供すること、並びに、その使用を示すことにある。この課題は、それぞれ隣接する凸面と凹面との高さの差が少なくとも４つの異なった値を有していることにより解決される。

Description

【発明の詳細な説明】 格子構造体及びその使用 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念記載の格子構造体並びにその使用に関 する。 その種の格子構造体は、C.W.Haggans他の“Lamellar Gratings as Polarisati on Compounds for Specularly Reflected Beams”Journ.of Modern Optics 40,6 75-686頁（1993年）から公知である。 赤外線用多チャンネル−フーリエ分光計が公知であり、そこでは、入射光束は 、複屈折サバール板によって２つの部分束に分割され、その後、ＣＣＤ−検出器 の画像面上に結像され、そのＣＣＤ−検出器の画像面上で、その光束の、光軸に 対する傾きに応じて、入射個所と相関して位相がシフトする(Appl.Opt.31,6096( 1992))。 この多チャンネル−フーリエ分光計では、入射ビームの振幅は、２つの部分に 分割され、重畳された両ビーム部分の空間的強度分布から、各インターフェログ ラム点が得られる。各空間点は、最も短い波長で入射する光の半波長に相応する 間隔を有している。現実的な測定間隔（その各中心は、最も所望の間隔を有して いる）は、点状ではなく、微かであれ所定の拡がりを有しているものである。こ の測定間隔は、充分な信号 を記録することができるように選定されなければならず、しかも、インターフェ ログラムの変調が損なわれないように小さくなければならない。この間隔の大き さが、例えば、各中心の間隔の１０％である場合、インターフェロクグラムの評 価用の光の９０％が消失してしまう。 更に、この方式は、サバール板のために、縮小化及び大量生産用には適してい ない。 本発明の課題は、波面分割方式を利用して、適切な回折素子（光学素子）を提 供すること、並びに、その使用を示すことにある。 この課題は、特許請求範囲第１項及び第８項によって解決される。各従属請求 項には、格子構造体の有利な各構成が示されている。 本発明によると、フーリエ分光計が、波面分割方式をマイクロ技術製造方法と 組合せることによって、その大きさ及びコストが、ほぼＣＣＤ−カメラによって 決められる限りで縮小化することができる（今日通常の装置は、トランクの大き さであり、５桁のドイツマルク価格である）。提案された装置は、自動的に多チ ャンネル、つまり、時間分解された測定に適している。使用領域は、環境技術、 プロセス制御、分析化学、及び航空／宇宙飛行技術分野である。上述のフーリエ 分光計に使用される回折光学素子（ＤＯＥ）は、可視部で強い発色効果を生じる ことがあり、この発色効果 は、例えば、色分け手段として、プラスチックカード及び装飾領域で使用するこ とができる。 本発明は、振幅分割とは異なって、入射光の波面の分割を利用する。この入射 光は、Ｎ×Ｎの部分束に分割され、各部分束のそれぞれに、Ｎ×Ｎの種々の光学 的位相差の一つが導入されている。検出器により、Ｎ×Ｎの部分束の光の大部分 が受光され、その結果、ほぼ全入射光流が利用される。検出器によって記録され る各部分束のビームは、同じ位相差を有しているので、インターフェログラムの 光学的強度及び変調が得られる。 湾曲面を持った回折光学素子（ＤＯＥ）を用いる場合、分光計に結像レンズを 用いないで済む。 本発明について、以下、図示の実施例を用いて、詳細に説明する。 その際、図面は以下の通りである： 図１：型板の形成用の、ＬＩＧＡ−技術で輪郭形成して製造されたプレートを示 す図（平面図） 図２：取り付けられた型板を示す図 図３：輪郭形成されたプレートの択一選択的な形状を示す図（等測図） 図４：格子縞の階段状構造体（但し、ウェブ及び溝構造部分はない）を示す図 図５：場所を限定した凝着（析出）による薄膜（層）形成（蒸着、薄膜スパッタ リング）による構造体の形 成を示す図 図６：エキシマレーザを用いた剥離によってプラスチックに形成された階段状の 表面を示す図（階段部は、矩形状レーザビームに対して試料テーブルを変位する ことによって形成される。） 図７：反射作動式フーリエ分光計を示す図 図８：透過作動式フーリエ分光計を示す図 図９：マイケルソン干渉計として構成された、可動部のないフーリエ分光計（そ の一方の鏡は、格子縞に段階付けられた回折光学素子である）を示す図。 回折光学素子乃至分光計は、Ｎ×Ｎ、例えば、８×８の薄板状の格子に分割さ れた表面を有しており、その際、薄板状の格子は、一連のｍ個のウェブ及び溝（ 例えば、ｍ＝５）から形成されている。ウェブ上面並びに溝底面は、光学的性質 の平面である。この面は、後述のマイクロ技術の方法を用いて形成される。各格 子は、インターフェログラムに対する所定の光学的経路差を示す。全て共働して 、一つの信号曲線が得られる（可動フーリエ分光計によっても形成されるが、こ のインターフェログラムは、時間の関数として走査されるのみならず、真の、時 間依存のフーリエ分光計としても作動することができる）。 以下説明する方法によると、そのような回折光学素子を直接、又は、型板を用 いて回折光学素子を型成形して製造することができる。 ＬＩＧＡを用いて、１０μｍ〜５００μｍ、ここでは、例えば、５００μｍの 所望の厚みの、輪郭形成されたプレートが製造される（図１では、簡単化のため に、４つの段階付けしか示されていない）。各溝及び各ウェブの幅は、例えば、 それぞれ１００μｍの大きさである。５つのウェブ及び溝は、それぞれ例えば、 同じ深さであり、１ｍｍの長さに亙っている。２μｍ以上の赤外線領域内で使用 した場合、深さは、約０．５μｍから０．５μｍ〜３２μｍのステップで変化す る。薄板状の格子の段階を種々の深さにすることによって、光学経路の差を種々 の大きさにすることができる。この輪郭形成したプレートから、１６個の切片が 形成され、それらの切片のうち、２つずつが同一である。プレートの下端部と溝 の底部との間の間隔は、全てのプレートで等しい。各ウェブの高さ乃至各溝の深 さは、選択された実施例では、対毎に４μｍだけ変化する。プレートは、精密機 械技術によって加工された平面状のベースプレート上に積層され、ターミナルボ ックスによって固定されている。この積層体の端縁の長さは、両方向に８ｍｍの 大きさである。ＬＩＧＡで製造された輪郭形成されたプレートを、矩形ではない 実際上任意の他の波状型にすることもでき、例えば、正弦波状、鋸歯状、三角形 状にして、種々の干渉作用を達成することができることは明らかである。同様に 、例えば、ブラッグ格子を、ポリマーの集積−光学構 成素子用の結合、乃至解除装置として形成するために型板を使用することができ る。 この装置は、ＤＯＥも型板も構成し（図２には、簡単化のために４×４個のア レイ領域しか示されていない）、射出乃至反応鋳込み乃至成型のために使用する ことができる。この型板を用いて、プラスチック部分は、例えば、ＰＭＭＡ（ポ リメチルメタクリレート）、又は、ポリアダマンチルメタクリレート、ポリカー ボネート（ＰＣ）、又は、ポリアリレートのような熱硬化材料から形成され、そ の表面は、Ａｌ又はＡｕのような金属での蒸着又はスパッタリング、又は、誘電 層を被着することによって所望の程度鏡面状にすることができる。各溝は、高屈 折率の材料によって充填することができ、それにより、光学路を延長し、従って 、位相シフトを拡大し、機械的強度を改善して、汚れ難くすることができる。 この実施例では、型板の各溝の底面が同じレベルにされ、従って、成形部の各 ウェブ上面が同じレベルにされている。このような構成は、基本的に取り替える こともでき、つまり、型板のウェブ上面が同じレペルにされ、従って、成形部の 各溝の底面が、同じレベルであるようにすることもできる。そうすることによっ て、プレートは、図３に略示した形状に変わる。更に、型板を、図４に示した階 段状に段階付けしたプレートから形成し、積層することもでき、その後、その表 面を、ｘ線レジストによって、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート） のような被着物を除去して、このレジストにおいて、Ｘ線深部リソグラフィを用 いてストライプパターンに転換され、このパターンは、現像後、電気的に仕上げ られて、その結果ウェブが形成される。精密機械技術平面加工及び表面研磨によ り、レジストは、繰り返し露光及び現像されることによって、酸素プラズマで、 又は、エキシマレーザ切除によって剥離され（「ストリップ」）て、最終的な干 渉計表面が形成され、この表面は、後続のプラスチック成形用の型板として使用 することもできる。 上述の、ＬＩＧＡ−技術を用いた製造方法は、特に、ＩＲ（赤外線）−領域用 に適しているのに対して、以下の方法は、比較的僅かな階段部高さのために、薄 膜技術による方法に基づく可視及び紫外線スペクトル領域で有利である。その際 、空間的に構造形成された種々の厚みの薄膜が基板上に析出される。図５には、 薄膜厚が局所的に絞りによって設けられる様子が横断面で示されている。矩形開 口ａ×ａの固定絞りによって、凡そ被覆加工すべき領域を定めることができる。 その中には、値ａ（１−１／Ｎ）のスリット絞りが、シフトできるように設けら れている。種々の絞りの各位置において、干渉計の設計仕様データによって決ま る、適切な材料（例えば、Ａｌ又はＡｕ）の薄膜厚が、蒸着又はスパッタリング によって析出され、その結 果、階段状のプロフィールが形成される。その後、この構成が９０°回転され、 同様にして、既に形成されているものに対して対角方向に階段部系が被着される 。その階段部の高さは、比較的小さく、最大の階段部の高さの１／Ｎの大きさで ある。そのようにすることによって、格子縞に、種々の高さの各領域に分割され た表面が形成される（図４に相応）。次のステップでは、この面は、上述のよう に、Ｘ線レジストによって、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）の ような、被着物が除去される。このレジストで、Ｘ線深部リソグラフィを用いて ストライプパターンが転換されて、現像後、電気的に仕上げられ、その結果、ウ ェブが形成される。繰り返し露光して現像することによって、レジストを除去し た後、酸素プラズマで、又は、エキシマレーザ切除によって、最終的な干渉計表 面が形成され、この干渉計表面は、後続のプラスチック成形用の型板として使用 することもできる。 第３の製造方法は、エキシマレーザ光のビーム照射によってプラスチックを切 除することを利用するものである。その際、適切なプラスチック、例えば、ＰＭ ＭＡ（ポリメチルメタクリレート）の板片から、エキシマレーザ、例えば、波長 １９３ｎｍのＡｒＦ−レーザのビーム照射によって、表面の材料が除去される。 レーザからビーム照射された絞りを用いて結像することによって、材料の表面に シャープに限定された矩形 光部が形成される。相互に直交する２つの方向に試料テーブルを連続的にシフト することによって、段階的に材料を除去することができ、その結果、同様に、種 々の高さの領域の格子縞が形成される（図６）。その際、有利には、作業工程で 、２つの構造体が形成されるようにすることができる。ウェブは、既述のように 形成される。 前述の各方法を組合せることは可能であり、特に、経済的理由から望ましい。 同様に、そのように形成されたアレイを、例えば、アルミニューム又は銀のよう な金属、又は、例えば、ＰＴＦＥのようなプラスチックで被覆して、光学的反射 性又は化学的耐性を改善するようにすることができる。 そのようにして製造された薄板状格子アレイは、同様にマイクロ技術で製造さ れた絞りプレート及びダイオードアレイ又はＣＣＤ−カメラ（コントローラ及び コンピュータ評価装置を有する）の光学素子と共働して、総体的なフーリエ分光 計システムを構成する。波長領域に応じて、そのようなシステムは、反射方式（ 図７）又は透過方式（図８）で作動する。 図７では、平行又は光学素子によってコリメートされた光束が、ＤＯＥの表面 に入射し、反射によってＮ×Ｎのコヒーレントな部分束に分割され、この部分束 のうち半分が所定のように位相シフトされている。それから、反射された束は、 コリメータ又は１セットの 絞りを通過し、その際、屈折次数０次のものだけが通過される。このコリメータ は、格子定数と最短波長との比よりも大きなアスペクト比、即ち、１００より大 きなアスペクト比を有している必要があり、例えば、ＬＩＧＡ−技術で製造され る。その際、位置分解検出器は、直接コリメータに接続されるか、又は、レンズ 又は凹面鏡からなるもう一つの光学装置をその間に接続することができ、それに より、ＤＯＥの表面が検出器に結像される。フーリエスペクトルが、そのように カメラで位置依存して読み出される。 図８では、同様に、平行又は光学素子によってコリメートされる光束が、ＤＯ Ｅの表面に入射し、透過によって、Ｎ×Ｎのコヒーレントな部分束に分割され、 この部分束の半分は、所定のように位相シフトされている。ここでは、利点を有 する材料として、近赤外線でも良好な透過性を有しているフォトライムゲル(Pho tolime Gel)を使用することができる。このゲルは、R.T.Chen,Polymer-based Ph otonic Integrated Circuits, Optics & Laser Technology 25(1993)347-365頁 に記載されている。図７の場合と同様に、コリメータ、選択的な光学素子及びカ メラが後続接続されている。 透過方式の場合、２つの材料からなるＤＯＥの構造体によって、位相差の検出 のため、各材料の屈折率の差も利用することができる。それにより、階段部の高 さを比較的大きくすることができる。これは、殊に、可視領域及び近紫外線領域 で有利である。と言うのは、この領域では、階段部の高さは、反射作動の場合、 非常に小さくなるからである。 図４に示されているプレートは、更に、マイケルソン−干渉計の両鏡の一つと して利用することができ、この干渉計によると、同様に、可動部なしに、瞬時フ ーリエスペクトルが提供される（図９）。この装置構成の利点は、両鏡とビーム スプリッタとの間隔が、２面の対称的なインタフェログラム又は１面のインタフ ェログラム（分解能及びゼロ基準線を定めることによって区別される）を撮像す ることができるように選定することができる。１面のインタフェログラムによっ て、そのように大きな２倍の分解能が得られ、２面のインタフェログラムによっ てゼロ基準線が定められる。この両選択は、完全な格子−ＤＯＥでは実現できな い。更に、それにより、検出器によって受信された信号から、０次のピーク値を 初めから分離し、この様にして、動的な領域を著しく拡大することもできる。 １部分束内での典型的に選択された位相シフトは、最も短い波長の２πの数倍 になる。 フーリエ分光計の分解能は、最大シフトと波数の積、即ち、Ｎ２／２によって 得られる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年７月４日 【補正内容】 請求の範囲 １，一連の、光学的性質の凸面及び凹面を有する、フーリエ分光計で使用するた めの格子構造体において、格子構造体は、多数の２要素から成るプレート格子を 有しており、該各プレート格子は、相互に異なった高さの差を有しており、種々 の面領域内に設けられていることを特徴とする格子構造体。 ２．各高さの差は、μｍ領域内である請求項第１項記載の格子構造体。 ３．各面は、０．０１〜０．５ｍｍの端縁の長さである請求の範囲第１項又は第 ２項記載の格子構造体。 ４．６４個の異なった高さの差がある少なくとも６４個の対の面がある請求の範 囲第１項〜第３項までの何れか１項記載の格子構造体。 ５．各高さの差に対して、複数の対の面がある請求の範囲第１項〜第４項までの 何れか１項記載の格子構造体。 ６．隣接した凸面と凹面は、同様に湾曲されている請求の範囲第１項〜第５項ま での何れか１項記載の格子構造体。 ７．それぞれの全ての凸面を包含する面と、それぞれの全ての凹面を包含する面 との両者は、同様に湾曲されている請求の範囲第１項〜第６項までの何れか１項 記載の格子構造体。 ８．各面は、１次元領域又は２次元領域の形式で設けられている請求の範囲第１ 項〜第７項までの何れか１項記載の格子構造体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一連の、光学的性質の凸面及び凹面を有する格子構造体において、それぞれ 隣接する凸面と凹面との高さの差が、少なくとも４つの異なった値を有している ことを特徴とする格子構造体。 ２．各高さの差は、μｍ領域内である請求項第１項記載の格子構造体。 ３．各面は、０．０１〜０．５ｍｍの端縁の長さである請求の範囲第１項又は第 ２項記載の格子構造体。 ４．６４個の異なった高さの差がある少なくとも６４個の対の面がある請求の範 囲第１項〜第３項までの何れか１項記載の格子構造体。 ５．各高さの差に対して、複数の対の面がある請求の範囲第１項〜第４項までの 何れか１項記載の格子構造体。 ６．隣接した凸面と凹面は、同様に湾曲されている請求の範囲第１項〜第５項ま での何れか１項記載の格子構造体。 ７．それぞれの全ての凸面を包含する面と、それぞれの全ての凹面を包含する面 との両者は、同様に湾曲されている請求の範囲第１項〜第６項までの何れか１項 記載の格子構造体。 ８．各面は、１次元領域又は２次元領域の形式で設けられている請求の範囲第１ 項〜第７項までの何れか １項記載の格子構造体。 ９．請求の範囲第１項〜第８項記載の格子構造体を、フーリエ分光計での拡散光 学素子として使用すること。