KR101401491B1

KR101401491B1 - 분광 소자, 분광 장치 및 분광 방법

Info

Publication number: KR101401491B1
Application number: KR1020080077566A
Authority: KR
Inventors: 타케시 미사와; 슈우 타카하시; 미츠루 이와타; 카즈야 오다; 모토아리 오타; 카즈요시 이토; 야스유키 오제키; 요시타카 코바야시
Original assignee: 후지필름 가부시키가이샤
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2014-06-03
Also published as: CN101363753B; TWI434029B; TW200916743A; HK1125449A1; KR20090015005A; JP2009058948A; JP5184251B2; CN101363753A

Abstract

본 발명은 입사광을 복수의 파장대로 분광하는 분광 소자를 제공한다. 금속체는 상방으로 개구된 홀부 또는 구멍부를 갖는다. 이 홀부 또는 구멍부는 수평 단면이 서로 평행하지 않은 적어도 한 쌍의 대향면을 갖는 다각 형상으로 형성되어 있다. 이 홀부 또는 구멍부는 그 내측면이 거울상의 반사면으로 되어 있다. 개구로부터 홀부 또는 구멍부에 입사된, 편광된 입사광은 반사면에 의해 반사되고, 자체의 간섭에 의해 홀부 또는 구멍부의 내부에 정재파를 발생시켜 입사광을 복수의 파장대로 분광한다.

분광 소자

Description

분광 소자, 분광 장치 및 분광 방법{SPECTROSCOPY DEVICE, SPECTROSCOPY APPARATUS AND SPECTROSCOPY METHOD}

본 발명은 입력된 광을 분광하기 위한 분광 소자 및 상기 분광 소자를 이용한 분광 장치 및 분광 방법에 관한 것이다.

분광 소자나 분광 장치 및 분광 방법으로서는 여러가지의 구성의 것이 알려져 있지만 일반적으로는 프리즘을 이용해서 입사된 광을 분광하고, 촬상 소자를 이용해서 전기 신호로 한 후에 기록한다. 이러한 구성의 종래의 분광 광도계에 있어서는 분광되는 파장의 변화는 프리즘의 구동 기구를 사용한 기계적 변화에 대응하기 때문에 동시에 복수의 파장을 검출하는 것은 곤란했다. 이 문제를 해결하기 위해서 다음에 나타내는 바와 같은 발명이 이루어져 있다.

특허 문헌 1에는 광로 상에 순차적으로 배치된 제 1 결상 렌즈, 슬릿판, 제 1 콜리메이터 렌즈, 분광 수단, 제 2 콜리메이터 렌즈, 마이크로 프리즘 어레이, 제 2 결상 렌즈 및 2차원 어레이 센서를 구비하는 분광 장치가 개시되어 있다. 분광 수단에 의해 분광된 광속 중 소정 파장을 갖는 것은 마이크로 프리즘 어레이에 의해 굴곡되어 소정의 방향으로 출사된다. 이것에 의해 2차원 어레이 센서의 소정 의 센서 상에 소정의 파장을 갖는 분광 화상이 결상됨으로써 다수 동시에 분광을 얻는 것이 가능한 분광 장치를 실현하고 있다.

특허 문헌 2에는 시야 마스크와 광학계의 광축에 대해서 다른 방향으로 법선을 갖는 복수의 광굴절면이 형성되고, 그 각 광굴절면에 의해 렌즈의 동공면이 분할되도록 렌즈의 동공면 근방에 설치된 프리즘과 렌즈와 촬상 소자를 구비하는 분광 장치가 개시되어 있다. 이것에 의해 촬상 소자 상에 생성되는 복수의 동일 화상은 서로 다른 파장 성분의 복수의 동일 분광 화상으로서 형성되고, 복수의 파장에 대응하는 분광 화상을 동시에 취득할 수 있는 분광 장치를 실현하고 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평8-193884호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 평8-233658호 공보

이러한 분광 장치에서는 분광상을 촬상하는 촬상 소자에 대해서 각각 렌즈나 프리즘으로 이루어지는 광학계를 필요로 하기 때문에 부품 배치상 및 광학 설계상 필요한 스페이스가 크게 되고, 이 때문에 분광 장치의 사이즈가 매우 큰 것으로 되어 있다. 또한, 프리즘이나 렌즈 및 촬상 소자 등의 부품을 케이스체를 통해 위치 맞춤하기 때문에 조정에 시간을 요하는 것 외에 위치 맞춤 정밀도에도 한계가 있었다.

본 발명은 종래의 분광 소자, 분광 장치 및 분광 방법에 있어서의 상기 문제점을 해소한 신규의 분광 소자를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명의 분광 소자는 상방으로 개구된 홀부 또는 구멍부로서, 수평 단면이 서로 평행하지 않은 적어도 한 쌍의 대향면을 갖는 다각형인 홀부 또는 구멍부를 갖는 금속판으로 이루어지고, 상기 홀부 또는 구멍부의 내측면이 거울상의 반사면으로 되어 있고, 상기 개구로부터 상기 홀부 또는 구멍부에 입사되는 편광된 입사광을 상기 반사면에 있어서 반사함에 의한 간섭에 의해 상기 홀부 또는 구멍부의 내부에 정재파를 발생시켜 상기 입사광을 복수의 파장대로 분광하는 것을 특징으로 하는 것이다.

여기에서, 「홀부」란, 바닥이 있는 것, 「구멍부」란, 관통 구멍을 의미하는 것으로 한다.

또한, 이 홀부 또는 구멍부는 그 안에 입사된 광을 내부에서 반사시킴으로써 내부에 정재파를 발생시키는 크기, 즉, 광의 파장에 비해서 현저하게 크지 않은 정 도의 크기, 예를 들면, 수배 정도의 크기를 갖는 것이다.

또한, 금속판이란, 일반적으로는 평행한 상면(표면)과 하면(이면)을 갖는 얇은 것을 의미하지만 여기에서는 반드시 표면과 이면이 정확하게 평행한 것에 한정되지 않는 것으로 하고, 두께도 반드시 수평 방향의 크기에 비해서 작은 것에 한정되지 않는다.

또한, 입사광을 복수의 파장대로 분광한다란, 홀부 또는 구멍부 내부의 다른 위치에 다른 파장대의 광이 집광 또는 정재되도록 하는 것을 의미하고, 이들 장소에 각각 수광부를 갖는 센서를 배치하면 수광부마다 다른 파장대의 광을 검지할 수 있는 것을 의미한다. 하나의 예로서는 그 홀부 또는 구멍부의 바닥부에 있어서 수평 방향으로 다른 위치에 다른 파장대의 분광 성분을 집광시킬 수 있다.

상기 홀부 또는 구멍부의 수평 단면의 형상은 서로 평행하지 않은 적어도 한 쌍의 대향면을 갖는 다각형일 필요가 있지만 이것은 상기 정재파를 발생시켜 다른 위치에 다른 파장대를 집광시키기 위한 조건이며, 구체적으로는 예를 들면, 등변사다리꼴 등의 사다리꼴로 할 수 있다. 사다리꼴의 양 변은 평행하지 않은 대향면을 형성하기 때문에 홀부 또는 구멍부의 상방 즉, 상기 개구로부터 입사된 편광이 그 대향면 사이에 있어서 반사를 반복해서 홀부 또는 구멍부의 바닥부 부근의 다른 위치에 다른 파장대를 집광시킬 수 있다고 생각된다.

또한, 더욱 구체적으로는 본 발명의 분광 소자는 두께가 균일한 금속판의 상면과 하면을 상면 및 하면에 관통되는 구멍부를 갖고, 상기 구멍부는 상기 금속판의 상면 방향 또는 하면 방향에서 본 횡단면을 구성하는 변 중, 세 변의 연장선이 둘러싸는 도형이 꼭지각이 협각인 이등변 삼각형을 형성함과 아울러 적어도 상기 횡단면을 구성하는 변 중, 이등변 삼각형의 등변에 접하는 상기 구멍부의 내측면은 거울상의 반사면으로 되어 있고, 상기 금속판의 상면으로부터 상기 구멍부에 입사되는 편광된 입사광이 상기 구멍부의 상기 반사면에 있어서 상기 입사광이 반사됨에 의한 간섭에 의해 복수의 파장대로 분광되는 것을 특징으로 하는 것으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 분광 소자는 상기 분광 소자의 상부에 편광 소자를 설치하고, 상기 편광 소자의 편광 방향을 상기 이등변 삼각형의 바닥변의 수직 이등분선과 평행 방향 또는 직각 방향으로 하는 것으로 해도 좋다.

또한, 본 발명의 분광 장치는 상기 어느 하나의 분광 소자를 이용해서 상기 구멍부가 상기 금속판의 상면 및 하면에 대해서 수직으로 관통되는 것을 특징으로 하는 것으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 분광 장치는 상기 어느 하나의 분광 소자를 이용해서 상기 입사광이 분광된 분광 분포의 국재 위치(局在位置)로 되는 상기 분광 소자의 하면에 수광 소자를 배치함으로써 상기 분광 분포를 전기 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 분광 장치는 상기 수광 소자를 복수 갖고, 상기 분광 분포의 복수의 국재 위치에 맞춰 상기 수광 소자를 배치한 것으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 분광 장치는 상기 분광 소자와 단수 또는 복수의 수광 소자의 조합으로 이루어지는 분광 장치를 복수 배열하여 2차원 분광 장치로 해도 좋다.

본 발명의 분광 방법은 수평 단면이 서로 평행하지 않은 적어도 한 쌍의 대향면을 갖는 다각형의 상방으로 개구된 내측면이 거울상의 반사면으로 되어 있는 홀부 또는 구멍부를 갖는 금속판을 준비하고, 상기 개구로부터 상기 홀부 또는 구멍부에 편광된 입사광을 입사시키고, 상기 반사면에 있어서 반사됨에 의한 간섭에 의해 홀부 또는 구멍부의 내부에 정재파를 발생시켜 입사광을 복수의 파장대로 분광하는 것을 특징으로 하는 것이다.

(발명의 효과)

본 발명에 의한 분광 소자는 수평 단면이 서로 평행하지 않은 적어도 한 쌍의 대향면을 갖는 다각형의 상방으로 개구된 홀부 또는 구멍부를 갖는 금속판으로 이루어지고, 홀부 또는 구멍부의 내측면이 거울상의 반사면으로 되어 있고, 이 개구로부터 입사되는 편광을 반사면에 있어서 반사함에 의한 간섭에 의해 내부에 정재파를 발생시켜 입사광을 복수의 파장대로 분광할 수 있는 것이기 때문에 매우 간단한 구조이면서 종래의 분광 소자와 동일한 분광 효과를 얻을 수 있다.

또한, 이 분광 소자와 수광 소자는 반도체 프로세스에 의해 제작할 수 있기 때문에 소형이며, 고정밀도의 분광 장치를 실현할 수 있다.

또한, 분광상을 촬상하는 촬상 소자에 대해서 렌즈나 프리즘으로 이루어지는 광학계를 필요로 하지 않기 때문에 부품 배치상 및 광학 설계상 필요한 스페이스를 작게 할 수 있고, 이 때문에 분광 장치의 사이즈를 매우 작은 것으로 할 수 있다. 또한, 프리즘이나 렌즈 및 촬상 소자 등의 부품을 사용하지 않으므로 이들을 케이스체를 통해 위치 맞춤할 필요가 없고, 이들을 위한 조정에 시간을 요하는 일이 없 고, 위치 맞춤 정밀도도 향상될 수 있다.

이하, 첨부 도면에 따라서 본 발명의 분광 소자, 분광 장치 및 분광 방법의 바람직한 실시형태에 대해서 설명한다.

<제 1 실시형태>

도 1은 본 발명의 분광 소자(10)의 구성의 일례이다. 도 1의 (a)는 분광 소자의 상면도이며, 입사광의 입사면에서 본 분광 소자(10)의 형상을 나타낸다. 분광 소자(10)는 두께가 균일한 금속판에 상면 즉, 입사면으로부터 하면 즉, 사출면에 관통되는 수직의 구멍부(20)를 갖는 구조체이다. 도 1에서는 마치 1개의 분광 소자가 독립되어 있는 것 같이 그려져 있지만 인접하는 다른 분광 소자와는 금속판을 공유로 하는 구조를 취하는 것이 제조상 또는 사용상 바람직하다. 따라서, 도 1의 외형 부분은 가상적인 것이라고 생각할 수 있다. 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 A-A'면의 단면을 나타내는 도면이다. 분광 소자(10)의 구조체를 구성하는 금속판은 그 구멍부(20)의 내벽에서 입사광을 반사시키지만 그 반사면(11, 12)은 본 실시예에서는 입사면(16) 및 사출면(18)과 수직으로 교차한다. 도 1의 (c)는 도 1의 (a)의 B-B'면의 단면을 나타내는 도면이고, 도 1의 (b)와 마찬가지로 반사면(13, 14)은 입사면(16) 및 사출면(18)과 수직으로 교차한다.

도 2에서 나타내는 본 발명의 분광 소자의 개념도에 나타내는 바와 같이, 분광 소자(10)의 입사면(16)으로부터의 입사광과, 도시하지 않는 입사광의 반사면에 있어서의 반사광이 사출면에 도달되어 간섭함으로써 발생되는 정재파에 의해 분광 이 행해진다. 사출면(18)에 있어서의 정재파가 분광 강도 분포로 된다.

도 3의 (a) 및 도 3의 (b)는 본 발명의 분광 소자의 구멍부 형상의 정의를 나타낸 것이다. 도 3의 (a)에 나타내는 본 발명의 분광 소자의 구멍부(20) 형상은 분광 소자에 대한 입사광의 입사면 또는 사출면에서 본 형상이 구멍부(20)를 구성하는 변 중, 세 변, 즉, 변(22), 변(26) 및 변(28)의 연장선인 연장선(23), 연장선(27), 연장선(29)이 둘러싸는 도형이 도 3의 (b)에 나타내는 꼭지각(H)이 협각인 이등변 삼각형(30)을 형성한다. 즉, 삼각형을 구성한다. 도 3의 (a)의 구멍부 형상은 이등변 삼각형(30)의 꼭대기부를 바닥변(28)과 평행하게 절단한 사다리꼴 형상으로 되어 있다. 이것은 분광 결과를 얻고자 하는 파장대에 의존해서 분광 결과를 얻고자 하는 파장대 중, 파장이 짧은 대역이 불필요하면 이등변 삼각형의 꼭대기부는 생략할 수 있다. 반대로 보다 파장이 짧은 대역까지의 분광을 행하고자 하면 이등변 삼각형에 가까운 형상으로 되고, 최종적으로는 이등변 삼각형으로 된다.

본 발명의 분광 소자는 분광 소자의 내벽의 반사면에서 입사광을 반사시키고, 반사광 및 입사광에 의한 정재파에 의해 분광이 행해지므로 반사면에서의 반사시의 광 에너지 손실이 큰 경우, 분광 소자의 구조체 내벽에 있어서의 반사시에 입사광의 에너지가 없어져 버려 사출면에 있어서 명료한 강도 분포를 얻는 것이 곤란하게 된다. 그 때문에 금속판에는 반사시의 에너지 손실이 적은 재료를 선정할 필요가 있다. 예를 들면, 은은 우수한 반사율을 갖는 금속으로서 알려져 있고, 이것을 사용해도 좋다. 그 외에 금이나 동, 거울의 소재인 금, 동 및 동과 주석의 합금이나 알루미늄 등을 사용할 수 있다. 이들에 정밀하게 구멍을 뚫는 기술은 반도체 제작 기술인 이방성 에칭 등을 사용함으로써 가능하다. 또한, 펄스 레이저나 섬유 레이저 등을 사용한 초정밀 가공으로도 제작하는 것이 가능하다. 반도체 제작 기술을 이용함으로써 고정밀도의 분광 소자를 안정적으로 만드는 것이 가능하다.

또한, 구멍부의 내벽이 반사면이라는 점에서 구멍부 및 그 주변의 구조체 바로 그 자체는 후술하는 수광 소자와 동일한 재료인 실리콘 등의 반도체 기판을 이용해서 내벽에만 상기 금, 은, 동 및 동과 주석의 합금의 박막 또는 판을 사용해도 좋다. 반도체 기판은 역시 반도체 제작 기술에 의해 구멍을 뚫는 가공을 행하는 것이 가능하다. 반사면을 구성하는 상기 금, 은, 동 및 동과 주석의 합금의 박막을 반도체 기판에 뚫은 구멍부 내벽에 형성하기 위해서는 스퍼터링, 증착, 도금 등의 방법을 사용할 수 있다. 이러한 구조를 채용한 경우에는 동일한 반도체 기판에 의해 제작할 수 있는 수광 소자와의 일체 구조도 실현할 수 있다.

본 발명의 분광 소자를 사용해서 Y방향 편광된 입사광의 분광 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4 좌측의 좌표계는 도 1의 분광 소자의 좌표계에 대응하고 있다. 종축에 분광 소자의 상면에서 본 X방향, 횡축에 분광 소자의 상면에서 본 Y방향을 취한 좌표계에서 파장 440㎚ (a)~파장 690㎚ (f)까지의 6개의 파장에 있어서 어떻게 분광되는지를 나타냈다. 또한, 입사광은 Y방향으로 편광된 광을 사용했다. 도 4의 (a)~(f)의 각 그래프에서 보다 희게 표시되어 있는 부분이 그 파장의 광이 정재파로서 강하게 존재하는 피크인 것을 나타낸다. 이 피크 위치는 파장마다 다르고, 분광 소자로서 기능하고 있는 것을 알 수 있다.

도 5에 도 4에서 나타낸 본 발명의 분광 소자를 사용해서 Y방향 편광된 입사 광의 분광 결과를 분광 소자의 X방향 중심축 상에서 Y축에 Y방향의 좌표(거리), X축에 스펙트럼 강도를 취해 나타냈다. Y좌표는 스펙트럼 강도의 최대값으로 규격화되어 있기 때문에 상대값으로 되어 있다. 도 4에서는 알기 어려운 파장마다의 정재파가 강하게 존재하는 위치를 명확하게 알 수 있다. 예를 들면, 440㎚의 파장에 있어서는 Y좌표 250㎚ 부근, 2000㎚ 부근, 4200㎚ 부근의 3개소에 스펙트럼 강도의 피크가 있다. 또한, Y좌표 2500㎚ 부근~4500㎚ 부근을 주목하면 590㎚의 파장 피크가 Y좌표 2700㎚ 부근에 존재하고, Y좌표가 증가함에 따라 짧은 파장의 피크가 존재하고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 파장 640㎚, 690㎚의 2개의 파장에서는 명료한 파장의 피크를 볼 수 없다. 이것은 도 4의 (e), (f)에서 명백한 바와 같이, 이 2개의 파장에서는 분광 소자의 X방향 중심축 상으로부터 벗어난 부분에 피크를 갖기 때문이다.

도 6에 도 5에서 나타낸 본 발명의 분광 소자를 사용해서 Y방향 편광된 입사광의 분광의 스펙트럼 강도의 피크 위치 파장 의존성을 나타낸다. X축은 입사광의 파장을, Y축은 스펙트럼 강도의 피크 위치를 나타낸다. 스펙트럼 강도의 피크 위치의 0은 도 3의 (a)에 나타내는 분광 소자 구멍부의 바닥변(28)의 위치이다.

각 파장의 스펙트럼 강도의 피크는 크게 2개의 그룹으로 나눌 수 있다. Y축 방향의 0에 가까운 제 1 그룹은 파장 440㎚~540㎚는 파장이 길어짐에 따라서 거의 직선적으로 강도의 피크 위치가 0에 가까워진다. 그러나, 파장 590㎚~690㎚는 반대로 파장이 길어짐에 따라 거의 직선적으로 강도의 피크 위치가 0으로부터 멀어진다. 다른 하나인 제 2 그룹은 파장 440㎚~640㎚는 파장이 길어짐에 따라 거의 직선 적으로 강도의 피크 위치가 0에 가까워진다. 그러나, 파장 640㎚~690㎚는 반대로 파장이 길어짐에 따라 강도의 피크 위치가 0으로부터 멀어진다.

이들 강도의 피크 위치가 동일하게 파장이 길어짐에 따라 거의 직선적으로 강도의 피크 위치가 0에 가까워지지 않는 것은 유한한 크기의 구멍부에서 공진시키고 있기 때문이다. 도 3의 (a)의 구멍부(20)의 바닥변(28) 부분에 접촉하는 반사면이 공진에 영향을 준다. 바닥변(28)이 무한으로 멀면 강도의 피크 위치는 파장이 길어짐에 따라 거의 직선적으로 강도의 피크 위치가 0에 가까워진다.

<제 1 실시형태의 제 1 변형예>

본 발명의 분광 소자를 사용해서 X방향 편광된 입사광의 분광 결과를 도 7에 나타낸다. 도 7 좌측의 좌표계는 도 1의 분광 소자의 좌표계에 대응하고 있다. 파장 440㎚ (a)~파장 690㎚ (f)의 6개의 파장에 있어서 어떻게 분광되는지를 나타냈다. 도 7의 (a)~(f)의 각 그래프에서 보다 희게 표시되어 있는 부분이 그 파장의 광이 정재파로서 강하게 존재하는 피크인 것을 나타낸다. 이 피크 위치는 파장마다 다르고, 분광 소자로서 기능하고 있는 것을 알 수 있다. 도 4에 나타낸 Y방향 편광의 결과와 달리 X축에 평행한 선상의 피크로 되어 있다.

도 8에 도 4에서 나타낸 본 발명의 분광 소자를 사용해서 X방향 편광된 입사광의 분광 결과를 분광 소자의 X방향 중심축 상에서 Y축에 Y방향의 좌표(거리), X축에 스펙트럼 강도를 취해 나타냈다. Y좌표는 스펙트럼 강도의 최대값으로 규격화되어 있기 때문에 상대값으로 되어 있다. 파장마다의 정재파가 강하게 존재하는 위치가 단독으로 명확하게 되어 있는 것은 파장 440㎚의 Y좌표 2800㎚ 및 Y좌표 3800 ㎚ 부근이다. 예를 들면, 파장 490㎚~590㎚라는 파장대로서 고려하면 Y좌표 3400㎚ 부근에 피크를 갖는다고 생각되고, 이들 특성을 사용해서 본 분광 소자에 의한 분광이 가능하다.

<제 1 실시형태의 제 2 변형예>

도 9의 (a) 및 도 9의 (b)는 본 발명의 분광 소자의 구멍부 형상을 변형한 예이다. 도 9의 (a) 및 (b)는 기본적으로 변하지 않기 때문에 여기에서는 도 9의 (b)에 대해서 주로 설명한다. 본 발명의 분광 소자의 구멍부(92) 형상은 분광 소자 에 대한 입사광의 입사면 또는 사출면에서 본 형상이 구멍부(92)를 구성하는 변 중, 세 변, 즉, 변(22), 변(26) 및 변(28)의 연장선인 연장선(23), 연장선(27), 연장선(29)이 둘러싸는 도형이 도 9의 (b)에 나타내는 꼭지각(H)이 협각인 이등변 삼각형(30)을 형성한다. 즉, 삼각형을 구성한다. 도 9의 (b)의 구멍부 형상(92)은 이등변 삼각형(30)의 꼭대기부를 바닥변(28)과 평행하게 절단한 사다리꼴 형상으로 되어 있다. 제 1 실시형태와 다른 것은 구멍부 형상(92)의 모서리를 둥글게 하고 있는 것이다.

도 9의 (a)에서는 Ra=0.1㎛로 모서리를 둥글게 하고 있고, 도 9의 (b)에서는 Rb=0.5㎛로 모서리를 둥글게 하고 있다. 도 1의 구멍부 형상은 이상적인 형상이며, 이러한 형상으로 가공할 수 있으면 최고의 성능을 발휘할 수 있다. 그러나, 현실적인 가공 정밀도를 고려했을 때에는 모서리를 둥글게 한 형상 쪽이 저렴하게 제조할 수 있다.

본 실시예의 분광 소자를 사용해서 Y방향 편광된 입사광의 분광 결과를 도 10의 (a)~(h)에 나타낸다. 도시하지 않지만 도 10의 좌표계는 도 9의 분광 소자의 좌표계와 동일하다. 파장 380㎚ (a) 및 (e)~파장 680㎚ (d) 및 (h)의 100㎚ 간격의 4개의 파장에 있어서 각 파장의 입사광이 어떻게 분광되는지를 나타냈다. 도 10의 (a)~(h)의 각 그래프에서 보다 희게 표시되어 있는 부분이 그 파장의 광이 정재파로서 강하게 존재하는 것을 나타낸다. 이 정재파가 강하게 존재하는 피크 위치 및 그 분포는 세부에서 다른 부분이 있지만 모서리를 반경 0.1㎛로 둥글게 한 구멍부 형상의 분광 결과인 도 10의 (a)~(d)와, 모서리를 반경 0.5㎛로 둥글게 한 구멍부 형상의 분광 결과인 도 10의 (e)~(h)는 거의 동일한 결과로 되고, 어느 쪽이나 마찬가지로 분광 소자로서 기능하고 있는 것을 알 수 있다.

<제 2 실시형태>

도 11은 본 발명의 분광 소자(10)의 제 2 실시형태이다. 도 11의 (a)는 상면도이며, 분광 소자(10)는 두께가 균일한 금속판에 상면 즉, 입사면으로부터 하면 즉, 사출면에 관통되는 테이퍼상의 구멍부(21)를 갖는 구조체이다. 도 1에 나타낸 제 1 실시형태의 분광 소자와 다른 것은 분광 소자(10)의 구멍부(21)의 형상 중, 분광 소자(10)에 대한 입사광의 입사면 형상(1101)과 사출면 형상(1102)이 닮은꼴로 되어 있는 것이다. 이 때문에, 입사면 형상(1101)과 사출면 형상(1102)을 연결하는 반사면은 입사면 및 반사면에 대해서 수직 이외의 각도를 가지고 교차한다.

도 11의 (b)는 도 11의 (a)의 B-B'면의 단면을 나타내는 도면이다. 분광 소자(10)의 구조체를 구성하는 금속판은 그 구멍부(21)의 내벽에서 입사광을 반사시키지만 그 반사면(1103)은 본 실시형태에서는 입사면(1104) 및 사출면(1105)과 수 직 이외의 각도를 가지고 교차한다. 도 11의 (c)는 도 11의 (a)의 C-C'면의 단면을 나타내는 도면이고, 도 11의 (b)와 마찬가지로 반사면(1103)은 입사면(1104) 및 사출면(1105)과 수직 이외의 각도를 가지고 교차한다.

본 발명의 분광 소자(10)의 제 2 실시형태를 사용해서 Y방향 편광된 입사광의 분광 결과를 도 12에 나타낸다. 도 12 좌측의 좌표계는 도 11의 분광 소자의 좌표계에 대응하고 있지만 X축의 정방향이 180도 다르므로 주의를 요한다(여기에는 도면의 상하를 교체하여 합쳐도 좋다). (a)가 파장 440㎚를 분광한 결과, (b)가 파장 540㎚를 분광한 결과, (c)가 파장 640㎚를 분광한 결과가 된다. 광이 보이는 상태로서는 (a)가 파랑, (b)가 초록, (c)가 빨강이다. (a)와 (b)를 비교하면 피크 위치의 차는 적지만 Y방향에서 106㎚~110㎚로 이동되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, (b)와 (c)를 비교하면 피크 위치가 Y방향 112㎚로 더 이동되어 있는 것을 알 수 있는 것 외에 2번째 및 3번째의 피크가 145㎚ 및 170㎚ 부근에 나타나 있다. 이들 결과로부터 본 실시형태의 소자도 분광 소자로서 기능하고 있는 것을 알 수 있다.

<제 3 실시형태>

본 발명의 분광 소자(10)를 이용해서 분광 장치(1300)를 구성한 예를 도 13에 나타낸다. 분광 소자(10)는 지금까지 설명한 분광 소자이다. 분광 소자 그 자체의 실시형태로서는 어느 형태나 이용할 수 있다. 분광 소자로의 입사광(도면에서는 일례로서 백색광)을 구멍부(20)에서 분광하고, 분광 분포의 국재 위치로 되는 분광 소자의 하면에 수광 소자(1302~1314)를 배치함으로써 상기 분광 분포를 전기 신호로 변환할 수 있는 분광 장치를 실현하고 있다.

수광 소자(1302~1312)는 반도체(예를 들면, 실리콘) 기판(1301) 상에 구성된다. 반도체 기판(1301) 상의 수광 소자는 일반적인 반도체 기판 상의 수광 소자와 그 제조 방법을 이용할 수 있다.

개별의 수광 소자(1302~1312)는 각 수광 소자가 수광하는 파장은 일정한 파장이 되기 때문에 각각의 수광 소자에 있어서 파장에 대한 수광 감도를 바꿀 수 있으면 수광 파장에 수광 감도를 맞춤으로써 보다 효율적인 분광 장치를 구성할 수 있다. 예를 들면, 수광 소자(1302)는 청색 파장을 수광하므로 청색 감도를 높인 수광 분광 특성을 갖는 수광 소자로 함으로써 약한 입사광으로도 확실한 분광 결과가 얻어지는 분광 장치로 된다.

또한, 개별의 수광 소자(1302~1312)를 동일한 수광 분광 특성을 갖는 구조로 하면 종래의 촬상 소자의 제작 과정과 동일한 제작 과정으로 제작하는 것이 가능해지고, 촬상 소자의 대량 생산 공정을 이용해서 생산할 수 있다는 점에서 저렴하게 분광 장치를 실현할 수 있다.

본 분광 장치에 조합하는 촬상 소자의 구성을 도 14에 나타낸다. 도 14에 나타내는 촬상 소자는 촬상 소자의 형식으로서는 CMOS형 촬상 소자이지만 CM0S형 촬상 소자 뿐만 아니라 CCD형 촬상 소자 및 기타 형식의 촬상 소자라도 사용 가능하다.

각각의 수광 소자(1410)는 광을 전하로 바꾸기 위한 포토다이오드(1402), 포토다이오드에 축적된 전하를 노광 개시 전에 리셋 라인(1405)으로부터의 신호로 리셋하는 리셋 트랜지스터(1404), 포토다이오드(1402)의 신호를 증폭하는 앰프(1406) 및 증폭된 신호를 판독 선택 신호 라인(1409)의 신호에 의해 판독 라인(1421)에 판독하는 판독 트랜지스터(1408)로 구성된다. 각 행의 판독 선택 신호 라인은 수직 시프트 레지스터(1460)에 접속되어 있고, 본 실시예에서는 1행을 동시에 출력하는 것이 가능하게 되어 있다. 각 판독 선택 라인은 필요에 따라 수직 시프트 레지스터(1460)에 의해 선택된다.

각각의 수광 소자로부터 판독된 수광 신호는 판독 라인(1421~1431)을 통해 판독된다. 각 라인에는 수평 선택 트랜지스터(1441~1451)가 접속되어 있고, 수평 시프트 레지스터(1470)로부터의 선택에 따라 접속을 온으로 함으로써 신호를 출력 라인(1480)에 출력하고, 최종적으로는 출력 단자(1482)로부터 출력된다. 물론, 소자의 구성은 선택이 자유롭고, 본 발명은 이 구성에 한정되는 것은 아니다.

도 13에 나타내는 수광 소자(1302~1314)에 상당하는 수광 소자가 도 14에서는 수광 소자(1420~1430) 또는 수광 소자(1440~1450)이다. 필요로 하는 분광 분해 능력에 맞춰서 수광 소자를 배치함으로써 분광 장치를 구성할 수 있다. 수광 소자를 일정 간격으로 배치하면 도 5에 나타낸 본 발명의 분광 소자를 사용한 Y방향 편광 입사광의 분광 스펙트럼 강도로부터도 알 수 있는 바와 같이, 거의 파장 등간격의 분광 결과가 얻어지기 때문에 기존의 촬상 소자나 각종 포토 센서 어레이를 유용하는 것도 가능하다는 이점이 있다.

분광 소자와 수광 소자를 접속하기 위해서는 이하와 같은 방법이 있다. 우선, 실리콘 기판 상 등에 수광 소자를 반도체 제작 행정에 따라 제작한다. 표면이 평활하면 그 상태로 좋지만 평활하지 않은 경우에는 실리카 유리 등을 적층해서 표 면을 평활화한다. 그 후, 평활화된 수광 소자의 표면에 금속 피막을 플라즈마 CVD 또는 증착 등에 의해 적층하고, 마지막에 에칭 등에 의해 구멍부를 형성한다. 또는 실리카 유리를 더 적층한 후에 에칭 등에 의해 구멍부를 형성하고, 형성된 구멍부의 반사면에 금속 피막을 증착, CVD 또는 무전해 도금 등에 의해 형성한다. 이들 제작 방법은 반도체 행정에 따라 실시하는 것이 가능하며, 수광 소자에 대해서 정밀도 좋게 분광 소자를 위치 결정할 수 있는 이점이 있다.

<제 4 실시형태>

도 15에 본 발명의 분광 장치를 2차원 방향으로 복수 배열해서 구성된 2차원 분광 장치를 나타낸다. 본 발명의 분광 소자(1510)를 XY방향으로 연속해서 복수 배치하여 2차원의 분광 장치(1500)로 한 것이다. 1개의 분광 장치로는 측정할 수 없는 복수의 광원의 분광이나 광원 분광 분포를 측정하는 것이 가능해진다. 상술하고 있는 바와 같이, 반도체 제조 공정을 사용하면 분광 소자를 복수 동일한 분광 장치 상에 고정밀도로 제작하는 것이 가능하여 정밀도가 높은 2차원 분광 측정 장치를 실현할 수 있다. 신호 출력은 통상의 촬상 소자와 마찬가지로 판독하면 좋고, 출력을 1개로 하는 것도, 필요에 따라 분광 장치마다 출력하는 것도 가능하다. 또한, 분광 결과가 2차원으로 얻어진다는 점에서 통상의 촬상 소자로서의 이용도 가능해진다. 촬상 소자로서 사용하는 경우에는 정재파에 의한 분광이기 때문에 입사광의 손실이 적고 고감도의 촬상 소자를 실현할 수 있다.

<제 5 실시형태>

도 16은 본 발명의 분광 소자(10)의 다른 실시형태이다. 도 16은 구멍부의 상면도이며, 분광 소자(10)는 두께가 균일한 금속판에 상면 즉, 입사면으로부터 하면 즉, 사출면에 관통되는 사다리꼴상의 구멍부(20)를 갖는 구조체이다. 구멍부(20)의 형상 중, 도시하지 않은 깊이 방향으로는 6.27㎛의 두께를 갖는다. 본 실시예의 분광 소자를 사용해서 Y방향 편광된 입사광의 분광 결과를 도 17의 (a)~(e)에 나타낸다. 도 17의 배치 관계에서 도 16과 도 17에서 좌표가 회전되어 있는 것에 주의한다. (a) 파장 390㎚, (b) 파장 490㎚, (c) 파장 590㎚, (d) 파장 690㎚ 및 (e) 파장 790㎚의 100㎚ 간격의 5개의 파장에 있어서 각 파장의 입사광이 어떻게 분광되는지를 깊이 방향 Z=0㎛ ~ Z=6.3㎛의 8개소의 단면으로 나타냈다. 도 17 중의 각 분광 결과에 있어서 그래프에서 보다 희게 표시되어 있는 부분이 그 파장의 광이 정재파로서 강하게 존재하고 있는 것을 나타낸다.

도 17을 보면 알 수 있는 바와 같이, 정재파가 강하게 존재하는 피크 위치 및 그 분포는 Z방향으로 깊어질수록 중앙부에 존재하게 된다. Z=0㎛에서는 구멍부(20)의 Y방향 측면(사다리꼴의 사변)에 평행한 정재파가 존재하지만 강하게 존재하는 부분은 보이지 않는다. 정재파는 (a)~(e)를 비교하면 파장이 길어짐에 따라 정재파의 파수(도면 중의 선)가 감소되는 경향이 있다. 도 17의 (e) 파장 790㎚에서는 Z=2.7㎛ 이상의 깊이로 중앙에 강한 피크가 보여지고, (d) 파장 690㎚에서는 Z=3.6㎛ 이상, (c) 파장 590㎚ 및 (b) 파장 490㎚에서는 Z=4.5㎛ 이상, (a) 파장 390㎚에서는 Z=5.4㎛ 이상의 깊이로 중앙에 강한 피크가 보여진다. 도 17에 나타내는 전체 파장에 대해서 구멍부(20)의 중앙부에 있어서 분광을 얻고 싶은 경우에는 Z=5.4㎛ 이상이 깊이가 적합한 것을 알 수 있다.

<제 6 실시형태>

도 18은 본 발명의 분광 소자의 구멍부(20)의 형상의 베리에이션을 표 형식으로 나타낸 것이다. 도면 중, 크게 좌우로 Y방향의 길이 12.8㎛와 6.4㎛로 나누고, 또한, 각각 좌변의 X방향의 길이가 6.4㎛, 4.8㎛, 3.2㎛인 3종류가 있다. 또한, 여기까지 나타낸 6종류의 형상에 대해서 우변/좌변의 비율을 0%(즉, 이등변 삼각형으로 됨)~75%까지 25% 간격으로 시험 제작했다. 이들 구멍부 형상에 있어서도 분광 소자로서 기능하는 것을 확인했다.

도 1은 본 발명의 분광 소자의 구성예이다.

도 2는 본 발명의 분광 소자의 개념도이다.

도 3은 본 발명의 분광 소자의 구멍부 형상 정의도이다.

도 4는 본 발명의 분광 소자를 사용한 Y방향 편광 입사광의 파장별 분광 결과이다.

도 5는 본 발명의 분광 소자를 사용한 Y방향 편광 입사광의 분광 스펙트럼 강도이다.

도 6은 본 발명의 분광 소자를 사용한 Y방향 편광 입사광의 분광 스펙트럼 강도의 피크 위치 파장 의존도이다.

도 7은 본 발명의 분광 소자를 사용한 X방향 편광 입사광의 파장별 분광 결과이다.

도 8은 본 발명의 분광 소자를 사용한 X방향 편광 입사광의 분광 스펙트럼 강도(이후 미편집)이다.

도 9는 본 발명의 분광 소자의 구멍부 형상의 변형예이다.

도 10은 구멍부 형상의 변형예의 분광 소자를 사용해서 Y방향 편광된 입사광의 분광 결과이다.

도 11은 본 발명의 분광 소자의 제 2 실시형태이다.

도 12는 제 2 실시형태를 사용해서 Y방향 편광된 입사광의 분광 결과이다.

도 13은 본 발명의 분광 소자를 사용해서 분광 장치를 구성한 예이다.

도 14는 분광 장치에 조합하는 촬상 소자의 구성이다.

도 15는 본 발명의 분광 장치를 2차원 방향으로 복수 배열해서 구성된 2차원 분광 장치이다.

도 16은 본 발명의 분광 소자의 제 5 실시형태이다.

도 17은 본 발명의 분광 소자를 사용한 Y방향 편광 입사광의 Z방향에 대한 분광 스펙트럼 강도이다.

도 18은 본 발명의 분광 소자의 제 6 실시형태이다.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10: 분광 소자 11: 반사면

20: 구멍부 90: 구멍부 형상의 변형예 1

92: 구멍부 형상의 변형예 2 1300: 분광 장치

1301: 반도체기판 1420: 수광 소자

1500: 2차원 분광 장치

1510: 분광 장치(2차원 분광 장치의 구성 용도로서의)

Claims

상방으로 개구된 홀부 또는 구멍부로서, 수평 단면이 서로 평행하지 않은 한 쌍 이상의 대향면을 갖는 다각형의 홀부 또는 구멍부를 갖는 금속판으로 이루어지고;

상기 홀부 또는 구멍부의 내측면이 거울상의 반사면으로 되어 있고;

상기 개구로부터 상기 홀부 또는 구멍부에 입사되는 편광된 입사광을 상기 반사면에 있어서 반사함에 의한 간섭에 의해 상기 홀부 또는 구멍부의 내부에 정재파를 발생시켜 상기 입사광을 복수의 파장대로 분광하는 것을 특징으로 하는 분광 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 홀부 또는 구멍부의 바닥부에 있어서 수평 방향으로 다른 위치에 다른 파장대의 분광 성분을 집광시키는 것을 특징으로 하는 분광 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 홀부 또는 구멍부의 수평 단면의 형상은 이등변 삼각형인 것을 특징으로 하는 분광 소자.
제 2 항에 있어서, 상기 홀부 또는 구멍부의 수평 단면의 형상은 이등변 삼각형인 것을 특징으로 하는 분광 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 홀부 또는 구멍부의 수평 단면의 형상은 등변사다리꼴인 것을 특징으로 하는 분광 소자.
제 2 항에 있어서, 상기 홀부 또는 구멍부의 수평 단면의 형상은 등변사다리꼴인 것을 특징으로 하는 분광 소자.
두께가 균일한 금속판의 상면으로부터 하면에 관통되는 구멍부를 갖고;

상기 구멍부의 상기 금속판의 상기 상면 및 상기 하면에 평행한 횡단면의 형상은 상기 횡단면을 구성하는 변 중 가장 긴 변으로부터 긴 순서대로 세 변을 선택했을 때에 세 변의 연장선이 꼭지각을 협각으로 하는 이등변 삼각형을 형성함과 아울러;

상기 구멍부의 내측면 중 적어도 상기 이등변 삼각형의 등변에 접하는 내측면은 거울상의 반사면으로 되어 있고;

상기 금속판의 상면으로부터 상기 구멍부에 입사되는 편광된 입사광은 상기 구멍부의 상기 반사면에 있어서 상기 입사광이 반사됨에 의한 간섭에 의해 복수의 파장대로 분광되는 것을 특징으로 하는 분광 소자.
제 7 항에 있어서, 상기 분광 소자의 상부에 편광 소자를 설치하고, 상기 편광 소자의 편광 방향을 상기 이등변 삼각형의 바닥변의 수직 이등분선과 평행 방향 으로 하는 것을 특징으로 하는 분광 소자.
제 7 항에 있어서, 상기 분광 소자의 상부에 편광 소자를 설치하고, 상기 편광 소자의 편광 방향을 상기 이등변 삼각형의 바닥변의 수직 이등분선과 직각 방향으로 하는 것을 특징으로 하는 분광 소자.
제 7 항에 있어서, 상기 구멍부는 상기 금속판의 상면 및 하면에 대해서 수직으로 관통되는 것을 특징으로 하는 분광 소자.
제 7 항에 기재된 분광 소자와, 상기 입사광이 분광된 분광 분포의 국재 위치가 되는 상기 분광 소자의 하면에 배치된 수광 소자로 이루어지고, 상기 수광 소자에 의해 상기 분광 분포를 전기 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 분광 장치.
제 11 항에 있어서, 상기 분광 분포의 복수의 국재 위치에 맞춰서 상기 수광 소자를 복수 배치한 것을 특징으로 하는 분광 장치.
제 11 항에 기재된 분광 장치를 2차원 방향으로 복수 배열한 것을 특징으로 하는 2차원 분광 장치.
제 12 항에 기재된 분광 장치를 2차원 방향으로 복수 배열한 것을 특징으로 하는 2차원 분광 장치.
수평 단면이 서로 평행하지 않은 한 쌍 이상의 대향면을 갖는 다각형의, 상방으로 개구된, 내측면이 거울상의 반사면으로 되어 있는 홀부 또는 구멍부를 갖는 금속판을 준비하고;

상기 개구로부터 상기 홀부 또는 구멍부에 편광된 입사광을 입사시키고, 상기 반사면에 있어서 반사됨에 의한 간섭에 의해 상기 홀부 또는 구멍부의 내부에 정재파를 발생시켜 상기 입사광을 복수의 파장대로 분광하는 것을 특징으로 하는 분광 방법.