WO2020044658A1 - 凹面回折格子、及びその製造方法、並びに光学装置 - Google Patents

凹面回折格子、及びその製造方法、並びに光学装置 Download PDF

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青野　宇紀
佳定 江畠
健太 八重樫
松井　繁
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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    • G02B27/4244—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application in wavelength selecting devices

Definitions

  • the present invention relates to a concave diffraction grating and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a curved diffraction grating for separating and converging light and an optical device using the same.
  • a curved diffraction grating which is an optical element mounted on an optical device such as a spectrophotometer, has both performances of light spectrum and convergence, and can reduce the number of parts, and Can be simplified.
  • a concave diffraction grating is manufactured by forming a concave diffraction grating mold by engraving a grating groove on a convex substrate with a machine such as a ruling engine and transferring the engraved grating groove to resin, metal, etc. are doing.
  • the spherical concave diffraction grating the aberration of the spectral light is suppressed by making the intervals of the grating grooves unequal as described in Patent Document 1.
  • Patent Document 2 a resist is formed on a concave substrate at irregular intervals of lattice grooves, and laminar (rectangular) lattice grooves are formed by ion etching to produce a concave diffraction grating.
  • Patent Document 3 a plane diffraction grating having a sawtooth-shaped grating groove is sandwiched between an uneven substrate, deformed, and bonded on a convex substrate to form a concave diffraction grating mold.
  • the concave diffraction grating is manufactured by transferring the mold of the concave diffraction grating to metal or resin.
  • the spectral light is condensed on the Rowland circle, so that the performance of the optical device can be improved by installing the detector on the Rowland circle.
  • placing the detector on the Rowland circle may cause an increase in the size of the optical device. Therefore, by making the grating grooves formed in the concave diffraction grating unequally spaced, the light condensing position, that is, the installation location of the detector can be corrected to an approximate linear position from the Rowland circle, and the optical device can be downsized.
  • a laminar diffraction grating described in Patent Document 2 is fabricated on a flat substrate and the method described in Patent Document 3 is applied, the laminar diffraction grating does not have a slope in the perpendicular direction of the curved surface, and is irregularly spaced.
  • a curved diffraction grating having a rectangular grating groove can be manufactured, when a load is applied by sandwiching the substrate between the uneven substrates, the load is applied to the rectangular grating groove, and the rectangular grating groove may be damaged.
  • the concave diffraction grating mold there is a problem that the rectangular grating groove is engaged, so that the concave diffraction grating is difficult to peel off from the mold.
  • the present invention provides a concave diffraction grating capable of improving diffraction efficiency by suppressing spherical aberration. Further, the present invention mounts a concave diffraction grating having a sawtooth shape having a constant blaze angle and unequally-spaced grating grooves on an optical device, thereby suppressing diffraction of spherical aberration, thereby improving diffraction efficiency and detecting light.
  • an optical device capable of setting a vessel in a straight line.
  • a concave diffraction grating according to the present invention is a concave diffraction grating that splits and condenses light, has a sawtooth-shaped grating groove on a concave substrate, and has a sawtooth grating. It is characterized in that the intervals between the grooves are unequal.
  • the concave diffraction grating according to the present invention is a concave diffraction grating that splits and condenses light, and has a sawtooth shape formed on a flat substrate by photolithography, etching, or machining, and the sawtooth shape does not match. It is characterized in that the diffraction grating is formed by deforming a planar diffraction grating having equally spaced grating grooves on a convex fixed substrate and transferring the mounted concave diffraction grating mold to a metal or resin surface.
  • the concave diffraction grating according to the present invention is a concave diffraction grating that splits and condenses light, and has a sawtooth shape formed on a flat substrate by photolithography and etching or machining.
  • the optical device includes a first condenser lens for condensing light emitted from a light source and irradiating the specimen with a light, and a second condenser lens for condensing light transmitted through the specimen at an opening of the slit.
  • the method of manufacturing a concave diffraction grating includes the steps of (1) forming a sawtooth shape on a planar substrate by photolithography and etching or machining to form irregularly spaced grating grooves; (2) installing a concave substrate such that a concave surface faces the surface on which the grating grooves are formed, and (2) forming a concave substrate on the surface opposite to the surface on which the grating grooves are formed; (3) placing the convex-shaped substrate via an adhesive layer such that the convex surfaces face each other, and (3) causing the surface of the planar diffraction grating substrate on which the grating grooves are formed to follow the concave substrate, and (4) bonding the planar diffraction grating substrate to the convex substrate, and (4) extending the convex diffraction substrate to the outside of the convex surface of the convex substrate after the concave substrate is removed. Remove the existing outer peripheral part and Forming a
  • a concave diffraction grating capable of improving diffraction efficiency by suppressing spherical aberration. Further, according to the present invention, by installing a concave diffraction grating having a sawtooth shape with a constant blaze angle and having unequally spaced grating grooves in an optical device, it is possible to improve diffraction efficiency by suppressing spherical aberration. In addition, it is possible to provide an optical device that can install the detector on a straight line. Problems, configurations, and effects other than those described above will be apparent from the following description of the embodiments.
  • FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of an optical device using a concave diffraction grating of Example 1 according to an example of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a concave diffraction grating (spherical diffraction grating) illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 3 is an AA sectional view of the concave diffraction grating (spherical diffraction grating) shown in FIG. 2 and an enlarged view of a grating groove.
  • FIG. 11 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a concave diffraction grating (spherical diffraction grating) according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of an optical device using a concave diffraction grating of Example 1 according to an example of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a conca
  • FIG. 5 is a sectional view taken along the line BB of the concave diffraction grating (spherical diffraction grating) type shown in FIG. 4.
  • FIG. 6A is a view showing a method of manufacturing a concave diffraction grating using the concave diffraction grating mold shown in FIG. 4, wherein FIG. 6A illustrates a step of preparing the concave diffraction grating mold, and FIG. FIG. 6C shows the step of forming a metal layer on the grating layer, FIG. 6C shows the step of installing a concave substrate on the metal layer, and FIG. It is a figure showing a process.
  • FIG. 6A is a view showing a method of manufacturing a concave diffraction grating using the concave diffraction grating mold shown in FIG. 4, wherein FIG. 6A illustrates a step of preparing the concave diffraction grating mold, and FIG. 6C
  • FIG. 7A is a diagram illustrating a method of manufacturing a concave diffraction grating mold according to a third embodiment according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A illustrates a step of forming a metal diffraction grating
  • FIG. 7 (c) shows a bonding step
  • FIG. 7 (d) shows a step of removing the concave substrate
  • FIG. 7 (e) shows a step of installing the concave substrate above the metal diffraction grating and a step of removing the concave substrate.
  • FIG. 7A illustrates a step of forming a metal diffraction grating
  • FIG. 7 (c) shows a bonding step
  • FIG. 7 (d) shows a step of removing the concave substrate
  • FIG. 8A is a diagram illustrating a method of manufacturing a concave diffraction grating mold of Example 4 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A illustrates a step of forming a planar diffraction grating
  • FIG. 8C illustrates a step of forming a metal diffraction grating from the planar diffraction grating
  • FIG. 8D illustrates a step of forming a concave substrate above the metal diffraction grating and a convex substrate below the metal diffraction grating.
  • 8 (e) shows the bonding step
  • FIG. 8 (f) shows the step of removing the concave substrate
  • FIG. 9A is a diagram illustrating a method of manufacturing a mold for a concave diffraction grating of Example 5 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A illustrates a step of forming a metal diffraction grating
  • FIG. 9 (c) shows the bonding step
  • FIG. 9 (d) shows the step of removing the concave substrate
  • FIG. 9 (e) shows the step of installing the concave substrate above the metal diffraction grating.
  • FIG. 10A is a diagram illustrating a method of manufacturing a concave diffraction grating mold according to a sixth embodiment according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A illustrates a step of forming a planar diffraction grating
  • FIG. 10 (c) shows a step of forming a metal diffraction grating
  • 10 (d) shows a step of installing a concave substrate above the metal diffraction grating, and a step of installing a convex substrate below the metal diffraction grating.
  • 10 (e) shows the bonding step
  • FIG. 10 (f) shows the step of removing the concave substrate
  • FIG. 10 (g) shows the step of removing the outer peripheral portion of the metal diffraction grating to obtain the concave diffraction grating mold.
  • FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of an optical device using a concave diffraction grating according to a first embodiment of the present invention.
  • the optical device 1 is used for concentration measurement and substance identification by selectively absorbing light having a wavelength specific to a chemical bond of a substance in a chemical substance, a biological substance, or the like.
  • the optical device 1 includes a white light source 11, a condenser lens 12a, a sample chamber 13, a condenser lens 12b, a slit 14, a concave diffraction grating 2, and detectors 16 arranged on a plurality of straight lines.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of the concave diffraction grating 2 shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is an AA sectional view of the concave diffraction grating 2 shown in FIG. 2 and an enlarged view of a grating groove.
  • the concave diffraction grating 2 includes a concave substrate 24 having an arbitrary curvature, a metal layer 22 having a lattice groove 21 formed thereon, and a resin layer for fixing the metal layer 22 on the concave substrate 24. 23.
  • the reflection surface (surface) of the concave diffraction grating forms a part of a spherical surface. Therefore, the concave diffraction grating may be referred to as a spherical diffraction grating.
  • a concave diffraction grating provided with equally spaced grating grooves forms an image on a Rowland circle.
  • the image can be approximately formed on a straight line.
  • the blaze direction is defined as a direction from a vertex angle 211 of the sawtooth-shaped lattice groove 21 to a vertex having a minimum angle (blaze angle 212), as shown in FIG. Therefore, it has a shape in which the interval between mutually adjacent lattice grooves 21 gradually changes from a wide interval to a narrow interval in the blaze direction.
  • a plurality of detectors 16 can be arranged on a straight line. Can be simplified, and the optical device 1 can be downsized.
  • the concave diffraction grating 2 has a constant blaze angle 212, light of a specific wavelength can be selectively separated, so that the optical device 1 with small noise (stray light) can be obtained, and the detection efficiency can be improved.
  • the present embodiment it is possible to provide a concave diffraction grating capable of improving diffraction efficiency by suppressing spherical aberration. Further, according to this embodiment, the diffraction efficiency is improved by suppressing spherical aberration by mounting a concave diffraction grating having a sawtooth shape with a constant blaze angle and having unequally spaced grating grooves in the optical device. It is possible to provide an optical device that can perform the detection and can install the detector on a straight line. Further, according to the present embodiment, since the detector can be installed on a straight line, a small optical device can be realized. Further, a low-cost optical device with a small number of components of the optical element can be realized.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a schematic configuration of a concave diffraction grating type of Example 2 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a sectional view taken along the line BB of the concave diffraction grating type shown in FIG. It is.
  • the concave diffraction grating mold 3 has a convex substrate 34 having an arbitrary curvature, a metal diffraction grating 32 which is a metal film in which the grating grooves 31 are formed, and a convex substrate 34. It is composed of an adhesive layer 33 for fixing a metal diffraction grating 32 which is a metal film. As shown in FIG. 5, the interval between the grating grooves 31 of the metal diffraction grating 32 constituting the concave diffraction grating mold 3 is enlarged in the blaze direction in an equal manner.
  • the interval between the grating grooves 31 of the metal diffraction grating 32 is gradually increased along the blaze direction. Therefore, along the blaze direction, the metal diffraction grating 32 constituting the concave diffraction grating mold 3 has a shape in which the interval between the adjacent grating grooves 31 gradually changes gradually from a narrow interval to a wide interval. Have.
  • FIG. 6A and 6B are diagrams showing a method of manufacturing a concave diffraction grating using the concave diffraction grating mold shown in FIG. 4.
  • FIG. 6A shows a step of preparing the concave diffraction grating mold
  • FIG. 6 6) shows a step of forming a metal layer on a concave diffraction grating mold
  • FIG. 6C shows a step of installing a concave substrate on the metal layer
  • a concave diffraction grating mold 3 having a sawtooth-shaped grating groove 31 is prepared.
  • a release layer (not shown) is formed on the concave diffraction grating mold 3 having the sawtooth-shaped grating grooves 31.
  • the metal layer 22 is formed.
  • the concave substrate 24 is set on the resin layer 23.
  • the metal groove 22 may be formed on the surface after transferring the grating groove 31 to the resin layer 23 by a technique such as nanoimprint using the concave diffraction grating mold 3 by a technique such as nanoimprint.
  • the concave diffraction grating 2 is formed by transferring the concave diffraction grating mold 3, the interval between the grating grooves 21 is increased from the apex angle 211 to the vertex of the blaze angle 212 as shown in the right diagram of FIG.
  • the interval between the grating grooves 31 of the concave diffraction grating mold 3 must be increased from the apex angle 311. It is necessary to form the blaze angle 312 in such a manner that the blaze angle 312 is enlarged in the blaze direction (blaze direction of the concave diffraction grating mold 3).
  • the concave diffraction grating 2 shown in the first embodiment can be easily manufactured.
  • FIG. 7 is a view showing a method of manufacturing a concave diffraction grating mold of Example 3 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A shows a step of forming a metal diffraction grating.
  • 7 (b) shows a step of installing a concave substrate above a metal diffraction grating and a convex substrate below
  • FIG. 7 (c) shows a bonding step
  • FIG. 7 (d) shows a step of removing the concave substrate
  • FIG. (e) is a diagram showing a step of obtaining a mold of a concave diffraction grating by removing an outer peripheral portion of a metal diffraction grating.
  • a grating groove 31 having a sawtooth shape and being uniformly enlarged in the blaze direction is mechanically engraved on a flat metal substrate.
  • a metal diffraction grating 32 is formed.
  • the interval between the grating grooves 31 of the metal diffraction grating 32 is gradually increased along the blaze direction. Therefore, along the blaze direction, the metal diffraction grating 32 has a shape in which the interval between the adjacent grating grooves 31 gradually changes gradually from a narrow interval to a wide interval.
  • the surface of the metal diffraction grating 32 where the grating grooves 31 are formed is placed on the concave substrate 35 side.
  • the adhesive layer 33 and the convex substrate 34 are provided on the surface opposite to the surface on which the lattice grooves 31 are formed. That is, the concave surface of the concave substrate 35 is installed above the surface of the metal diffraction grating 32 on which the grating grooves 31 are formed, and the opposite side of the surface of the metal diffraction grating 32 on which the grating grooves 31 are formed.
  • the adhesive layer 33 is disposed below the surface, and the convex surface of the convex substrate 34 is disposed below the adhesive layer 33 so as to face each other.
  • a temperature and a load higher than the softening point of the bonding layer 33 are applied in a vacuum atmosphere, and the surface of the metal diffraction grating 32 where the grating grooves 31 are formed is placed on the concave substrate 35. Simultaneously, the metal diffraction grating 32 is bonded to the convex surface of the convex substrate 34 by the adhesive layer 33.
  • the substrate is cooled while applying a load, the adhesive layer 33 is cured, and the concave substrate 35 is removed (removed).
  • the outer periphery of the metal diffraction grating 32 deformed on the curved surface (the metal diffraction grating) is obtained.
  • the concave diffraction grating mold 3 is formed by removing the outer peripheral portion of the grating 32 extending outside the convex surface of the convex substrate 34).
  • the bonding layer 33 is softened at the time of bonding, and can absorb the influence of the thickness variation of the metal diffraction grating 32 and the surface accuracy variation of the convex substrate 34.
  • the grating is transferred to a metal flat substrate to produce a metal diffraction grating 32.
  • sputtering, vapor deposition, and plating are used.
  • the metal diffraction grating 32 is deformed into a curved surface and mounted on the convex substrate 34 to produce the concave diffraction grating mold 3.
  • the concave diffraction grating mold 3 is transferred to the metal layer 22 and the resin layer 23 by the method shown in FIG.
  • the angle of the engraving tool is constant. Can be formed.
  • the sawtooth-shaped grating groove 31 having a constant blaze angle 312 (FIG. 6) can be formed with less variation in shape as compared with photolithography and etching on a curved surface. It is easy to form, and an apparatus applicable to conventional photolithography and etching can be applied.
  • planar diffraction grating substrate (metallic diffraction grating) 32 manufactured by these methods is deformed into a curved surface and mounted on the convex substrate 34, a sawtooth shape having a substantially constant blaze angle is provided over the entire curved surface (convex surface). And a concave diffraction grating mold 3 having grating grooves 31 whose intervals are changed in the blaze direction equally.
  • the metal diffraction grating 32 When the metal diffraction grating 32 is deformed into a curved surface and mounted on the convex substrate 34, the metal diffraction grating 32 is sandwiched between the concave substrate 35 and the convex substrate 34 having high surface accuracy, and a load and a temperature are applied. Then, a concave diffraction grating mold 3 is manufactured.
  • the surface of the metal diffraction grating 32 on which the grating grooves 31 are formed conform to the concave substrate 35, the thickness of the metal diffraction grating 32 varies, and an adhesive layer for fixing the metal diffraction grating 32 and the convex substrate 34.
  • the surface accuracy of the concave diffraction grating mold 3 can be improved without the influence of the thickness variation of 33, the surface accuracy of the convex substrate, and the like.
  • the metal diffraction grating 32 is sandwiched between the concave substrate 35 and the convex substrate 34 and a load is applied to deform it into a curved surface, there is a concern that the lattice groove 31 may be deformed or crushed. Since the load applied to the groove 31 is dispersed in the direction adjacent to the apex angle 311 (FIG. 6) of the sawtooth-shaped grating groove 31, the concave diffraction grating mold 3 can be manufactured without deformation and collapse.
  • a concave diffraction grating having a sawtooth shape having a substantially constant blaze angle over the entire curved surface (convex surface) and having the grating grooves 31 whose intervals are equally changed in the blaze direction. Can be manufactured.
  • the transferred concave diffraction grating 2 having a sawtooth shape having a substantially constant blaze angle can be manufactured.
  • the surface accuracy of the concave diffraction grating mold 3 can be improved.
  • FIG. 8 is a view showing a method of manufacturing a concave diffraction grating mold of Example 4 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A shows a step of forming a plane diffraction grating
  • FIG. 8B shows a step of forming a metal diffraction grating
  • FIG. 8C shows a step of separating the metal diffraction grating from the plane diffraction grating
  • FIG. 8D shows a step of lowering the concave substrate above the metal diffraction grating.
  • 8 (e) shows a bonding step
  • FIG. 8 (f) shows a step of removing the concave substrate
  • FIG. 8 (g) shows a step of removing the outer peripheral portion of the metal diffraction grating.
  • FIG. 5 is a view showing a step of obtaining a mold of a concave diffraction grating.
  • the grating grooves 41a having a sawtooth shape are reduced in the blaze direction by machine stamping on the planar substrate, and the planar diffraction grating 40 is formed.
  • the interval between the grating grooves 41a of the plane diffraction grating 40 is gradually reduced along the blaze direction. Therefore, along the blaze direction, the planar diffraction grating 40 has a shape in which the interval between the adjacent grating grooves 41a gradually changes gradually from a wide interval to a narrow interval.
  • a seed film is formed on the surface on which the grating grooves 41a are formed, and then a metal is laminated by electrolytic plating to form a metal diffraction grating.
  • a grid 42 is formed.
  • the seed film is etched from the plane diffraction grating 40 to separate the metal diffraction grating.
  • the sawtooth-shaped grating grooves 41b of the metal diffraction grating 42 are formed at intervals that are equally enlarged in the blaze direction.
  • the interval between the grating grooves 41b of the metal diffraction grating 42 is gradually increased along the blaze direction. Therefore, along the blaze direction, the metal diffraction grating 42 has a shape in which the interval between the mutually adjacent grating grooves 41b gradually changes from a narrow interval to a wide interval.
  • the surface of the metal diffraction grating 42 where the grating grooves 41b are formed is placed on the concave substrate 45 side.
  • the adhesive layer 43 and the convex substrate 44 are provided on the surface opposite to the surface on which the lattice grooves 41b are formed. That is, the concave surface of the concave substrate 45 is placed above the surface of the metal diffraction grating 42 on which the grating grooves 41b are formed, and the opposite side of the surface of the metal diffraction grating 42 on which the grating grooves 41b are formed.
  • the adhesive layer 43 is disposed below the surface, and the convex surface of the convex substrate 44 is disposed below the adhesive layer 43 so as to face each other.
  • a temperature and a load higher than the softening point of the bonding layer 43 are applied in a vacuum atmosphere, and the surface of the metal diffraction grating 42 where the grating grooves 41 b are formed is placed on the concave substrate 45. Simultaneously, the metal diffraction grating 42 is adhered to the convex surface of the convex substrate 44 by the adhesive layer 43.
  • the concave substrate 45 is removed (removed) after cooling while applying a load to cure the adhesive layer 43.
  • the step of obtaining the mold of the concave diffraction grating by removing the outer peripheral portion of the metal diffraction grating shown in FIG. 8 (g) the outer peripheral portion (the metal diffraction grating) of the metal diffraction grating 42 deformed on a curved surface is obtained.
  • the concave diffraction grating mold 4 is formed by removing the outer peripheral portion of the grating 42 that extends outside the convex surface of the convex substrate 44. According to the above method, a concave diffraction grating mold 4 having an interval that is equally enlarged in the blaze direction can be formed.
  • FIG. 9 is a diagram showing a method of manufacturing a concave diffraction grating mold of Example 5 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A shows a step of forming a metal diffraction grating.
  • 9 (b) shows a step of installing a concave substrate above a metal diffraction grating and a convex substrate below
  • FIG. 9 (c) shows a bonding step
  • FIG. 9 (d) shows a step of removing the concave substrate
  • FIG. (e) is a diagram showing a step of obtaining a mold of a concave diffraction grating by removing an outer peripheral portion of a metal diffraction grating.
  • a grating groove 51 is formed, and a metal diffraction grating 52 is formed.
  • the interval between the grating grooves 51 of the metal diffraction grating 52 is gradually increased along the blaze direction. Therefore, along the blaze direction, the metal diffraction grating 52 has a shape in which the interval between the adjacent grating grooves 51 gradually changes from a narrow interval to a wide interval.
  • the semiconductor process photolithography and etching
  • the surface of the metal diffraction grating 52 where the grating grooves 51 are formed is placed on the concave substrate 55 side.
  • the adhesive layer 53 and the convex substrate 54 are provided on the surface opposite to the surface on which the lattice grooves 51 are formed. That is, the concave surface of the concave substrate 55 is installed above the surface of the metal diffraction grating 52 on which the grating grooves 51 are formed, and is opposite to the surface of the metal diffraction grating 52 on which the grating grooves 51 are formed.
  • An adhesive layer 53 is provided below the surface, and a convex substrate 54 is provided below the adhesive layer 53 so as to face the convex surface.
  • a temperature and a load higher than the softening point of the bonding layer 53 are applied in a vacuum atmosphere, and the surface of the metal diffraction grating 52 where the grating grooves 51 are formed is placed on the concave substrate 55. Simultaneously, the metal diffraction grating 52 is adhered to the convex surface of the convex substrate 54 by the adhesive layer 53.
  • the concave substrate 55 is removed (removed) after cooling while applying a load to cure the adhesive layer 53.
  • the step of obtaining the mold of the concave diffraction grating by removing the outer peripheral portion of the metal diffraction grating shown in FIG. 9E the outer periphery not bonded to the convex surface of the convex substrate 54 of the metal diffraction grating 52 is obtained.
  • the concave diffraction grating mold 5 is formed.
  • the sawtooth-shaped lattice grooves 51 having the intervals that are equally enlarged in the blaze direction are formed on the flat metal substrate by the semiconductor process (photolithography and etching).
  • the semiconductor process photolithography and etching.
  • FIG. 10 is a diagram showing a method of manufacturing a concave diffraction grating mold of Example 6 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A shows a step of forming a plane diffraction grating
  • FIG. 10B shows a step of forming a metal diffraction grating
  • FIG. 10D shows a step of setting a concave substrate above the metal diffraction grating and a convex substrate below the metal diffraction grating.
  • 10 (e) shows the bonding step
  • FIG. 10 (f) shows the step of removing the concave substrate
  • FIG. 10 (g) shows the concave diffraction grating mold by removing the outer peripheral portion of the metal diffraction grating. It is a figure which shows the process of obtaining.
  • a sawtooth-shaped grating groove is formed on a plane substrate by photolithography using a resist (resin) at regular intervals reduced in the blaze direction.
  • the planar diffraction grating 60 is formed by forming 61a.
  • the interval between the grating grooves 61a of the plane diffraction grating 60 is reduced stepwise along the blaze direction. Accordingly, along the blaze direction, the planar diffraction grating 60 has a shape in which the interval between adjacent grating grooves 61a gradually changes from a wide interval to a narrow interval.
  • the metal material is laminated by electrolytic plating.
  • the metal material is peeled off from the plane diffraction grating 60, and the metal material having the sawtooth-shaped grating grooves 61b is spaced at regular intervals in the blaze direction.
  • a diffraction grating 62 is formed. In other words, the interval between the grating grooves 61b of the metal diffraction grating 62 is gradually increased along the blaze direction.
  • the metal diffraction grating 62 has a shape in which the interval between the mutually adjacent grating grooves 61b gradually changes from a narrow interval to a wide interval.
  • the production of the plane diffraction grating 60 by photolithography can be made in a shorter time as compared with mechanical engraving, and the resist (resin) is removed when the metal diffraction grating 62 is peeled off from the plane diffraction grating 60. By dissolving, it can be easily peeled.
  • the surface of the metal diffraction grating 62 where the grating grooves 61b are formed is placed on the concave substrate 65 side.
  • the adhesive layer 63 and the convex substrate 64 are provided on the surface opposite to the surface on which the lattice grooves 61b are formed.
  • the concave surface of the concave substrate 65 is placed above the surface of the metal diffraction grating 62 on which the grating grooves 61b are formed, and is opposite to the surface of the metal diffraction grating 62 on which the grating grooves 61b are formed.
  • the adhesive layer 63 is disposed below the surface, and the convex surface of the convex substrate 64 is disposed below the adhesive layer 63 so as to face the adhesive layer 63.
  • a temperature and a load higher than the softening point of the bonding layer 63 are applied in a vacuum atmosphere, and the surface of the metal diffraction grating 62 where the grating grooves 61 b are formed is placed on the concave substrate 65. Simultaneously, the metal diffraction grating 62 is bonded to the convex surface of the convex substrate 64 with the adhesive layer 63.
  • the concave substrate 65 is removed (removed) after cooling while applying a load to cure the adhesive layer 63.
  • the convex surface of the convex substrate 64 of the metal diffraction grating 62 deformed on the curved surface is formed.
  • the plane diffraction grating 60 by manufacturing the plane diffraction grating 60 by photolithography, it can be manufactured in a shorter time as compared with mechanical engraving, and the metal diffraction grating 62 is separated from the plane diffraction grating 60.
  • the resist (resin) can be easily removed by dissolving the resist (resin).
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described above.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment.

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Abstract

球面収差の抑制により回折効率を向上し得る凹面回折格子を提供する。　凹面回折格子２は、光を分光、集光する凹面回折格子２であって、凹面状の基板２４上に鋸歯形状の格子溝２１を有し、鋸歯形状の格子溝２１の間隔が不等である。また、光を分光、集光する凹面回折格子２は、フォトリソグラフィおよびエッチング、または機械加工により、平面基板上に鋸歯形状が形成され、鋸歯形状が不等間隔の格子溝２１を成す平面回折格子を、凸面固定基板上に変形させて、実装した凹面回折格子の型を、金属または樹脂の表面に転写することにより形成される。

Description

凹面回折格子、及びその製造方法、並びに光学装置
　本発明は、凹面回折格子およびその製造方法に係り、特に光を分光、収束させる曲面回折格子および、それを用いた光学装置に関する。
　本技術分野の背景技術として、分光光度計等の光学装置に搭載される光学素子である曲面回折格子は、光の分光、収束の両方の性能を有しており、部品点数を少なくでき、装置の構成を簡便にすることが可能である。
　従来、球面の凹面回折格子において、格子溝の間隔を等間隔とすると、分光光はローランド円上に集光されるため、検出器をローランド円上に設置することで、光学装置の性能を向上させることは可能である。しかし、検出器をローランド円上に設置することで、光学装置の大型化が懸念される。そこで、凹面回折格子に形成する格子溝を不等間隔とすることで、集光位置、すなわち検出器の設置場所をローランド円から近似的な直線位置に補正でき、光学装置を小型化できる。このような球面の凹面回折格子を実現するために、例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に記載される方法が提案されている。
　凹面回折格子は、凸面基板にルーリングエンジン等の機械で格子溝を刻印する方法で凹面回折格子の型を作製し、刻印した格子溝を樹脂、金属等に転写することで、凹面回折格子を製造している。球面の凹面回折格子では、特許文献１に記載されるように格子溝の間隔を不等間隔にすることで、分光光の収差を抑制している。　
　また、特許文献２では、凹面基板上に格子溝の間隔を不等間隔にレジストを形成し、イオンエッチングによりラミナー型（矩形）格子溝を形成し、凹面回折格子を作製している。特許文献３では、鋸歯形状の格子溝を有する平面回折格子を凹凸面基板で挟み込み、変形させ、凸面基板上に接合して、凹面回折格子の型を形成している。その凹面回折格子の型を金属や樹脂などに転写して凹面回折格子を作製している。
特開昭５５－１３９１８号公報 特開２０１１－１０６８４２号公報 ＷＯ２０１６／０５９９２８号公報
　球面の凹面回折格子において、格子溝の間隔を等間隔とすると、分光光はローランド円上に集光されるため、検出器をローランド円上に設置することで、光学装置の性能を向上させることは可能である。しかし、検出器をローランド円上に設置することで、光学装置の大型化が懸念される。そこで、凹面回折格子に形成する格子溝を不等間隔とすることで、集光位置、すなわち検出器の設置場所をローランド円から近似的な直線位置に補正でき、光学装置を小型化できるが、以下に示す課題がある。
　特許文献１に記載される凹面回折格子の製造方法において、凸面基板にルーリングエンジン等の機械で刻印する方法で回折格子の型を作製すると、刻印ツールの角度が一定であるため、曲面基板の中心部、端部において、鋸歯形状の格子溝に浅い部分と深い部分とが形成され、ブレーズ角が一定にならない課題がある。
　特許文献２に記載される半導体プロセスを用いた曲面回折格子の製造方法では、任意の曲面基板に対して、フォトリソグラフィによるレジストの格子溝パターンを正確に作製することが困難であり、且つ曲面上へのエッチングでは曲面の垂線から傾きを持ったラミナー型（矩形）の格子溝が形成されるという不具合が生じ得る。
　特許文献３に記載される曲面回折格子の型を作製する技術では、平面基板上に鋸歯状の格子溝を形成した後、曲面に接合するため、曲面基板の中心部、端部においてもブレーズ角一定の凹面回折格子を作製することは可能であるが、格子溝が等間隔であるため収差の抑制は不十分であり、回折効率が低下して、検出光を有効に活用することができない。
　また仮に、特許文献２に記載されるラミナー型回折格子を平面基板上に作製し、特許文献３に記載される方法を適用した場合、曲面の垂線方向に傾きを持たずに、不等間隔で矩形の格子溝を有する曲面回折格子を作製することはできるが、凹凸面基板で挟み、荷重を印加すると、荷重が矩形の格子溝に加わり、矩形の格子溝が破損する虞がある。また、凹面回折格子の型を転写する際に、矩形の格子溝が噛みこむため、凹面回折格子が型から剥離し難いという課題がある。
　そこで、本発明は、球面収差の抑制により回折効率を向上し得る凹面回折格子を提供する。　
　また、本発明は、一定のブレーズ角の鋸歯形状を有し、不等間隔の格子溝を備えた凹面回折格子を光学装置に搭載することで、球面収差の抑制により回折効率を向上でき且つ検出器を直線上に設置可能とし得る光学装置を提供する。　
　上記課題を解決するため、本発明に係る凹面回折格子は、光を分光、集光する凹面回折格子であって、凹面状の基板上に鋸歯形状の格子溝を有し、前記鋸歯形状の格子溝の間隔が不等であることを特徴とする。
　また、本発明に係る凹面回折格子は、光を分光、集光する凹面回折格子であって、フォトリソグラフィおよびエッチング、または機械加工により、平面基板上に鋸歯形状が形成され、前記鋸歯形状が不等間隔の格子溝を成す平面回折格子を、凸面固定基板上に変形させて、実装した凹面回折格子の型を、金属または樹脂の表面に転写することにより形成されることを特徴とする。
　また、本発明に係る凹面回折格子は、光を分光、集光する凹面回折格子であって、フォトリソグラフィおよびエッチング、または機械加工により、平面基板上に形成された鋸歯形状を有し、前記鋸歯形状が不等間隔の格子溝を成す第１の平面回折格子基板に形成された回折格子パターンが転写された平面状の第２の回折格子基板を、凸面固定基板上に変形させて、実装した凹面回折格子の型を、金属または樹脂の表面に転写することにより形成されることを特徴とする。
　また、本発明に係る光学装置は、光源から照射された光を集光し試料に照射させる第１の集光レンズと、前記試料を透過する透過光をスリットの開口部に集光する第２の集光レンズと、前記スリットの開口部を透過する光を波長分散し、複数の検出器へ導く凹面回折格子と、を備え、前記凹面回折格子は、凹面状の基板上に鋸歯形状の格子溝を有し、前記鋸歯形状の格子溝の間隔が不等であることを特徴とする。
　また、本発明に係る凹面回折格子の製造方法は、（１）フォトリソグラフィおよびエッチング、または機械加工により、平面状基板上に鋸歯形状を形成し、不等間隔の格子溝を形成して、平面状の回折格子基板を作製する工程と、（２）前記格子溝が形成された面に凹面が対向するよう凹面基板を設置すると共に、前記格子溝が形成された面とは反対側の面に凸面が対向するよう接着層を介して凸面基板を設置する工程と、（３）前記平面状の回折格子基板の格子溝が形成された面を前記凹面基板に倣わせると共に、前記接着層により前記平面状の回折格子基板を前記凸面基板に接着する接着工程と、（４）前記凹面基板が取り外された後、前記平面状の回折格子基板のうち前記凸面基板の凸面よりも外側へと延在する外周部を除去し、凹面回折格子の型を形成する工程と、（５）前記凹面回折格子の型を、金属または樹脂の表面に転写する工程と、を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、球面収差の抑制により回折効率を向上し得る凹面回折格子を提供することが可能となる。　
　また、本発明によれば、一定のブレーズ角の鋸歯形状を有し、不等間隔の格子溝を備えた凹面回折格子を光学装置に搭載することで、球面収差の抑制により回折効率を向上でき且つ検出器を直線上に設置可能とし得る光学装置を提供することが可能となる。　
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の一実施例に係る実施例１の凹面回折格子を用いた光学装置の全体概略構成図である。 図１に示す凹面回折格子（球面回折格子）の概略構成を示す斜視図である。 図２に示す凹面回折格子（球面回折格子）のＡ－Ａ断面矢視図及び格子溝の拡大図である。 本発明の他の実施例に係る実施例２の凹面回折格子（球面回折格子）の型の概略構成を示す斜視図である。 図４に示す凹面回折格子（球面回折格子）型のＢ－Ｂ断面矢視図である。 図４に示す凹面回折格子の型を用いた凹面回折格子の製造方法を示す図であって、図６（ａ）は凹面回折格子の型を用意する工程を、図６（ｂ）は凹面回折格子の型上に金属層を形成する工程を、図６（ｃ）は金属層上に凹面基板を設置する工程を、図６（ｄ）は凹面回折格子の型から剥離し凹面回折格子を得る工程を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例３の凹面回折格子の型の製造方法を示す図であって、図７（ａ）は金属製回折格子を形成する工程を、図７（ｂ）は金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程を、図７（ｃ）は接着工程を、図７（ｄ）は凹面基板を取り外す工程を、図７（ｅ）は金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例４の凹面回折格子の型の製造方法を示す図であって、図８（ａ）は平面回折格子を形成する工程を、図８（ｂ）は金属製回折格子を形成する工程を、図８（ｃ）は平面回折格子から金属製回折格子を剥離する工程を、図８（ｄ）は金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程を、図８（ｅ）は接着工程を、図８（ｆ）は凹面基板を取り外す工程を、図８（ｇ）は金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例５の凹面回折格子の型の製造方法を示す図であって、図９（ａ）は金属製回折格子を形成する工程を、図９（ｂ）は金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程を、図９（ｃ）は接着工程を、図９（ｄ）は凹面基板を取り外す工程を、図９（ｅ）は金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例６の凹面回折格子の型の製造方法を示す図であって、図１０（ａ）は平面回折格子を形成する工程を、図１０（ｂ）は金属材料を積層する工程を、図１０（ｃ）は金属製回折格子を形成する工程を、図１０（ｄ）は金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程を、図１０（ｅ）は接着工程を、図１０（ｆ）は凹面基板を取り外す工程を、図１０（ｇ）は金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程を示す図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
　図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の凹面回折格子を用いた光学装置の全体概略構成図である。光学装置１は、化学物質、生体物質などにおいて、物質の化学結合に特有の波長の光を選択的に吸収して、濃度測定、物質同定に使用される。図１に示すように、光学装置１は、白色光源１１、集光レンズ１２ａ、試料室１３、集光レンズ１２ｂ、スリット１４、凹面回折格子２、及び複数の直線上に配置された検出器１６にて構成される。
白色光源１１からの光は集光レンズ１２ａにより集光され、試料室１３内の計測対象に照射される。試料室１３ら透過してくる光は、集光レンズ１２ｂによりスリット１４の開口部上に集光される。スリット１４を通過した光は凹面回折格子２によって波長分散されスペクトルを形成する。形成されたスペクトルを検出器１６で検出する。
　凹面回折格子２について説明する。図２は図１に示す凹面回折格子２の概略構成を示す斜視図であり、図３は図２に示す凹面回折格子２のＡ－Ａ断面矢視図及び格子溝の拡大図である。図２及び図３に示すように、凹面回折格子２は、任意の曲率を有する凹面基板２４、格子溝２１が形成された金属層２２、及び凹面基板２４上に金属層２２を固定する樹脂層２３にて構成される。凹面回折格子の反射面（表面）は球面の一部を成している。そのため凹面回折格子を球面回折格子と称する場合もある。等間隔の格子溝を備えた凹面回折格子では、ローランド円上に結像する。これに対して、図３に示すように、格子溝２１の間隔をブレーズ方向に等差的に縮小させた凹面回折格子２では、近似的に直線上に結像することができる。換言すれば、格子溝２１の間隔をブレーズ方向に沿って段階的に縮小させた凹面回折格子２では、近似的に直線上に結像することができる。ここで、ブレーズ方向とは、図３に示すように、鋸歯形状の格子溝２１の頂角２１１から最小角度（ブレーズ角２１２）を有する頂点へ向かう方向と定義される。従って、ブレーズ方向に沿って、相互に隣接する格子溝２１の間隔が広間隔から狭間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有する。
　このようにブレーズ方向に等差的に縮小させた凹面回折格子２を、図１に示す光学装置１に適用することで、複数の検知器１６を直線上に配置できるため、検出器１６の実装を簡略化でき、光学装置１を小型化することができる。　
　また、凹面回折格子２で一定のブレーズ角２１２を有することで、特有の波長の光を選択的に分光できるため、ノイズ（迷光）の小さい光学装置１とでき、検出効率を向上することができる。
　以上の通り、本実施例によれば、球面収差の抑制により回折効率を向上し得る凹面回折格子を提供することが可能となる。　
　また、本実施例によれば、一定のブレーズ角の鋸歯形状を有し、不等間隔の格子溝を備えた凹面回折格子を光学装置に搭載することで、球面収差の抑制により回折効率を向上でき且つ検出器を直線上に設置可能とし得る光学装置を提供することが可能となる。　
　また、本実施例によれば、検出器を直線上に設置できるため、小型の光学装置を実現できる。　
　更には、光学素子の部品点数が少ない低コストの光学装置を実現できる。
　凹面回折格子の型の構造、及び凹面回折格子の製造方法について、図４乃至図６を用いて説明する。図４は本発明の他の実施例に係る実施例２の凹面回折格子の型の概略構成を示す斜視図であり、図５は図４に示す凹面回折格子型のＢ－Ｂ断面矢視図である。
　図４及び図５に示すように、凹面回折格子の型３は、任意の曲率を有する凸面基板３４、格子溝３１が形成された金属膜である金属製回折格子３２、および凸面基板３４上に金属膜である金属製回折格子３２を固定する接着層３３にて構成される。図５に示されるように、凹面回折格子の型３を構成する金属製回折格子３２の格子溝３１の間隔は、ブレーズ方向に等差的に拡大している。換言すれば、金属製回折格子３２の格子溝３１の間隔をブレーズ方向に沿って段階的に拡大させている。従って、ブレーズ方向に沿って、凹面回折格子の型３を構成する金属製回折格子３２は、相互に隣接する格子溝３１の間隔が狭間隔から広間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有する。
　次に、上述の実施例１で示した凹面回折格子２の製造方向について説明する。図６は、図４に示す凹面回折格子の型を用いた凹面回折格子の製造方法を示す図であって、図６（ａ）は凹面回折格子の型を用意する工程を、図６（ｂ）は凹面回折格子の型上に金属層を形成する工程を、図６（ｃ）は金属層上に凹面基板を設置する工程を、図６（ｄ）は凹面回折格子の型から剥離し凹面回折格子を得る工程を示す図である。
　図６（ａ）に示す凹面回折格子の型を用意する工程にて、先ず、鋸歯形状の格子溝３１を有する凹面回折格子の型３を用意する。　
　次に、図６（ｂ）に示す凹面回折格子の型上に金属層を形成する工程にて、鋸歯形状の格子溝３１を有する凹面回折格子の型３上に剥離層（図示せず）、金属層２２を形成する。図６（ｃ）に示す金属層上に凹面基板を設置する工程では、金属層２２上に樹脂層２３を形成した後、樹脂層２３の上に凹面基板２４を設置する。
　図６（ｄ）に示す凹面回折格子の型から剥離し凹面回折格子を得る工程では、樹脂層２３が硬化した後、凹面回折格子の型３から、金属層２２、樹脂層２３、凹面基板２４を外す（剥離する）ことで、凹面回折格子２を製造する。
　なお、凹面回折格子の型３を用いて、ナノインプリント等の技術により、樹脂層２３に格子溝３１を転写した後、その表面に金属層２２を成膜しても良い。ここで、凹面回折格子２は、凹面回折格子の型３を転写して形成するため、図６の右図に示すように、格子溝２１の間隔を頂角２１１からブレーズ角２１２の頂点に向かって、すなわち、ブレーズ方向（凹面回折格子２のブレーズ方向）に等差的に縮小した凹面回折格子２を形成するためには、凹面回折格子の型３の格子溝３１の間隔を頂角３１１からブレーズ角３１２の頂点に向かって、すなわち、ブレーズ方向（凹面回折格子の型３のブレーズ方向）に等差的に拡大して形成する必要がある。
　以上の通り本実施例によれば、上述の実施例１に示した凹面回折格子２を容易に製造することが可能となる。
　次に凹面回折格子の型の製法について説明する。以下の複数の製法は、上記球面回折格子に代表される凹面回折格子の製造方法に用いることができる。
　図７は、本発明の他の実施例に係る実施例３の凹面回折格子の型の製造方法を示す図であって、図７（ａ）は金属製回折格子を形成する工程を、図７（ｂ）は金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程を、図７（ｃ）は接着工程を、図７（ｄ）は凹面基板を取り外す工程を、図７（ｅ）は金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程を示す図である。
　図７（ａ）に示す金属製回折格子を形成する工程にて、平面の金属基板上に、鋸歯形状を有し、ブレーズ方向に等差的に拡大させた格子溝３１を機械刻印して、金属製回折格子３２を形成する。換言すれば、金属製回折格子３２の格子溝３１の間隔をブレーズ方向に沿って段階的に拡大させている。従って、ブレーズ方向に沿って、金属製回折格子３２は、相互に隣接する格子溝３１の間隔が狭間隔から広間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有する。
　次に、図７（ｂ）に示す金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程にて、金属製回折格子３２の格子溝３１を形成した面を凹面基板３５側に、格子溝３１を形成した面と反対側の面に、接着層３３、凸面基板３４側に設置する。すなわち、金属製回折格子３２の格子溝３１を形成した面の上方に、凹面基板３５の凹面が対向するよう設置すると共に、金属製回折格子３２の格子溝３１を形成した面とは反対側の面の下方に、接着層３３、接着層３３の下方に凸面基板３４の凸面が対向するよう設置する。
　図７（ｃ）に示す接着工程では、真空雰囲気下で、接着層３３の軟化点以上の温度、および荷重を印加して、金属製回折格子３２の格子溝３１の形成面を凹面基板３５に倣わせると共に、接着層３３により金属製回折格子３２を凸面基板３４の凸面に接着する。　
　次に、図７（ｄ）に示す凹面基板を取り外す工程では、荷重を印加した状態で冷却させて、接着層３３を硬化させ、凹面基板３５を取り外す（除去する）。続いて、図７（ｅ）に示す金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程にて、曲面上に変形した金属製回折格子３２の外周部（金属製回折格子３２のうち凸面基板３４の凸面よりも外側へと延在する外周部）を除去することで、凹面回折格子の型３を形成する。
金属製回折格子３２を凹面基板３５に倣わせて曲面に変形させることで、格子溝３１を形成した面は、凹面基板３５の面精度となる。また、接着層３３は、接着時に軟化しており、金属製回折格子３２の厚さばらつき、凸面基板３４の面精度ばらつきの影響を吸収することができる。
　機械による刻印、若しくは半導体プロセス（フォトリソ及びエッチング）により、格子溝３１を金属の平面基板上に形成した金属製回折格子３２、または機械による刻印、若しくは半導体プロセスにより、格子溝３１を形成した平面回折格子を金属の平面基板に転写して、金属製回折格子３２を作製する。金属の平面基板への平面回折格子の格子溝の転写においては、スパッタリング、蒸着、めっきを用いる。これらの金属製回折格子３２を曲面に変形させて、凸面基板３４に実装することで、凹面回折格子の型３を作製する。この凹面回折格子の型３を、上述の実施例１における図６に示した方法で、金属層２２、樹脂層２３に転写させて、凹面回折格子２を作製する。
　機械刻印により平面状の基板に格子溝３１を作製すると、刻印ツールの角度が一定であるため、基板の全面において、一定のブレーズ角度３１２を持った鋸歯形状の格子溝３１を、形状ばらつきが少なく形成することができる。
半導体プロセスにより平面基板上に格子溝３１を作製すると、曲面上へのフォトリソグラフィ及びエッチングと比較して、一定のブレーズ角度３１２（図６）を有する鋸歯形状の格子溝３１を、形状ばらつきを少なく形成しやすいと共に、従来のフォトリソグラフィやエッチングに適用する装置を適用できる。これらの方法で作製した平面状の回折格子基板（金属製回折格子）３２を曲面に変形させて、凸面基板３４に実装するため、曲面（凸面）全面において、ほぼ一定のブレーズ角度を有する鋸歯形状を有し、ブレーズ方向に等差的に間隔を変化させた格子溝３１を有する凹面回折格子の型３を作製することができる。
　金属製回折格子３２の曲面への変形、凸面基板３４への実装においては、金属製回折格子３２を、高い面精度を有する凹面基板３５と凸面基板３４とで挟み込み、荷重、温度を印加して、凹面回折格子の型３を作製する。金属製回折格子３２の格子溝３１を形成した面を凹面基板３５に倣わせることで、金属製回折格子３２の基板厚さばらつき、金属製回折格子３２と凸面基板３４とを固定する接着層３３の厚さばらつき、凸面基板の面精度等の影響なく、凹面回折格子の型３の面精度を向上できる。金属製回折格子３２を凹面基板３５と凸面基板３４とで挟み込み、荷重を印加して、曲面に変形させたときに、格子溝３１の変形、潰れ等が懸念されるが、凹面基板３５から格子溝３１に加わる荷重は、鋸歯形状の格子溝３１の頂角３１１（図６）の隣辺方向へと分散されるため、変形、潰れなく、凹面回折格子の型３を作製できる。
　以上の通り本実施例によれば、曲面（凸面）全面において、ほぼ一定のブレーズ角度を有する鋸歯形状を有し、ブレーズ方向に等差的に間隔を変化させた格子溝３１を有する凹面回折格子の型３を作製することが可能となる。その結果、転写されたほぼ一定のブレーズ角度を有する鋸歯形状を有する凹面回折格子２を作製することができる。　
　また、本実施例によれば、凹面回折格子の型３の面精度を向上することが可能となる。
　図８は、本発明の他の実施例に係る実施例４の凹面回折格子の型の製造方法を示す図であって、図８（ａ）は平面回折格子を形成する工程を、図８（ｂ）は金属製回折格子を形成する工程を、図８（ｃ）は平面回折格子から金属製回折格子を剥離する工程を、図８（ｄ）は金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程を、図８（ｅ）は接着工程を、図８（ｆ）は凹面基板を取り外す工程を、図８（ｇ）は金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程を示す図である。
　図８（ａ）に示す平面回折格子を形成する工程にて、平面基板上に機械刻印により、鋸歯形状を有する格子溝４１ａを、ブレーズ方向に等差的に縮小させて、平面回折格子４０を形成する。換言すれば、平面回折格子４０の格子溝４１ａの間隔をブレーズ方向に沿って段階的に縮小させている。従って、ブレーズ方向に沿って、平面回折格子４０は、相互に隣接する格子溝４１ａの間隔が広間隔から狭間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有する。
　次に、図８（ｂ）に示す金属製回折格子を形成する工程にて、格子溝４１ａを形成した面に、シード膜を形成した後、電解めっきにより、金属を積層して、金属製回折格子４２を形成する。　
　図８（ｃ）に示す平面回折格子から金属製回折格子を剥離する工程では、平面回折格子４０からシード膜をエッチングして、金属製回折格子４２を剥離する。ここで、金属製回折格子４２の鋸歯形状の格子溝４１ｂは、ブレーズ方向に等差的に拡大した間隔で形成される。換言すれば、金属製回折格子４２の格子溝４１ｂの間隔をブレーズ方向に沿って段階的に拡大させている。従って、ブレーズ方向に沿って、金属製回折格子４２は、相互に隣接する格子溝４１ｂの間隔が狭間隔から広間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有する。
　次に、図８（ｄ）に示す金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程にて、金属製回折格子４２の格子溝４１ｂを形成した面を凹面基板４５側に、格子溝４１ｂを形成した面の反対側の面に、接着層４３、凸面基板４４を設置する。すなわち、金属製回折格子４２の格子溝４１ｂを形成した面の上方に、凹面基板４５の凹面が対向するよう設置すると共に、金属製回折格子４２の格子溝４１ｂを形成した面とは反対側の面の下方に、接着層４３、接着層４３の下方に凸面基板４４の凸面が対向するよう設置する。
　図８（ｅ）に示す接着工程では、真空雰囲気下で、接着層４３の軟化点以上の温度、および荷重を印加して、金属製回折格子４２の格子溝４１ｂの形成面を凹面基板４５に倣わせると共に、接着層４３により金属製回折格子４２を凸面基板４４の凸面に接着する。
　次に、図８（ｆ）に示す凹面基板を取り外す工程では、荷重を印加した状態で冷却させて、接着層４３を硬化させた後、凹面基板４５を取り外す（除去する）。続いて、図８（ｇ）に示す金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程にて、曲面上に変形した金属製回折格子４２の外周部（金属製回折格子４２のうち凸面基板４４の凸面よりも外側へと延在する外周部）を除去することで、凹面回折格子の型４を形成する。上記方法により、ブレーズ方向に等差的に拡大した間隔を有する凹面回折格子の型４を形成できる。
　図９は、本発明の他の実施例に係る実施例５の凹面回折格子の型の製造方法を示す図であって、図９（ａ）は金属製回折格子を形成する工程を、図９（ｂ）は金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程を、図９（ｃ）は接着工程を、図９（ｄ）は凹面基板を取り外す工程を、図９（ｅ）は金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程を示す図である。
　図９（ａ）に示す金属製回折格子を形成する工程にて、平面の金属基板上に半導体プロセス（フォトリソグラフィ及びエッチング）により、ブレーズ方向に等差的に拡大させた間隔を有する鋸歯形状の格子溝５１を形成して、金属製回折格子５２を形成する。換言すれば、金属製回折格子５２の格子溝５１の間隔をブレーズ方向に沿って段階的に拡大させている。従って、ブレーズ方向に沿って、金属製回折格子５２は、相互に隣接する格子溝５１の間隔が狭間隔から広間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有する。ここで、半導体プロセス（フォトリソグラフィ及びエッチング）を適用することで、機械刻印による金属製回折格子５２の作製と比較して、短時間での作製が可能である。
　次に、図９（ｂ）に示す金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程にて、金属製回折格子５２の格子溝５１を形成した面を凹面基板５５側に、格子溝５１を形成した面と反対側の面に接着層５３、凸面基板５４を設置する。すなわち、金属製回折格子５２の格子溝５１を形成した面の上方に、凹面基板５５の凹面が対向するよう設置すると共に、金属製回折格子５２の格子溝５１を形成した面とは反対側の面の下方に、接着層５３、接着層５３の下方に凸面基板５４の凸面が対向するよう設置する。
　図９（ｃ）に示す接着工程では、真空雰囲気下で、接着層５３の軟化点以上の温度、および荷重を印加して、金属製回折格子５２の格子溝５１の形成面を凹面基板５５に倣わせると共に、接着層５３により金属製回折格子５２を凸面基板５４の凸面に接着する。
　次に、図９（ｄ）に示す凹面基板を取り外す工程では、荷重を印加した状態で冷却させて、接着層５３を硬化させた後、凹面基板５５を取り外す（除去する）。続いて、図９（ｅ）に示す金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程にて、金属製回折格子５２の凸面基板５４の凸面に接着されていない外周部（金属製回折格子５２のうち凸面基板５４の凸面よりも外側へと延在する外周部）を除去することで、凹面回折格子の型５を形成する。
　以上の通り本実施例によれば、平面の金属基板上に半導体プロセス（フォトリソグラフィ及びエッチング）により、ブレーズ方向に等差的に拡大させた間隔を有する鋸歯形状の格子溝５１を形成して、金属製回折格子５２を形成することにより、機械刻印による金属製回折格子５２の作製と比較して、短時間での作製が可能となる。
　図１０は、本発明の他の実施例に係る実施例６の凹面回折格子の型の製造方法を示す図であって、図１０（ａ）は平面回折格子を形成する工程を、図１０（ｂ）は金属材料を積層する工程を、図１０（ｃ）は金属製回折格子を形成する工程を、図１０（ｄ）は金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程を、図１０（ｅ）は接着工程を、図１０（ｆ）は凹面基板を取り外す工程を、図１０（ｇ）は金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程を示す図である。
　図１０（ａ）に示す平面回折格子を形成する工程にて、平面基板上にフォトリソグラフィにより、レジスト（樹脂）で、ブレーズ方向に等差的に縮小した間隔で、鋸歯形状を持った格子溝６１ａを形成して、平面回折格子６０を形成する。換言すれば、平面回折格子６０の格子溝６１ａの間隔をブレーズ方向に沿って段階的に縮小させている。従って、ブレーズ方向に沿って、平面回折格子６０は、相互に隣接する格子溝６１ａの間隔が広間隔から狭間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有する。
　次に、図１０（ｂ）に示す金属材料を積層する工程にて、格子溝６１ａを形成した面に、シード膜を形成した後、電解めっきにより、金属材料を積層する。　
　図１０（ｃ）に示す金属製回折格子を形成する工程では、平面回折格子６０から金属材料を剥離させ、ブレーズ方向に等差的に拡大した間隔で、鋸歯形状の格子溝６１ｂを有する金属製回折格子６２を形成する。換言すれば、金属製回折格子６２の格子溝６１ｂの間隔をブレーズ方向に沿って段階的に拡大させている。従って、ブレーズ方向に沿って、金属製回折格子６２は、相互に隣接する格子溝６１ｂの間隔が狭間隔から広間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有する。ここで、フォトリソグラフィでの平面回折格子６０の作製は、機械刻印と比較して、短時間で作製でき、且つ平面回折格子６０から金属製回折格子６２を剥離する際に、レジスト（樹脂）を溶解させることで、容易に剥離させることができる。
　次に、図１０（ｄ）に示す金属製回折格子の上方に凹面基板を下方に凸面基板を設置する工程にて、金属製回折格子６２の格子溝６１ｂを形成した面を凹面基板６５側に、格子溝６１ｂを形成した面の反対側の面に接着層６３、凸面基板６４を設置する。すなわち、金属製回折格子６２の格子溝６１ｂを形成した面の上方に、凹面基板６５の凹面が対向するよう設置すると共に、金属製回折格子６２の格子溝６１ｂを形成した面とは反対側の面の下方に、接着層６３、接着層６３の下方に凸面基板６４の凸面が対向するよう設置する。
　図１０（ｅ）に示す接着工程では、真空雰囲気下で、接着層６３の軟化点以上の温度、および荷重を印加して、金属製回折格子６２の格子溝６１ｂの形成面を凹面基板６５に倣わせると共に、金属製回折格子６２を接着層６３で凸面基板６４の凸面に接着する。
　次に、図１０（ｆ）に示す凹面基板を取り外す工程では、荷重を印加した状態で冷却させて、接着層６３を硬化させた後、凹面基板６５を取り外す（除去する）。続いて、図１０（ｇ）に示す金属製回折格子の外周部を除去することで凹面回折格子の型を得る工程にて、曲面上に変形した金属製回折格子６２の凸面基板６４の凸面に接着されていない外周部（金属製回折格子６２のうち凸面基板６４の凸面よりも外側へと延在する外周部）を除去することで、凹面回折格子の型６を形成する。
　以上の通り本実施例によれば、フォトリソグラフィにて平面回折格子６０を作製することにより、機械刻印と比較して、短時間で作製でき、且つ平面回折格子６０から金属製回折格子６２を剥離する際に、レジスト（樹脂）を溶解させることで、容易に剥離させることができる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
１…光学装置、２…凹面回折格子、３，４，５，６…凹面回折格子の型、１１…光源、１２ａ，１２ｂ…集光レンズ、１３…試料室、１４…スリット、１６…検出器、２１…格子溝、２２…金属層、２３…樹脂層、２４…凹面基板、３０，５０，６０…平面回折格子、３１，４１，５１，６１…格子溝、３２，４２，５２，６２…金属製回折格子、３３，４３，５３，６３…接着層、３４，４４，５４，６４…凸面基板、３５，４５，５５，６５…凹面基板

Claims (17)

  1. 　光を分光、集光する凹面回折格子であって、
    　凹面状の基板上に鋸歯形状の格子溝を有し、前記鋸歯形状の格子溝の間隔が不等であることを特徴とする凹面回折格子。
  2. 　光を分光、集光する凹面回折格子であって、フォトリソグラフィおよびエッチング、または機械加工により、平面基板上に鋸歯形状が形成され、前記鋸歯形状が不等間隔の格子溝を成す平面回折格子を、凸面固定基板上に変形させて、実装した凹面回折格子の型を、金属または樹脂の表面に転写することにより形成されることを特徴とする凹面回折格子。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の凹面回折格子において、
    　前記格子溝の間隔が、ブレーズ方向に等差的に縮小させた形状を有することを特徴とする凹面回折格子。
  4. 　請求項１又は請求項２に記載の凹面回折格子において、
    　相互に隣接する格子溝の間隔が、ブレーズ方向に沿って広間隔から狭間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有することを特徴とする凹面回折格子。
  5. 　請求項３に記載の凹面回折格子において、
    　光を分光、集光する凹面が、球面であることを特徴とする凹面回折格子。
  6. 　請求項４に記載の凹面回折格子において、
    　光を分光、集光する凹面が、球面であることを特徴とする凹面回折格子。
  7. 　光を分光、集光する凹面回折格子であって、
    　フォトリソグラフィおよびエッチング、または機械加工により、平面基板上に形成された鋸歯形状を有し、前記鋸歯形状が不等間隔の格子溝を成す第１の平面回折格子基板に形成された回折格子パターンが転写された平面状の第２の回折格子基板を、凸面固定基板上に変形させて、実装した凹面回折格子の型を、金属または樹脂の表面に転写することにより形成されることを特徴とする凹面回折格子。
  8. 　請求項７に記載の凹面回折格子において、
    　前記格子溝の間隔が、ブレーズ方向に等差的に縮小させた形状を有することを特徴とする凹面回折格子。
  9. 　請求項７に記載の凹面回折格子において、
    　相互に隣接する格子溝の間隔が、ブレーズ方向に沿って広間隔から狭間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有することを特徴とする凹面回折格子。
  10. 　請求項８又は請求項９に記載の凹面回折格子において、
    　光を分光、集光する凹面が、球面であることを特徴とする凹面回折格子。
  11. 　光源から照射された光を集光し試料に照射させる第１の集光レンズと、
    　前記試料を透過する透過光をスリットの開口部に集光する第２の集光レンズと、
    　前記スリットの開口部を透過する光を波長分散し、複数の検出器へ導く凹面回折格子と、を備え、
    　前記凹面回折格子は、凹面状の基板上に鋸歯形状の格子溝を有し、前記鋸歯形状の格子溝の間隔が不等であることを特徴とする光学装置。
  12. 　請求項１１に記載の光学装置において、
    　前記格子溝の間隔が、ブレーズ方向に等差的に縮小させた形状を有することを特徴とする光学装置。
  13. 　請求項１１に記載の光学装置において、
    　相互に隣接する格子溝の間隔が、ブレーズ方向に沿って広間隔から狭間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有することを特徴とする光学装置。
  14. 　請求項１２又は請求項１３に記載の光学装置において、
    　前記複数の検出器は、直線上に配されることを特徴とする光学装置。
  15. 　フォトリソグラフィおよびエッチング、または機械加工により、平面状基板上に鋸歯形状を形成し、不等間隔の格子溝を形成して、平面状の回折格子基板を作製する工程と、
    　前記格子溝が形成された面に凹面が対向するよう凹面基板を設置すると共に、前記格子溝が形成された面とは反対側の面に凸面が対向するよう接着層を介して凸面基板を設置する工程と、
    　前記平面状の回折格子基板の格子溝が形成された面を前記凹面基板に倣わせると共に、前記接着層により前記平面状の回折格子基板を前記凸面基板に接着する接着工程と、
    　前記凹面基板が取り外された後、前記平面状の回折格子基板のうち前記凸面基板の凸面よりも外側へと延在する外周部を除去し、凹面回折格子の型を形成する工程と、
    　前記凹面回折格子の型を、金属または樹脂の表面に転写する工程と、を備えることを特徴とする凹面回折格子の製造方法。
  16. 　請求項１５に記載の凹面回折格子の製造方法において、
    　前記格子溝の間隔が、ブレーズ方向に等差的に縮小させた形状を有することを特徴とする凹面回折格子の製造方法。
  17. 　請求項１５に記載の凹面回折格子の製造方法において、
    　相互に隣接する格子溝の間隔が、ブレーズ方向に沿って広間隔から狭間隔へと段階的に徐々に変化する形状を有することを特徴とする凹面回折格子の製造方法。
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