(57)【要約】【課題】直線状の格子溝を備えた従来の回折素子では、切削加工に長時間を要するため、温度や気圧などの環境や加工機の状態が変化して加工精度に影響が生じ、切削痕による溝表面の平坦性低下など、回折格子の形状精度が不十分になることがある。【解決手段】所定の距離を隔てて互いに平行に配置された複数の光学的機能面と、隣り合う前記光学的機能面を接続する接続面とを有し、光学的機能面と接続面が交互に階段状に配置された回折素子であって、複数の光学的機能面の各々は、幅が同一で、長手方向に沿って延びる両側の側辺が同一の曲率半径の円弧である帯形状を有し、複数の光学的機能面の各帯形状の各側辺の円弧の中心は、一直線上に配置されている回折素子である。切削加工が短時間で済む為、高い形状精度の回折素子を提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の距離を隔てて互いに平行に配置された複数の光学的機能面と、
隣り合う前記光学的機能面を接続する接続面と、を有し、
前記光学的機能面と前記接続面が交互に階段状に配置された回折素子であって、
前記複数の光学的機能面の各々は、幅が同一で、長手方向に沿って延びる両側の側辺が同一の曲率半径の円弧である帯形状を有し、
前記複数の光学的機能面の各帯形状の各側辺の円弧の中心は、一直線上に配置されている、
ことを特徴とする回折素子。
【請求項２】
複数配置された前記接続面の各々は、中心軸が前記一直線上に配置された円筒面、円錐面、もしくはトロイダル面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折素子。
【請求項３】
前記複数の光学的機能面および前記接続面が設けられた部材には、入射面が設けられており、
前記入射面から前記部材の中に入射した赤外光を、前記複数の光学的機能面にて内面反射させる、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回折素子。
【請求項４】
前記複数の光学的機能面および前記接続面が設けられた部材には、入射面が設けられており、
前記入射面から前記部材の中に入射した赤外光を、前記複数の光学的機能面にて外部に透過させる、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回折素子。
【請求項５】
外部から入射する赤外光を、前記複数の光学的機能面にて外面反射させる、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回折素子。
【請求項６】
前記複数の光学的機能面および前記接続面は、
ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、沃臭化タリウム（ＫＲＳ−５）、銅（Ｃｕ）、またはリン化ニッケル（ＮｉＰ）、を材料とする部材に設けられている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回折素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回折素子と、受光素子と、を有する、
ことを特徴とする分光分析装置。
【請求項８】
切削工具を回転軸を中心に旋回させながら前記回転軸を第一方向に移動させ、前記切削工具で母材を切削して、短手方向の幅が一定で、長手方向に沿って延びる両側の側辺が前記切削工具の旋回半径と曲率半径が同一の円弧である帯形状の光学的機能面と、前記光学的機能面と交差して接続する接続面を形成する第一工程と、
前記切削工具を前記母材から離間させて前記第一方向と異なる第二方向に移動させる第二工程と、
を交互に繰り返し行い、
前記母材に、互いに平行に配置された複数の前記光学的機能面と、隣り合う前記光学的機能面を接続する接続面を形成する、
ことを特徴とする回折素子の製造方法。
【請求項９】
前記切削工具の先端面の旋回軌道は、円筒面を描く、
ことを特徴とする請求項８に記載の回折素子の製造方法。
【請求項１０】
前記切削工具の先端面の旋回軌道は、円錐面を描く、
ことを特徴とする請求項８に記載の回折素子の製造方法。
【請求項１１】
前記切削工具の先端面の旋回軌道は、トロイダル面を描く、
ことを特徴とする請求項８に記載の回折素子の製造方法。
【請求項１２】
前記母材の材料は、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、または沃臭化タリウム（ＫＲＳ−５）、銅（Ｃｕ）、またはリン化ニッケル（ＮｉＰ）、である、
ことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の回折素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子が形成された回折素子、およびその製造方法に関する。例えば、天文学、生物学、医学等の分野で用いられる分光分析装置に好適に応用可能な回折素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天文学、生物学、医学等の分野において、赤外線分光分析装置に対する性能向上が期待されている。赤外線分光分析装置には、透過型イマージョン回折素子、内面反射型イマージョン回折素子、外面反射型回折素子、等の回折素子が用いられている。
【０００３】
分光次数が高い回折素子を用いて回折光を分析する場合には、分光分析装置には極めて高機能な分析機構を設ける必要がある。このため、一般には分光次数が低い回折素子が用いられることが多い。ただし、分光次数が低い回折素子は、高次の回折素子に比べて格子溝のピッチが狭くなるため、格子溝の総数が極めて多数になる。
【０００４】
回折素子の製造方法として、例えば特許文献１には、単結晶Ｇｅまたは単結晶Ｓｉに対してダイヤモンドバイトを用いてフライカット方式により直線的な格子溝を形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−７５６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
直線的な格子溝を備えた回折素子を製造するために、特許文献１の加工方法では、形成するべき回折格子の溝方向、すなわち多数の平行な直線の一本一本に沿って回転するダイヤモンドバイトを並進運動させて、被加工物に溝を一本ずつ切削してゆく。このように、直線状の格子溝の長手方向に沿ってダイヤモンドバイトを移動させてゆく方法では、一本の溝の片端から反対端までの切削に要する時間が長くなり、多数の溝により構成される回折格子を製造するのに多大な時間を要していた。
【０００７】
加工に要する時間が長いと、温度や気圧などの環境や加工機の状態がその間に変化して加工精度に影響が生じ、例えば切削痕による溝表面の平坦性低下など、回折格子の形状精度が不十分になることがある。そのため、回折素子の解像度が低下し、微弱な光に対して十分な分光性能が得られなくなる課題があった。また、溝一本の加工に要する時間が長いと、非常に多数の溝を備える回折素子を製作する間には、加工中に停電や地震等のような不測の環境変動が生じる可能性も高まり、許容限度を超えた加工誤差が発生して製造歩留まりが低下する可能性がある。
そこで、製造に要する時間を短縮できる構造の回折素子、およびその製造方法の実現が期待されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、所定の距離を隔てて互いに平行に配置された複数の光学的機能面と、隣り合う前記光学的機能面を接続する接続面と、を有し、前記光学的機能面と前記接続面が交互に階段状に配置された回折素子であって、前記複数の光学的機能面の各々は、幅が同一で、長手方向に沿って延びる両側の側辺が同一の曲率半径の円弧である帯形状を有し、前記複数の光学的機能面の各帯形状の各側辺の円弧の中心は、一直線上に配置されている、ことを特徴とする回折素子である。
【０００９】
また、本発明は、切削工具を回転軸を中心に旋回させながら前記回転軸を第一方向に移動させ、前記切削工具で母材を切削して、短手方向の幅が一定で、長手方向に沿って延びる両側の側辺が前記切削工具の旋回半径と曲率半径が同一の円弧である帯形状の光学的機能面と、前記光学的機能面と交差して接続する接続面を形成する第一工程と、前記切削工具を前記母材から離間させて前記第一方向と異なる第二方向に移動させる第二工程と、を交互に繰り返し行い、前記母材に、互いに平行に配置された複数の前記光学的機能面と、隣り合う前記光学的機能面を接続する接続面を形成する、ことを特徴とする回折素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、製造に要する時間を短縮できる構造の回折素子、およびその製造方法を提供する。加工に要する時間が短縮される結果、環境変化の影響を受けにくくなり、高い形状精度の回折素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の回折素子の外観を示す模式的な斜視図。
【図２】（ａ）実施形態の回折素子の平面図。（ｂ）実施形態の回折素子の側面図。（ｃ）実施形態の回折素子をＭ−Ｍ線で切った断面図。（ｄ）実施形態の回折素子をＮ−Ｎ線で切った断面図。
【図３】（ａ）実施形態の回折素子の円弧を示す平面図。（ｂ）実施形態の回折素子の円筒面を示す正面図。
【図４】（ａ）回折格子が形成される前の母材の外観斜視図。（ｂ）切削工具を用いて実施形態の格子溝を形成する方法を表した模式図。
【図５】（ａ）最下段の格子溝を形成する加工軌道を示す模式図。（ｂ）次段移動軌道を示す模式図。（ｃ）下から２段目の格子溝を形成する加工軌道を示す模式図。
【図６】（ｄ）次段移動軌道を示す模式図。（ｅ）下から３段目の格子溝を形成する加工軌道を示す模式図。
【図７】（ａ）最上段の格子溝を形成する加工軌道を示す模式図。（ｂ）次段移動軌道を示す模式図。（ｃ）上から２段目の格子溝を形成する加工軌道を示す模式図。
【図８】（ｄ）次段移動軌道を示す模式図。（ｅ）上から３段目の格子溝を形成する加工軌道を示す模式図。
【図９】（ａ）従来の回折素子の外観を示す模式的な斜視図。（ｂ）切削工具を用いて従来の格子溝を形成する方法を表した模式図。
【図１０】実施例２の回折素子の外観を示す模式的な斜視図。
【図１１】実施例３の回折素子の外観を示す模式的な斜視図。
【図１２】（ａ）透過型イマージョン回折素子。（ｂ）内面反射型イマージョン回折素子。（ｃ）外面反射型回折素子。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態の回折素子とその製造方法について説明する。尚、特に但し書きがない限り、以下の実施形態及び実施例の説明において参照する複数の図面においては、同一の機能を有する部材については同一の参照番号を付して示すものとする。また、回折格子や加工工具等の形状を忠実に図示するのが困難な場合には、図示の便宜上、模式的に表現している。
【００１３】
［実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の回折素子とその製造方法について説明する。実施形態の回折素子は、図１２（ａ）に示す透過型イマージョン回折素子、あるいは図１２（ｂ）に示す内面反射型イマージョン回折素子、あるいは図１２（ｃ）に示す外面反射型回折素子として用いられる回折素子である。
図１は、実施形態の回折素子の外観を示す模式的な斜視図である。図１において、１１は回折素子、１２は光学的機能面、１３は非機能面である。回折素子１１には、光学的機能面１２と非機能面１３が交互に連続して階段状に配置されている。尚、階段状に配置される光学的機能面１２と非機能面１３の数は、実際には非常に多数であるが、図示の便宜上、模式的に少数だけ示している。
【００１４】
光学的機能面１２は、図１２（ａ）に示す透過型イマージョン回折素子であれば、回折素子内を進行した光を透過させる透過面として機能する。また、図１２（ｂ）に示す内面反射型イマージョン回折素子であれば、光学的機能面１２は、回折素子内を進行した光を内面反射させる反射面として機能する。これら２つの場合には、図１に示されるＸＹ面と平行な回折素子１１の底面が光の入射面となり、入射面の有効径１６の範囲内に入射した所定波長の光を良好に回折させることができる。また、図１２（ｃ）に示す外面反射型回折素子であれば、光学的機能面１２は外から入射する光を反射して、良好に回折させることができる。
【００１５】
非機能面１３は、隣り合う光学的機能面１２を接続する接続面である。各々の非機能面１３の形状は、典型的には図１のように円筒面の一部であるが、場合によっては円錐面もしくはトロイダル面でもよい。
【００１６】
光学的機能面１２と非機能面１３が交差する角を接続した線と、入射面（すなわち回折素子１１の底面）とのなす角が、ブレーズ角度１５である。また、隣接する光学的機能面１２の対応する頂角どうしの間隔が、ピッチ１４である。
【００１７】
図２（ａ）は回折素子１１を上から見た平面図であり、図２（ｂ）は横から見た側面図である。また、図２（ｃ）は回折素子１１を図２（ａ）のＭ−Ｍ線で切った断面図であり、図２（ｄ）は図２（ａ）のＮ−Ｎ線で切った断面図である。
各図から明らかなように、各光学的機能面１２は、ＸＹ面と平行であり、Ｚ方向に所定の距離ｈを隔てて配置されている。平面視すると、各光学的機能面１２は、均一な幅ｄを有し、長手方向に沿って延びる両側の側辺が同一の曲率半径の円弧である帯形状を有している。
【００１８】
さらに、図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して、光学的機能面１２および非機能面１３の形状と配置について詳述する。図３（ａ）は、図２（ａ）と同様に回折素子１１を上から見た平面図である。
【００１９】
図３（ａ）には、帯状の各光学的機能面１２の円弧状の側辺が８本と、それぞれの円弧の中心が示されている。例えば、最も右側（Ｘ＋側）の円弧の中心はＣＴで、円弧の曲率半径はＲである。また、右から２番目の円弧の曲率半径は同様にＲであり、その中心は、最も右側の円弧の中心であるＣＴを、直線Ｌの上を距離ｄだけ左側（Ｘ−側）に移動させた点である。他の円弧も同様に全て曲率半径はＲであり、それぞれの中心は直線Ｌ上に配置されており、隣同士の円弧の中心は距離ｄだけ離れて並んでいる。尚、この例では、直線ＬはＸ軸と平行な直線である。
【００２０】
また、図３（ｂ）に示すように、複数配置された非機能面１３のそれぞれの形状は、半径がＲの円筒面の一部であるが、各円筒面の中心軸Ｓは、光学的機能面１２と垂直（Ｚ軸と平行）で、互いに距離ｄだけ離れて直線Ｌ上に配置されている。すなわち、各円筒面の中心軸Ｓは、図３（ａ）で説明した各円弧の中心を通る軸である。尚、非機能面１３が円筒面の一部ではなく、円錐面の一部あるいはトロイダル面の一部である場合にも、各面の中心軸は光学的機能面１２に垂直で、互いに距離ｄだけ離れて直線Ｌ上に配置される。
かかる形態の回折素子１１の光学特性は、下記の数式１で定義される。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
ここで、Ｄは格子定数であり、光学的機能面１２どうしの間隔であり、本実施形態の回折素子１１において、具体的には図１に示すピッチ１４（隣接する光学的機能面１２の対応する頂角どうしの間隔）である。θは図１に示すブレーズ角度１５であり、λは光の波長、ｍは（０、１、２、・・正の整数）である。
良好な回折特性を得るためには、回折素子の格子のピッチ１４およびブレーズ角度１５が高い精度で実現されなくてはならない。
【００２３】
本実施形態の回折素子は、上述のように光学的機能面の各々は、幅が同一で、長手方向に沿って延びる両側の側辺が同一の曲率半径の円弧である帯形状を有し、各帯形状の各側辺の円弧の中心は、一直線上に配置される形態を有している。また、接続面の各々は、その中心軸が一直線上に配置された円筒面、円錐面、もしくはトロイダル面である。かかる本実施形態の回折素子は、製造に要する時間を短縮できる形状であるため、製造中に環境等の変動の影響を受けにくく、極めて高い形状精度で製造することが可能である。特に光学的機能面の平坦性を高くすることができ、回折特性の優れた回折素子を提供できる。
【００２４】
次に、本実施形態の回折素子の製造方法について説明する。
図４（ａ）に示すのは、回折格子が形成される前の回折素子１１の母材１０の外観斜視図である。母材１０には傾斜面１８が形成されており、この面に格子溝が切削加工により形成される。底面に対して傾斜面がなす傾斜角度１９は、回折素子のブレーズ角度１５と等しくしておくのが望ましい。切削量が少なく済み、切削加工に要する時間を短縮できるからである。
【００２５】
母材１０の材料には、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、沃臭化タリウム（ＫＲＳ−５）、銅（Ｃｕ）、またはリン化ニッケル（ＮｉＰ）が用いられる。回折素子が、透過型イマージョン回折素子、内面反射型イマージョン回折素子、外面反射型回折素子のいずれであるか、取り扱う光の波長域、入射面の有効径サイズ等により、母材１０の材料は適宜選択される。
【００２６】
図４（ｂ）は、切削工具を用いて格子溝を形成し、本実施形態の回折素子１１を作成する方法を表した模式図である。図中、２１はダイヤモンド工具で、底面２４と先端面２５を有する。２２はダイヤモンド工具２１を保持して回転軸２３を中心に回転可能な回転式工具ホルダである。ダイヤモンド工具２１の底面２４の外形は、光学的機能面１２を形成するための稜線となり、先端面２５の外形は非機能面１３（接続面）を形成するための稜線となる。
【００２７】
母材１０の底面およびダイヤモンド工具２１の底面２４は、ＸＹ平面と平行に配置され、ダイヤモンド工具２１の底面２４と回転軸２３は直交する。回転軸２３からダイヤモンド工具２１の先端までの距離、すなわち工具先端の旋回半径はＲであり、これは図３（ａ）で示した光学的機能面１２の円弧状の側辺の半径Ｒと等しい。
回転式工具ホルダ２２の回転軸２３は、Ｚ軸と平行（すなわちＸＹ平面と垂直）に配置されている。これは、光学的機能面１２と垂直方向であり、図３（ｂ）で示した非機能面１３の中心軸Ｓと同一の方向である。
【００２８】
ダイヤモンド工具２１を保持した回転式工具ホルダ２２を不図示のスピンドル回転軸に取り付けて回転させ、ダイヤモンド工具２１の旋回軌道と母材の相対位置を徐々に変化させながら母材１０を切削加工してゆく。図中、実線で示す３１の矢印は、ダイヤモンド工具２１が回転軸を中心に旋回しながら母材１０を切削加工している時の旋回軌道の移動経路を示している。切削加工中の旋回軌道の移動経路を、加工軌道３１と呼ぶ。また、点線で示す３２の矢印は、ダイヤモンド工具２１が母材１０から離間して次の段の加工の開始位置に移動する時の移動経路を示している。次の切削加工の開始位置に移動する経路を、次段移動軌道３２と呼ぶ。ダイヤモンド工具２１を加工軌道３１と次段移動軌道３２に沿って交互に移動させ、階段状に交互に配置された光学的機能面１２と非機能面１３を順次に形成してゆく。
【００２９】
図５（ａ）〜図５（ｃ）、および図６（ｅ）〜図６（ｆ）を参照して、切削加工の手順をさらに詳しく説明する。
図５（ａ）は、母材１０の傾斜面に、最下段の格子溝を切削加工により形成する工程を示し、ダイヤモンド工具２１を回転軸を中心に旋回させながら加工軌道である実線矢印２６に沿って移動させて切削加工する様子を模式的に示している。この例では、加工軌道は、Ｘマイナス方向とＺマイナス方向の合成ベクトルの方向（第一方向）としている。光学的機能面１２はダイヤモンド工具２１の底面２４による切削で形成され、非機能面１３（接続面）はダイヤモンド工具２１の先端面２５による切削で形成される。図５（ａ）では不図示の工具の回転軸２３が、図３（ａ）のＣＴを通る位置、すなわち図３（ｂ）の最下段の非機能面１３の中心軸Ｓの位置まで移動したら、最下段の格子溝の切削を終了する。
【００３０】
次に、図５（ｂ）に示すように、次段移動軌道である実線２７に沿って、次の段の切削加工の開始位置までダイヤモンド工具２１を所定距離だけ移動させる。この例では、次段移動軌道はＸプラス方向とＺプラス方向の合成ベクトルの方向（第二方向）とし、すでに切削した光学的機能面１２および非機能面１３（接続面）とダイヤモンド工具２１とが接触しないようにしている。
【００３１】
次に、図５（ｃ）に示すように、ダイヤモンド工具２１を回転軸を中心に旋回させながら加工軌道である実線矢印に沿って移動させ、下から２段目の格子溝を切削加工により形成する。切削完了時に、下から２段目の光学的機能面の短手方向の幅がｄで、最下段の光学的機能面とＺ方向に距離ｈだけ隔てられるように、ダイヤモンド工具２１の加工軌道は制御される。図５（ｃ）では不図示の工具の回転軸２３が、図３（ａ）の右から２番目の円弧の中心を通る位置、すなわち図３（ｂ）の下から２段目の非機能面１３の中心軸Ｓの位置まで移動したら、この段の格子溝の切削を終了する。
【００３２】
次に、図６（ｄ）に示すように、次段移動軌道である実線に沿って、次の段の切削加工の開始位置にダイヤモンド工具２１を移動させる。
次に、図６（ｅ）に示すように、ダイヤモンド工具２１を回転軸を中心に旋回させながら加工軌道である実線矢印に沿って移動させ、下から３段目の格子溝を切削加工により形成する。下から２段目の切削と同様に、切削完了時に、光学的機能面の幅が一定のｄで、下段の光学的機能面とＺ方向に距離ｈだけ隔てられるように、ダイヤモンド工具２１の加工軌道は制御される。
【００３３】
以下同様に、加工軌道に沿って移動する第一工程と、次段移動軌道に沿って移動する第二工程を繰り返して、格子溝を形成してゆく。その際に、各段の格子溝の形成時（切削完了時）における工具の回転軸２３の位置は、直線Ｌ上で距離ｄを隔てた位置であり、図３（ａ）に示す各円弧の中心位置と等しい。
【００３４】
以上説明した例では、最下段の格子溝から母材１０の傾斜面に沿って上に向かって順に格子溝を形成したが、本実施形態の回折素子１１の製造方法はこれに限られない。図７（ａ）〜図７（ｃ）、および図８（ｅ）〜図８（ｆ）を参照して、最上段の格子溝から母材１０の傾斜面に沿って下に向かって順に格子溝を形成する製造方法を説明する。
【００３５】
図７（ａ）は、母材１０の傾斜面に、最上段の格子溝を切削加工により形成する工程を示し、ダイヤモンド工具２１を回転軸を中心に旋回させながら加工軌道である実線矢印２６に沿って移動させて切削加工する様子を模式的に示している。この例では、加工軌道は、Ｘマイナス方向とＺマイナス方向の合成ベクトルの方向としている。光学的機能面１２はダイヤモンド工具２１の底面２４による切削で形成され、非機能面１３（接続面）はダイヤモンド工具２１の先端面２５による切削で形成される。図７（ａ）では不図示の工具の回転軸２３が、図３（ａ）の最も左側の円弧中心を通る位置、すなわち図３（ｂ）の最上段の非機能面１３の中心軸Ｓの位置まで移動したら、最上段の格子溝の切削を終了する。
【００３６】
次に、図７（ｂ）に示すように、次段移動軌道である実線２７に沿って、次の段の切削加工の開始位置までダイヤモンド工具２１を所定距離だけ移動させる。この例では、次段移動軌道はＸプラス方向とＺプラス方向の合成ベクトルの方向とし、すでに切削した光学的機能面１２および非機能面１３（接続面）とダイヤモンド工具２１とが接触しないようにしている。
【００３７】
次に、図７（ｃ）に示すように、ダイヤモンド工具２１を回転軸を中心に旋回させながら加工軌道である実線矢印に沿って移動させ、上から２段目の格子溝を切削加工により形成する。切削完了時に、最上段の光学的機能面の幅がｄで、最上段と２段目の光学的機能面がＺ方向に距離ｈだけ隔てられるように、ダイヤモンド工具２１の加工軌道は制御される。工具の回転軸２３が、図３（ａ）の左から２番目の円弧の中心を通る位置、すなわち図３（ｂ）の上から２段目の非機能面１３の中心軸Ｓの位置まで移動したら、この段の格子溝の切削を終了する。
【００３８】
次に、図８（ｄ）に示すように、次段移動軌道である実線に沿って、次の段の切削加工の開始位置にダイヤモンド工具２１を移動させる。
次に、図８（ｅ）に示すように、ダイヤモンド工具２１を回転軸を中心に旋回させながら加工軌道である実線矢印に沿って移動させ、上から３段目の格子溝を切削加工により形成する。上から２段目の切削と同様に、切削完了時に、光学的機能面の幅がｄで、上段の光学的機能面とＺ方向に距離ｈだけ隔てられるように、ダイヤモンド工具２１の加工軌道は制御される。
【００３９】
以下同様に、加工軌道と次段移動軌道を繰り返して、格子溝を形成してゆく。その際に、各段の格子溝の形成時における工具の回転軸２３の位置は、図３（ａ）の直線Ｌ上で距離ｄを隔てた位置であり、各光学的機能面の側辺の円弧の中心位置と等しい。
【００４０】
尚、上記の２例では、加工軌道と次段移動軌道のいずれもＸ方向成分とＺ方向成分を合成した軌道を採用したが、Ｘ方向成分のみ、あるいはＺ方向成分のみの軌道を採用してもよい。
また、加工軌道や次段移動軌道に沿ってダイヤモンド工具２１と母材１０の相対位置関係を変更するには、母材を固定してスピンドルを移動させてもよいし、母材を移動させてスピンドルを固定してもよいし、母材とスピンドルの両方を移動させてもよい。
【００４１】
ダイヤモンド工具２１の先端面２５の角度や真直度により、非機能面１３（接続面）の形状を変更可能である。例えば、先端面２５の加工稜線と回転軸２３が平行であれば、非機能面１３（接続面）は円筒面に形成される。また、先端面２５の加工稜線と回転軸２３が平行でなく角度が付けば、非機能面１３（接続面）は円錐面に形成される。また、先端面２５の加工稜線が円弧状に湾曲していれば、非機能面１３（接続面）はトロイダル面に形成される。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態の回折素子に関しては、旋回半径Ｒの切削工具の回転軸２３を直線Ｌ上にて移動させながら、長手方向に沿って延びる両側の側辺が曲率半径Ｒの円弧である帯形状の光学的機能面を形成することが可能である。光学的機能面の円弧形状と同一の旋回半径で切削工具を旋回させながら母材を切削してゆくため、一旋回あたりの切削面積を大きくすることができ、高能率に切削加工を進めることが可能である。本実施形態では、１つの格子溝（一対の光学的機能面および接続面）を形成するために母材を切削しながら切削工具の回転軸を移動させる距離は、本実施形態では実質的に光学的機能面の短手方向の長さである幅ｄと等しい。このため、回折溝を形成するための切削に要する時間を短縮することができ、加工中の環境変化や工具の状態変化の影響を受けにくい。また、切削工具の旋回軌道と光学的機能面の円弧形状とがマッチするために切削痕が残りにくい。
このため、光学的機能面の平坦性が高く、高い解像度の回折素子を提供でき、微弱な光に対しても十分な分光性能を実現することができる。
【００４３】
これに対して、例えば図９（ａ）に外観を示す従来の回折素子２１１、すなわち直線状の光学的機能面２３２と直線状の非機能面２３３の繰り返しにより構成された回折素子の場合には、格子溝を形成するための切削加工に長時間を要していた。
【００４４】
図９（ｂ）に示すように、本実施形態と同様のダイヤモンド工具２１を回転式工具ホルダ２２に保持させ、回転軸２３を中心に旋回させながら光学的機能面２３２と非機能面２３３を形成してゆく。この回折素子では光学的機能面２３２と非機能面２３３が直線的な形状であるため、実線で示す矢印の加工軌道と、点線で示す次断移動軌道に沿ってダイヤモンド工具２１を移動させて切削加工を行う。加工軌道においては、ダイヤモンド工具２１をＹ方向に沿って移動させながら切削加工を行うが、切削工具の旋回軌道と光学的機能面の直線形状とのミスマッチにより切削痕が残りやすい上、格子溝を形成するための加工時間が長くなってしまう。このため、加工中の環境変化や工具の状態変化の影響を受けやすく、特に光学的機能面の平坦性を高くすることが困難で、高い解像度の回折素子を実現するのは容易でなかった。
【００４５】
光学的機能面の平坦性が高い本実施形態の高解像な回折素子と受光素子を組み合わせれば、例えば、天文学、生物学、医学等の分野において使用され得る赤外線分光分析装置を、従来よりも高性能にすることができる。
【実施例】
【００４６】
以下に、本発明の具体的な実施例と、比較例を示す。
（実施例１）
実施例１として、赤外線分光用で透過を利用した単結晶Ｇｅのイマージョングリズム回折素子について説明する。表１に回折素子の仕様を示す各パラメータ値を、表２に本回折素子を製造するための加工条件を示す。表２に示すように、ダイヤモンド工具の非機能面（接続面）の加工稜線形状は直線であり、スピンドル回転軸となす角度は０°（平行）なので、非機能面の形状は円筒面になる。なお、本実施例の回折素子は、図１と同じであり、加工方法は図４（ｂ）と同じである。
【００４７】
【表１】
2020112601.tif 000004
【００４８】
【表２】
2020112601.tif 000005
【００４９】
全回折溝を加工するのに要する時間が２３．５時間になり、温度や気圧などの環境変化の影響による加工機の加工精度誤差を最小限に抑えることができ、光学的機能面の面粗さを０．５２ｎｍＲｍｓに抑制でき、回折波面精度１２５ｎｍＰＶが得られた。本素子を搭載した赤外分光分析装置では、Ｇｅが透過する波長領域（３〜１１μｍ）において、非常に微弱な赤外光でも分光を行うことができ、高分解能な分光分析が可能である。
【００５０】
（比較例１）
比較例１として、本発明を適用しない従来の直線型の単結晶Ｇｅのイマージョングリズム回折素子について説明する。図９（ａ）に示した直線型の回折素子を、図９（ｂ）に示した加工方法により製造した。
各パラメータは、実施例１の表１、表２と同じであり、実施例１と異なる点は工具軌跡であり、ひと溝を加工するのに工具を回転させながら、回折溝の長手方向に沿って直線状に走査する点である。
【００５１】
全回折溝を加工するのに要する時間が２４０時間になり、温度や気圧などの環境変化の影響による加工機の誤差の影響により、光学的機能面の面粗さが０．８０ｎｍＲｍｓと大きくなり、回折波面精度は６４０ｎｍＰＶであった。比較例１の回折素子を搭載した赤外分光分析装置は、実施例１の回折素子を搭載した装置に比べ、分解能が低かった。
【００５２】
（実施例２）
実施例２として、赤外線分光用で内面反射を利用した単結晶ＩｎＰのイマージョンエシェル回折素子について説明する。表３に回折素子の仕様を示す各パラメータ値を、表４に本回折素子を製造するための加工条件を示す。表４に示すように、ダイヤモンド工具の非機能面（接続面）の加工稜線形状は直線であり、スピンドル回転軸の角度は１０°としたので、非機能面の形状は円錐面になる。図１０に、本実施例の回折素子３１１の外観を示す。３１２は光学的機能面、３１３は非機能面（接続面）、３４２はブレーズ角、３４３は入射面の有効径である。加工方法は図４（ｂ）と同じである。
【００５３】
【表３】
2020112601.tif 000006
【００５４】
【表４】
2020112601.tif 000007
【００５５】
全回折溝を加工するのに要する時間が２１時間になり、温度や気圧などの環境変化の影響による加工機の加工精度誤差を最小限に抑えることができ、光学的機能面の面粗さを抑制でき、回折波面精度１０５ｎｍＰＶが得られた。本素子を搭載した赤外分光分析装置では、ＩｎＰが透過する波長領域（１．５〜８μｍ）において、非常に微弱な赤外光でも分光を行うことができ、高分解能な分光分析が可能である。
【００５６】
（比較例２）
比較例２として、本発明を適用しない従来の直線型の単結晶ＩｎＰのイマージョンエシェル回折素子について説明する。直線型の回折素子を、図９（ｂ）に示した加工方法により製造した。
各パラメータは、実施例２の表３、表４と同じであり、実施例２と異なる点は工具軌跡であり、ひと溝を加工するのに工具を回転させながら、回折溝の長手方向に沿って直線状に走査する点である。
【００５７】
全回折溝を加工するのに要する時間が２１５時間になり、温度や気圧などの環境変化の影響による加工機の誤差の影響により、光学的機能面の面粗さが大きくなり、回折波面精度は５１０ｎｍＰＶであった。比較例２の回折素子を搭載した赤外分光分析装置は、実施例２の回折素子を搭載した装置に比べ、分解能が低かった。
【００５８】
（実施例３）
実施例３として、赤外線分光用で外面反射を利用した反射型エシェル回折素子について説明する。表５に回折素子の仕様を示す各パラメータ値を、表６に本回折素子を加工するための条件を示す。表６に示すように、ダイヤモンド工具の非機能面（接続面）の加工稜線形状は円弧状に湾曲しているので、非機能面の形状はトロイダル面になる。なお、本実施例の回折素子を図１１に示す。４１２は光学的機能面、４１３は非機能面（接続面）、４４２はブレーズ角、４４３は入射面の有効径である。外部から入射する光を光学的機能面の外面で反射する反射型の回折素子は、基材が光を透過する必要がないので、基材の材料選択の幅が広い。本実施例では、温度変化による影響が小さい低熱膨張材であるインバー材にＣｕメッキ施し、Ｃｕのメッキ層を切削加工した。加工方法は図４（ｂ）と同じである。
【００５９】
【表５】
2020112601.tif 000008
【００６０】
【表６】
2020112601.tif 000009
【００６１】
全回折溝を加工するのに要する時間が１９時間になり、温度や気圧などの環境変化の影響による加工機の加工精度誤差を最小限に抑えることができ、回折波面精度９２ｎｍＰＶが得られた。本素子を搭載した赤外分光分析装置では、非常に微弱な赤外光でも分光を行うことができ、高分解能な分光分析が可能である。
【００６２】
（比較例３）
比較例３として、本発明を適用しない従来の直線型の反射型エシェル回折素子について説明する。直線型の回折素子を、図９（ｂ）に示した加工方法により製造した。
各パラメータは実施例３の表５、表６と同じであり、実施例３と異なる点は工具軌跡であり、ひと溝を加工するのに工具を回転させながら、回折溝の長手方向に沿って直線状に走査する点である。
【００６３】
全回折溝を加工するのに要する時間が１９５時間になり、温度や気圧などの環境変化の影響による加工機の誤差の影響により、光学的機能面の面粗さが大きくなり、回折波面精度は４９０ｎｍＰＶであった。比較例３の回折素子を搭載した赤外分光分析装置は、実施例３の回折素子を搭載した装置に比べ、分解能が低かった。
【００６４】
［他の実施形態］
なお、本発明は、以上説明した実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１０・・・母材／１１・・・回折素子／１２・・・光学的機能面／１３・・・非機能面／１４・・・ピッチ／１５・・・ブレーズ角度／１６・・・入射面の有効径／１８・・・傾斜面／１９・・・傾斜角度／２１・・・ダイヤモンド工具／２２・・・回転式工具ホルダ／２３・・・回転軸／２４・・・ダイヤモンド工具の底面／２５・・・ダイヤモンド工具の先端面／３１・・・加工軌道／３２・・・次段移動軌道／２１１・・・従来の回折素子／２３２・・・光学的機能面／２３３・・・非機能面／３１１・・・実施例２の回折素子／３１２・・・光学的機能面／３１３・・・非機能面／３４２・・・ブレーズ角度／３４３・・・入射面の有効径／４１２・・・光学的機能面／４１３・・・非機能面／４４２・・・ブレーズ角度／４４３・・・入射面の有効径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2020112601.tif 000020
【図１２】
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