(57)【要約】  本開示の態様は、第１の基板内に作成したマイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム（ＭＥＭＳ）干渉計と、第２の基板の上に一体化した光方向変換構造を具える一体型スペクトルユニットであって、第２の基板が第１の基板に結合されているユニットに関する。光方向変換構造は、第１の基板に対して面外方向に伝搬する入力光ビームを受光して、入力光ビームを、ＭＥＭＳ干渉計に向けて第１の基板の面内方向に方向変換する、少なくとも一のミラーを具える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体型スペクトルユニットにおいて：
第１の基板と；
前記第１の基板に結合された第２の基板と；
前記第１の基板内に作成したＭＥＭＳ干渉計であって、入力光ビームを受光し、光路に沿って当該入力光ビームを方向付けるように光学的に結合され、前記光路に沿って前記入力光ビームが経験した干渉によって生じる出力光ビームを生成するＭＥＭＳ干渉計と；
前記第２の基板上に一体化された光方向変換構造であって、前記第一の基板に対して面外方向に伝搬する前記入力光ビームを受信し、前記第１の基板に対して面内方向に前記入力光ビームを方向変換して、ＭＥＭＳ干渉計に向ける、光方向変換構造と；
を具えることを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の一体型スペクトルユニットが更に：
前記ＭＥＭＳ干渉計からの出力光ビームを受光して、前記出力光ビームからインターフェログラムを生成するように、光学的に結合された検出器を、具えることを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項３】
前記光方向変換構造が更に、前記ＭＥＭＳ干渉計から前記第１の基板に対して面内方向に伝搬する前記出力光ビームを受け取り、前記出力光ビームを前記検出器に方向変換するように光学的に結合された第２のミラーを具えることを特徴とする請求項２に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項４】
請求項３に記載の一体型スペクトルユニットにおいて、前記検出器が、前記第１の基板に対して面内方向に配向されており、前記第２のミラーから前記第１の基板に対して面外方向に伝搬する出力光ビームを受光する、ことを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項５】
請求項４に記載の一体型スペクトルユニットにおいて、前記検出器が前記第２の基板上に取り付けられていることを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の一体型スペクトルユニットにおいて：
前記第２の基板が、ＭＥＭＳ干渉計を具える前記第１の基板の上に延在して、前記ＭＥＭＳ干渉計を密封することを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項７】
請求項６に記載の一体型スペクトルユニットにおいて：
前記検出器が、前記キャッピング層の外側面上に取り付けられており、前記第２のミラーが、前記キャッピング層を通る出力光ビームを、前記検出器に向けて反射するように構成されていることを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項８】
請求項６に記載の一体型スペクトルユニットにおいて：
前記検出器が、前記キャッピング層の内側面に取り付けられており；
前記キャッピング層が、前記検出器に電気的接続を提供するように構成された貫通ビアを具えることを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項９】
前記検出器が前記第１の基板上に取り付けられていることを特徴とする、請求項４に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項１０】
請求項９に記載の一体型スペクトルユニットにおいて：
前記第１の基板が、デバイス層、ハンドル層、およびデバイス層とハンドル層との間の埋め込み酸化物層を具え；
前記ＭＥＭＳ干渉計が、前記デバイス層内に作製されており；
前記検出器が、ＭＥＭＳ干渉計である第１の基板の同じ側のハンドル層上に取り付けられている；
ことを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項１１】
前記ハンドル層が、前記検出器への電気的接続を提供するように構成された貫通ビアを具えることを特徴とする、請求項１０に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項１２】
請求項４に記載の一体型スペクトルユニットが更に：
前記第１の基板と第２の基板が取り付けられている第３の基板を具え、前記検出器が当該第３の基板上に取り付けられていることを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項１３】
前記検出器が、前記第３の基板内の溝の中に位置していることを特徴とする、請求項１２に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項１４】
前記検出器が、前記第１の基板の開口内の前記第３の基板の表面上に位置していることを特徴とする、請求項１２に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項１５】
請求項１２に記載の一体型スペクトルユニットが更に：
前記第１の基板と、前記第２の基板と、前記第３の基板とを具えるパッケージを具え、前記第３の基板が、前記パッケージ内にパッケージ基板を具えることを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項１６】
請求項１５に記載の一体型スペクトルユニットにおいて：
前記パッケージが、ＭＥＭＳ干渉計の動作波長範囲内で透明である窓を具え；
前記入力光ビームが、当該窓を通って、前記第１の基板に対する面外方向に、前記光方向変換構造の第１のミラーに向かって伝播する；
ことを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項１７】
請求項１６に記載の一体型スペクトルユニットが更に：
前記光パッケージ内にあり、前記入力光ビームを放出するように構成された、光源を具えることを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項１８】
請求項１７に記載の一体型スペクトルユニットにおいて：
前記光源が前記光方向変換構造上に取り付けられており；
前記光方向変換構造が、更に、前記光源からの入力光ビームを方向変換するように光学的に結合された光学部品を具える；
ことを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項１９】
前記光源が前記第１の基板上に一体化されていることを特徴とする、請求項１７に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項２０】
前記窓が更に、前記入力光ビームを、前記光方向変換構造の前記第１のミラー上で合焦させるように光学的に結合されたレンズを具えることを特徴とする、請求項１６に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項２１】
請求項１６に記載の一体型スペクトルユニットが更に：
前記窓に取り付けられた蓋であって、前記窓を通る入力光ビームを前記光方向変換構造の第１のミラーに向ける開口を具えることを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項２２】
請求項１２に記載の一体型スペクトルユニットにおいて、前記光方向変換構造が、前記光方向変換構造を前記第３の基板上の前記ＭＥＭＳ干渉計と共に取り付けるのを容易にするスペーサまたはパッドを具えることを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項２３】
前記第１のミラーと前記第２のミラーの少なくとも一方が曲面を具えることを特徴とする、請求項３に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項２４】
前記検出器が、前記第１の基板に対して面外方向に配向され、前記ＭＥＭＳ干渉計から前記第１の基板に対して面内方向に伝搬する前記出力光ビームを受け取るように光学的に結合されていることを特徴とする、請求項２に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項２５】
前記光方向変換構造が更に、前記出力光ビームを受光し、前記検出器の前に前記出力光ビームを被試験試料に向けるように光学的に結合された第２のミラーを具える、ことを特徴とする請求項２に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項２６】
前記第１のミラーが、入れ子式で光学的に結合された第１の入力ミラーと第２の入力ミラーとを具えることを特徴とする、請求項１に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項２７】
前記第１のミラーが、前記光方向変換構造内に全反射ミラーを具えることを特徴とする、請求項１に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項２８】
請求項１に記載の一体型スペクトルユニットにおいて：
前記ＭＥＭＳ干渉計が一又はそれ以上溝を具え；
前記光方向変換構造が、各々が一又はそれ以上溝のうちの対応する溝に適合する一又はそれ以上の突起を具える；
ことを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項２９】
前記一又はそれ以上の突起のうちの少なくとも１つが、前記入力光ビームを前記ＭＥＭＳ干渉計にまたは前記ＭＥＭＳ干渉計からの前記出力光ビームに向ける導波路を具えることを特徴とする、請求項２８に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項３０】
前記光方向変換構造を具える前記第２の基板が精密成形部品を具えることを特徴とする、請求項１に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項３１】
前記精密成形部品がプラスチック成形部品またはガラス成形部品を具えることを特徴とする、請求項３０に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項３２】
前記光方向変換構造が更に、前記入力光ビームが前記第１のミラーに向かって通過する開口を具えることを特徴とする、請求項１に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項３３】
請求項１に記載の一体型スペクトルユニットが更に：
前記光方向変換構造の上に延在するキャッピング層と；
前記第２の基板と前記キャッピング層が前記第１の基板に接合されており；
前記入力光ビームが、第１のミラーに向けて前記キャッピング層と前記光方向変換構造を通過する；
ことを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項３４】
前記ＭＥＭＳ干渉計がマイケルソン干渉計またはカスケード型ファブリー・ペロー干渉計を具えることを特徴とする、請求項１に記載の一体型スペクトルユニット。
【請求項３５】
請求項３４に記載の一体型スペクトルユニットにおいて：
前記ＭＥＭＳ干渉計が、少なくとも１つのアクチュエータに結合された少なくとも１つの可動ミラーを具え、当該アクチュエータが前記少なくとも１つの可動ミラーを変位させて、前記ＭＥＭＳ干渉計内の光路を変えるように構成されており；
前記第１の基板が、更に、前記少なくとも１つのアクチュエータへの電気的接続を提供するように構成された少なくとも１つの貫通ビアを具える；
ことを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【請求項３６】
請求項１に記載の一体型スペクトルユニッにおいて：
前記ＭＥＭＳ干渉計が、並列に接続された複数の干渉計を具え；
前記第１のミラーが、各々が前記複数の干渉計のうちの対応する干渉計に、前記入力光ビームを向けなおすように光学的に接続されている：
ことを特徴とする一体型スペクトルユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権の主張］
本出願は、２０１６年６月１５日に米国特許商標庁に出願された暫定出願第６２／３５０，４８６号に対する優先権およびその利益を主張する。その全内容は、以下に全体が適用可能なすべての目的で完全に記載されているかのように、参照により本明細書に組み入れられている。
【０００２】
以下に説明する技術は、干渉測定とスペクトル分析用の集積干渉型デバイスに関するものであり、特に、集積微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの干渉型デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
小型干渉計および集積型検出器を具える小型光センサは、分光法およびコヒーレンス撮像を含む多くの用途に利用されている。例えば、小型光学センサーは、ガス、拡散反射分光測定、および生物医学的撮像を含む流体分光センシング用途に使用することができる。このような小型の光学センサは、携帯機器に実装されることが多く、限られた環境で見られる。
【０００４】
３４０−７８０ｎｍの波長範囲で動作する従来の小型分光計は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサチップと、凸レンズと反射型回折格子を有するガラス配線板とを利用している。強エッチング技術を用いてＣＭＯＳ画像センサチップ上に入射スリットを形成し、ナノインプリント技術を用いて反射回折格子を形成する。光はスリットに導かれ、格子で回折する。分離された波長はＣＭＯＳ画像センサーに当たる。センサ内の各画素は特定の波長の光を受け取る。しかしながら、この分光計を赤外線（ＩＲ）に拡張すると、センサアレイを組み込む必要があるために、法外な費用がかかることがある。
【０００５】
近赤外線（ＮＩＲ）で作動するもう一つの従来の小型分光計は、波長可変フィルタとして機能するＭＥＭＳファブリ−ペロー干渉計を具える。フィルタの後には、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）ＰＩＮフォトダイオードと配線基板がある。干渉計内のエアギャップは透過率応答を制御し、所定の波長を通過させる。この分光計では、単一のＩＲ検出器が使用されるが、波長可変フィルタの自由スペクトル範囲およびフィルタミラーの多層構造によって制限されているため、波長範囲は１５５０−１８５０ｎｍである。この分光計では、波長範囲とスペクトル分解能との間の矛盾も問題である。
【０００６】
マイケルソン構造とフーリエ変換の概念に基づく強エッチングされた自己整合分光計 も開発されている。ＭＥＭＳ分光計の構造は、バランシングインターフェースを使用して垂直性および分散の問題を補償している。ＭＥＭＳチップは、例えば、シリコンの深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用して製造することができ、すべての機械的、光学的および電気的構造をすべて単一のリソグラフィステップで画定することができ、自己整合分光計が得られる。全構造体をシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハ のデバイス層にエッチングすることができ、デバイス層とハンドル層との間に埋め込んだ酸化物層を用いてハンドル層に固定した固定構造体を有する。このようなＭＥＭＳ干渉計は十分に用途が広く、スペクトル範囲が非常に広いＩＲで機能する。更に、検出器は、ＭＥＭＳチップ上に統合することもできる。マイケルソン干渉計を、直列接続した低フィネスのファブリ−ペロー干渉計で置き換えても、よりコンパクトな分光計アーキテクチャを達成することができる。
【０００７】
ＭＥＭＳアーキテクチャに基づいて、オンチップに集積した光検出器を有するが、入力光がマルチモード光ファイバを使用して送達される、小型の分光計も開発されている。この光検出器は、ＭＥＭＳ干渉計のデバイス層の上に取り付けることができる。しかしながら、片持ちスタイルの検出器の集積は信頼性の問題を引き起こすことがある。更に、ＭＥＭＳ干渉計のデバイス層内の検出器と他の電気素子との間の電気的絶縁は困難である。
【０００８】
その他の小型化努力も報告されている。例えば、光検出器は、ＭＥＭＳベースのＩＲ検出器として実装することができ、この場合、ＩＲ吸収剤層に入射する光が温度上昇を引き起こし、容量変化によって検知することができる垂直方向の変位が生じる。更に、電子デバイス、光検出器、光源、および可動デバイスがすべて組付けられているシリコンの薄層を含む集積ダイレベル光干渉計システムも開発されている。小型化努力が小型光センサの能力を急速に進歩させ続けている一方で、更なる強化により、コストを削減し、動作波長範囲を拡大し、このようなコンパクトな光センサをハンドヘルド装置に集積できることが望まれている。
【発明の概要】
【０００９】
本開示の一又はそれ以上の態様の簡単な概要を提示して、このような態様の基本的な理解を提供する。この概要は、本開示の考えられるすべての特徴の広範な概要ではなく、本開示のすべての態様の重要な要素または重要な要素を特定することも、本開示の任意のまたはすべての態様の範囲を描写することも意図していない。唯一の目的は、後述する詳細な説明の前置きとして、本開示の一又はそれ以上の態様のいくつかの概念を簡略化して提示することである。
【００１０】
本開示の様々な態様は、第１基板内に取り付けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）干渉計と、第２基板上に一体化させた光方向変換構造とを具える一体型スペクトルユニットを提供するものであり、第２基板は第１基板に接続されている。光方向変換構造は、第１基板に対して面外方向に伝搬する入力光ビームを受け取り、この入力光ビームをＭＥＭＳ干渉計に向けて第１基板に対して面内方向に方向変換させる、少なくとも１つのミラーを具える。ＭＥＭＳ干渉計は、受信した入力光ビームを光路に沿って導き、この光路に沿って入力光ビームが受ける干渉から出力光ビームを生成するように構成されている。
【００１１】
これらのおよびその他の本発明の態様は、以下の詳細な説明を精査することによってより完全に理解されるであろう。本発明の他の態様、特徴、および実施形態は、添付の図面と併せて本発明の特定の例示的な実施形態の以下の説明を検討すると、当業者には明らかになるであろう。本発明の特徴は、以下の特定の実施形態および図面に関して論じているが、本発明のすべての実施形態は、本明細書で論じている一又はそれ以上の有利な特徴を具えている。言い換えれば、一又はそれ以上の実施形態は特定の有利な特徴を有するものとして説明されている、このような特徴のうちの一又はそれ以上は、本明細書で説明されている本発明の様々な実施形態に従って使用することができる。同様に、例示的な実施形態は以下に、装置、システム、または方法の実施形態として論じられており、このような例示的な実施形態は様々な装置、システム、および方法で実施できることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本開示のいくつかの態様による、半導体基板内にマイクロ光学ベンチデバイスとして製造することができるＭＥＭＳ干渉計の一例を示す図である。
【図２】図２は、本開示のいくつかの態様による、マイクロ光学ベンチデバイスとして製造することができるマイケルソン干渉計の一例を示す図である。
【図３】図３は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計および光方向変換構造を具える一体型スペクトルユニットの一例を示す図である。
【図４】図４は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計および光方向変換構造を含む一体型スペクトルユニットの別の例を示す図である。
【図５】図５は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計、検出器、および光方向変換ミラーを具える一体型スペクトルユニットの平面図である。
【図６】図６は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計および光方向変換構造を具える一体型スペクトルユニットの別の例を示す図である。
【図７】図７は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計と光方向変換構造として動作するキャッピング層とを具える一体型スペクトルユニットの更なる例を示す図である。
【図８】図８は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計と、光方向変換構造として動作するキャッピング層とを具える一体型スペクトルユニットの更なる例を示す図である。
【図９】図９は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計と、光方向変換構造として動作するキャッピング層とを具える一体型スペクトルユニットの更なる例を示す図である。
【図１０】図１０は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計と、光方向変換構造として動作するキャッピング層とを具える一体型スペクトルユニットの更なる例を示す図である。
【図１１】図１１は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計と光方向変換構造とを具える一体型スペクトルユニットの更なる例を示す図である。
【図１２】図１２は、本開示のいくつかの態様による、光方向変換構造の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計と光方向変換構造を具える一体型スペクトルユニットの更なる例を示す図である。
【図１４】図１４は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計と光方向変換構造を具える一体型スペクトルユニットの更なる例を示す図である。
【図１５】図１５は、本開示のいくつかの態様による、一体型スペクトルユニットを具えるパッケージの一例を示す図である。
【図１６】図１６は、本開示のいくつかの態様による、一体型スペクトルユニットを具えるパッケージの更なる例を示す図である。
【図１７】図１７は、本開示のいくつかの態様による、一体型スペクトルユニットを具えるパッケージの更なる例を示す図である。
【図１８】図１８は、本開示のいくつかの態様による、一体型スペクトルユニットを具えるパッケージの更なる例を示す図である。
【図１９】図１９は、本開示のいくつかの態様による、一体型スペクトルユニットを具えるパッケージの更なる例を示す図である。
【図２０】図２０は、本開示のいくつかの態様による、一体型スペクトルユニットを具えるパッケージの更なる例を示す図である。
【図２１】図２１は、本開示のいくつかの態様による、一体型スペクトルユニットを具えるパッケージの更なる例を示す図である。
【図２２】図２２は、本開示のいくつかの態様による、複数のＭＥＭＳ干渉計を具える一体型スペクトルユニットの概略図である。
【図２３】図２３は、本開示のいくつかの態様による、一体型スペクトルユニットを具えるパッケージの一例の平面図である。
【図２４】図２４は、本開示のいくつかの態様による、集積型一体型スペクトルユニットを具えるパッケージの一例を示す斜視図である。
【図２５】図２５は、本開示のいくつかの態様による、光方向変換構造の一例を示す斜視図である。
【図２６】図２６は、本開示のいくつかの態様による、光方向変換構造の別の例を示す斜視図である。
【図２７】図２７は、本開示のいくつかの態様による、ＭＥＭＳ干渉計および光方向変換構造の受動的アラインメント構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
添付の図面を参照して以下に記載する詳細な説明は、様々な構成を説明することを意図したものであり、本明細書に記載されている概念を実施し得る唯一の構成であることを意図するものではない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解を提供するための特定の詳細を含む。しかしながら、これらの概念がこれらの具体的な詳細なしでも実施し得ることは当業者には明らかであろう。いくつかの事例では、そのような概念を曖昧にすることを回避するために、よく知られている構造および構成要素がブロック図形式で示されている。
【００１４】
本開示の態様によれば、一体型スペクトルユニットは、第１の基板内にＭＥＭＳ干渉計を製造し、第２の基板上に光方向変換構造を合体させ、第１および第２の基板を連結して小型のハンドヘルド装置に組み込むことによって、より低コストでかつ拡張した波長範囲で製造することができる。光方向変換構造は、第１の基板に対して面外方向に伝搬する入力光ビームを受け取り、入力光ビームをＭＥＭＳ干渉計に向けて第１の基板に対して面内方向に方向変換する第１のミラーを具える。ＭＥＭＳ干渉計は、受光した入力光ビームを光路に沿って案内し、光路に沿って入力光ビームが受ける干渉から生じる出力光ビームを生成するように構成されている。
【００１５】
一体化されたスペクトルユニットは、更に、ＭＥＭＳ干渉計からの出力光ビームを受けて、この出力光ビームからインターフェログラムを生成する検出器を具えていてもよい。いくつかの例では、この検出器の活性領域は、第１の基板に対して面外方向に向けて、第１の基板に対して面内方向に伝搬する出力ビームを受光するようにしてもよい。
【００１６】
その他の例では、この検出器の活性領域は、第１の基板に対して面内方向に向けてもよい。この例では、光方向変換構造は、ＭＥＭＳ干渉計の出力に第２のミラーを設けて、第１の基板に対して面内方向に伝搬する出力ビームを受光し、この出力ビームを基板の面外方向に検出器に向けて方向変換するようにしてもよい。いくつかの例では、第１のミラーと第２のミラーの一方または両方が、トロイダル面などの曲面を有していてもよい。第１および第２のミラーは更に、光方向変換構造内にモノリシックに製造することができ、自己整合するようにしてもよい。いくつかの例では、第１のミラーは、入れ子式構造で光学的に結合された第１の入力ミラーと第２の入力ミラーを具えていてもよい。いくつかの例では、第１のミラーは、光方向変換構造内に全反射ミラーを具えていてもよい。
【００１７】
いくつかの例では、この検出器は光方向変換構造上で取り付ける（例えば、この構造に取り付ける）ことができる。例えば、光方向変換構造は、ＭＥＭＳ干渉計の上に延在するキャッピング層を形成して、ＭＥＭＳ干渉計を気密密封することができ、またこの検出器は、このキャッピング層の上面または下面に一体化することができる。他の例では、この検出器は第１の基板上または第３の基板上に取り付けるか、または一体化できる。検出器が第３の基板上に取り付けられているか、または一体化されている場合、第１の基板および第２の基板は第３の基板上に取り付けることができる。例えば、検出器は、第３の基板の溝内、または第１の基板の開口内の第３の基板表面に配置できる。光方向変換構造は、スペーサまたはパッドを更に具えており、第３の基板上のＭＥＭＳ干渉計とともに光方向変換構造の取り付けを容易にすることができる。
【００１８】
いくつかの例では、第３の基板がパッケージ基板であり、このパッケージが更に、ＭＥＭＳ干渉計の動作の波長範囲内で透明である窓を具えている。この例では、入力光ビームがこの窓を通って光方向変換構造の第１のミラーに向かって、第１の基板に対して面外方向に伝搬する。この窓は、例えばガラスの蓋であってもよく、光方向変換構造の第１のミラー上に入力光ビームを集束させるように光学的に連結されたガラスモールドレンズを具える。
【００１９】
このパッケージは、更に、入力光ビームを出射する光源を具えていてもよい。いくつかの例では、この光源は、光方向変換構造上に取り付けるかまたは一体化するようにしてもよく、光方向変換構造は、更に、この光源からの入力光ビームを方向変換するように光学的に連結された光学部品を具えていてもよい。他の例では、この光源は第１の基板上に取り付けるかまたは一体化するようにしてもよい。
【００２０】
いくつかの例では、ＭＥＭＳ干渉計が１つまたは複数の溝を具えており、光方向変換構造が、各々がこの１つ又は複数の溝の対応する一つに合体して、ＭＥＭＳ干渉計と光方向変換構造の一体化が、受動的アラインメント態様で行われる。いくつかの例では、一の又は複数の突起が導波路として機能して、入力光ビームをＭＥＭＳ干渉計の方向に向けることができる。
【００２１】
いくつかの例では、光方向変換構造を具える第２の基板は、プラスチック射出成形、またはガラス成形によって製造することができる精密成形部品である。この例では、第１のミラーを薄膜（例えば金属）で被覆して、反射率を向上させるようにしている。入力光ビームは、光方向変換構造を通って伝播して第１のミラーに当たるか、または光方向変換構造の開口を通って第１のミラーに向けられる。
【００２２】
ＭＥＭＳ干渉計は、マイケルソン干渉計か、またはカスケード型ファブリ−ペロー干渉計を具えていてもよい。したがって、ＭＥＭＳ干渉計は、少なくとも１つのアクチュエータに連結された少なくとも１つの可動ミラーを具えており、このアクチュエータは少なくとも１つの可動ミラーを変位させてＭＥＭＳ干渉計内の光路を変えるように構成されている。この例では、第１の基板がこの少なくとも１つのアクチュエータへ電気的接続を提供するように構成された少なくとも１つの貫通ビアを更に具えていてもよい。
【００２３】
いくつかの例では、第１の基板がシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハであり、デバイス層、ハンドル層、およびデバイス層とハンドル層との間に埋め込み酸化物層を具える。ＭＥＭＳ干渉計は、デバイス層内に製造することができる。例えば、ＭＥＭＳ干渉計は、デバイス層の強エッチングを使用して製造したマイクロ光学ベンチデバイスであってもよい。更に、いくつかの例では、検出器が、第１の基板のＭＥＭＳ干渉計と同じ側のハンドル層の上に取り付けるかまたは一体化することができる。この例では、ハンドル層が、検出器に電気的接続を提供するように構成された貫通ビアを更に具える。
【００２４】
図１は、半導体基板１１０内に深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）などの強エッチング技術を使用して、半導体基板１１０内にマイクロ光学ベンチデバイスとして製造できるＭＥＭＳ干渉計１００の一例を示している。半導体基板１１０は、例えば、デバイス層１２０、ハンドル層１４０、およびデバイス層１２０とハンドル層１４０との間に挟まれた埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層１３０を具える、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハであってもよい。ミラー１５０、１５５、ＭＥＭＳアクチュエータ１６０、及びその他の光学部品などのＭＥＭＳ干渉計の様々な部品は、単回のリソグラフィステップを使用して画定され、強異方性プロセスを使用してエッチング停止（ＢＯＸ）層１３０に達するまでデバイス層１２０内にエッチングすることができる。可動ミラー１５０やＭＥＭＳアクチュエータ１６０などの可動部品は、可動部品の下のＢＯＸ層１３０を選択的に除去することによって解放できる。
【００２５】
図２は、図１に示すように、マイクロ光学ベンチ装置として製造できるＭＥＭＳ干渉計２００の一例を示す。図２に示す例は、マイケルソン干渉計である。しかしながら、その他の実施例では、ファブリペロー干渉計や、マッハツェンダー干渉計など、その他の種類の干渉計を利用してもよい。図２では、広帯域光源２１０からの平行光ＩＳが、ビームスプリッタ２２０によって、２つのビームＩ１とＩ２に分割される。一方のビームＩ１は固定ミラー２３０で反射され、他方のビームＩ２はＭＥＭＳアクチュエータなどのアクチュエータ２５０に連結された移動ミラーで反射される。
【００２６】
一実施例では、ＭＥＭＳアクチュエータ２５０は、櫛歯ドライブとスプリングで形成された静電アクチュエータである。櫛歯ドライブに電圧を印加することで、アクチュエータ２５０に電位差が生じ、アクチュエータ２５０内に静電容量が生じ、駆動力を発生するとともに、スプリングから復元力が発生し、これによってビームＬ２を反射させる所望の位置へ可動ミラー２４０に変位が生じる。次いで、反射光ビーム間に、ミラー２４０の変位のほぼ２倍に等しい光路長差（ＯＰＤ）が生じる。その他の実施例では、ＭＥＭＳアクチュエータ２５０は、熱アクチュエータまたはその他の種類のアクチュエータを具えていてもよい。
【００２７】
反射ビームはビームスプリッタ２２０で干渉して出力光ビームＩＯを生成し、移動ミラーによって提供される異なる各光路差（ＯＰＤ）で光の時間的コヒーレンスを測定することができる。出力光ビームＩ０に対応する信号は、移動ミラーの多くの個別位置で検出器２６０によって検出、測定されて、インターフェログラムを生成することができる。いくつかの実施例では、検出器２６０は検出器アレイまたは単一の画素検出器を具えていてもよい。ＯＰＤ対インターフェログラムデータは、プロセッサ２７０に入力される。スペクトルは、例えば、プロセッサ２７０で行われるフーリエ変換を用いて、取り出すことができる。
【００２８】
プロセッサ２７０は、単一の処理装置又は複数の処理装置である。このような処理装置は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコンピュータ、中央処理装置、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プログラマブル論理装置、論理回路、アナログ回路、デジタル回路、および／または、回路および／または操作指示のハードコーディングに基づいて信号（アナログ及び／又はデジタル）を操作する任意の装置である。プロセッサ２７０は、関連するメモリおよび／またはメモリ要素を有しており、これらは単一のメモリ装置、複数のメモリ装置、および／またはプロセッサの埋め込み回路である。このようなメモリデバイスは、読み出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、スタティックメモリ、ダイナミックメモリ、フラッシュメモリ、キャッシュメモリ、および／またはデジタル情報を記憶する任意のデバイスであり得る。
【００２９】
本開示の様々な態様によれば、図１又は２に示すＭＥＭＳ干渉計２００を一体型スペクトルユニット内に含めて、ＭＥＭＳ干渉計を小型のハンドヘルド装置に組み込むコストを削減することができる。図３は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の一例を示す。ＭＥＭ干渉計３１０は、図１に示すように、ＳＯＩウェハなどの第１の基板３２０内に製造される。一体型スペクトルユニット３００は、第２の基板３４０上に一体化された光方向変換構造３３０を更に具える。第２の基板３４０は、例えば、半導体基板、あるいは精密成形部品であってもよい。例えば、第２の基板３４０は、高精度射出成形を使用して製造したプラスチック成形部品またはガラス成形部品である。
【００３０】
光方向変換構造３３０は、第１の基板３２０（例えば、ＭＥＭＳ干渉計基板）に対して面外方向に伝搬する入力光ビーム３６０を受け取るように光学的に結合された第１のミラー３５０を具える。光方向変換構造３３０は更に、第２の基板３４０内に開口３３５を具えており、入力光ビーム３６０は第２の基板３４０内に形成された第１のミラー３５０に向かってこの開口を通過する。
【００３１】
第１のミラー３３０は、更に、この入力光ビームをＭＥＭＳ干渉計３１０に向けて第一の基板３２０に対して面内方向に方向変換するように配向される。いくつかの実施例では、図３に示すように、第１のミラー３５０がトロイダル面などの湾曲面３５５を有しており、入力光ビーム３６０をＭＥＭＳ干渉計３１０に方向変換させる。その他の実施例では、第１のミラー３５０が第１の基板３２０の面に対して４５度の角度に配向された平面を有しており、入力光ビーム３６０をＭＥＭＳ干渉計３１０に向けて方向変換する。
【００３２】
ＭＥＭＳ干渉計３１０の光路に沿って入力光ビーム３６０が経験する干渉から生成された出力光ビーム３６５は、検出器３７０に入力される。検出器３７０は、出力ビーム３６５を受け取り、この出力ビーム３６５からインターフェログラムを生成するように、光学的に接続されている。図３に示す実施例では、検出器３７０は、光方向変換構造３３０上に取り付けられており、検出器３７０の活性領域が第１の基板３２０に対して面外方向に配向されるようにする。したがって、検出器３７０は、ＭＥＭＳ干渉計３１０から第１の基板３２０に対して面内方向に伝搬する出力光ビーム３６５を受け取るように光学的に接続される。
【００３３】
加えて、電気的経路３８０が光方向変換構造３３０上に更に形成され、検出器３７０に電気的接続を提供する。例えば、インターフェログラムは、出力光ビーム３６５からのエネルギーを、電気的ルート３８０を介して検出器からプロセッサへ出力する、電流又は電圧の変化といった別の形に変換することによって、検出器３７０から出力できる。いくつかの実施例では、電気経路３８０を、光方向変換構造３３０上に製造して、従来のワイヤボンディングまたはフリップチップパッケージングを利用できるようにしている。電気経路３８０は、光方向変換構造３３０の製造方法に基づいて光方向変換構造３３０上に更に製造することができる。例えば、プラスチック成形光方向変換構造３３０の場合、電気経路３８０は、射出成型回路部品（ＭＩＤｓ）の形で熱可塑性プラスチック材料のレーザ直接構造化を使用して製造することができる。このプロセスは、ドープした熱可塑性材料を使用し、電気経路３８０は、レーザ放射とそれに続く化学浴中での金属配線によって活性化される。
【００３４】
第一の基板３２０と第２の基板３４０は更に、第３の基板３９０上に取り付けることができる。いくつかの例では、第３の基板３９０はパッケージ基板であってもよく、ＭＥＭＳ干渉計３１０と、光方向変換構造３３０と、検出器３７０を単一パッケージ内に一体化することができる。
【００３５】
図４は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の例を示す図である。図４に示す実施例では、検出器３７０は、検出器３７０の活性領域面が第３の基板３９０に対して面内に向くように、第３の基板３９０上に取り付けられる。検出器３７０の背面（例えば、検出器ダイの背面）は、第１の基板３２０の背面（例えば、ＭＥＭＳダイの背面）と同じレベルにあってもよく、または図４に示すように、第１の基板３２０の背面からオフセットさせて、ＭＥＭＳ干渉計３１０から検出器３７０への結合効率を最適化するようにしてもよい。図４に示すように、検出器３７０は、第３の基板３９０内の溝３９５の中で、第３の基板３９０上に取り付けるようにしてもよい。いくつかの実施例では、この溝の深さは結合効率を最適化するように選択される。
【００３６】
光方向変換構造３３０は、更に、ＭＥＭＳ干渉計３１０から第１の基板３２０に対して面内方向に伝搬する出力光ビーム３６５を受け取り、検出器３７０に向けて第１の基板３２０に対して面外方向に出力光ビーム３６５を方向変換するように、光学的に結合された第２のミラー４５０を具える。いくつかの実施例では、図４に示すように、第２のミラー４５０は、トロイダル面などの湾曲面４５５を具えており、出力光ビーム３６５を検出器３７０に方向変換することができる。その他の実施例では、第２のミラー４５０は、第１の基板３２０の平面に対して４５度に配向されて、出力光ビーム３６５を検出器３７０の方に方向変換するように配向された、平面を有していてもよい。
【００３７】
いくつかの実施例では、第１および第２のミラー面３５５と４５５は、結合効率を向上させ、光スループットの損失を最小にするように最適化することができる。したがって、図４に示すように、第１のミラー３５０と第２のミラー４５０は、共に、好ましくはトロイダル面形状を有する湾曲面３５５と４５５をそれぞれ具える。このトロイダルプロファイルは、２つの直交する平面においてミラー３５０と４５０について異なる曲率半径を有し、ミラー表面３５５及び４５５上での光（入力光ビーム３６０と出力光ビーム３６５）の軸外入射を考慮する設計の柔軟性を提供する。
【００３８】
ＭＥＭＳ干渉計３１０と、検出器３７０ならびに光方向変換ミラー３５０および４５０の平面図を図５に示す。図に示すところでは、第１のミラー３５０の後のＭＥＭＳ干渉計３１０への入力光ビーム３６０の光軸と、第２のミラー４５０の前のＭＥＭＳ干渉計３１０からの出力光ビーム３６５の光軸は、直交している。しかしながら、ＭＥＭＳ干渉計３１０の設計によっては、鋭角またはその他の角度が存在してもよいと理解するべきである。いくつかの実施例では、ＭＥＭＳ干渉計３１０は、図５に示されており、図２を参照して説明したように、単一のマイケルソン干渉計を具えていてもよい。例えば、ＭＥＭＳ干渉計３１０は、アクチュエータ（図示せず）に結合されたビームスプリッタ２２０と、固定ミラー２３０と、移動ミラー２４０を具えていてもよい。その他の実施例では、ＭＥＭＳ干渉計３１０は、ファブリーペロー干渉計など、複数の並列または直列に接続した干渉計を具えていてもよい。
【００３９】
図６は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図６に示すように、光方向変換構造３３０と検出器３７０の両方が第１の基板（例えばＭＥＭＳダイ）上に取り付けられている。第１の基板３２０が、デバイス層６１０、ハンドル層６３０、およびデバイス層６１０とハンドル層６３０との間の埋込み酸化物（ＢＯＸ）層６２０を具えるＳＯＩ基板である実施例（図１に記載の例と同様）では、ＭＥＭＳ干渉計３１０の部品をデバイス層６１０に製造することができ、一方で、ハンドル層６３０が、ＭＥＭＳ干渉計３１０の固定部品用の支持と固定を提供している。更に、ハンドル層６２０も基板として作用し、その上に検出器３７０と光方向変換構造３３０が一体化されている。図４に示すように、光方向変換構造３３０は第１のミラー３５０と第２のミラー４５０の両方を具えており、入力／出力光ビーム３６０／３６５をＭＥＭＳ干渉計３１０および検出器３７０へ／ＭＥＭＳ干渉計３１０および検出器３７０から方向変換することができる。
【００４０】
図７は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図７に示す実施例では、光方向変換構造は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を気密封止するＭＥＭＳ干渉計３１０用のキャッピング層７００として構成されている。キャッピング層７００は、第１基板３２０のデバイス層６１０またはハンドル層６３０上に取り付けられてもよい。前者は図４に示されている。いくつかの例では、キャッピング層７００は第１の基板３２０のデバイス層６１０又はハンドル層６３０の上に取り付けることができ、前者が図７に示されている。いくつかの実施例では、キャッピング層７００はウェハ内にバッチ処理の形で製造することができ、キャッピング層７００を具える第２の基板３４０は、分離前に、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える第１の基板３２０にウェハボンディングすることができる。
【００４１】
ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える第１の基板３２０は、第３の基板３９０上に取り付けることができる。更に、検出器３７０は、第３の基板３９０上に一体化することができる。例えば、検出器３７０は、第１の基板３２０の開口内の第３の基板表面上に配置することができる。第３の基板３９０は、更に、検出器３７０および／またはＭＥＭＳの部品へ電気的接続を提供する一又はそれ以上の電極３７０を具えていてもよい。
【００４２】
一体型スペクトルユニット３００の動作スペクトル範囲と、キャッピング層７００（または光方向変換構造）の材料によっては、入力光ビームは、キャッピング層７００（または光方向変換構造）の内部を伝搬することが可能になる。例えば、動作スペクトル範囲が１７００ｎｍより小さいか、１７００ｎｍに等しい波長範囲に制限されている場合、プラスチックの伝達特性は十分であるが、吸収損失はこの波長範囲を超えて著しく増加する。したがって、波長範囲がより大きい場合（例えば、２６００ｎｍまで）、入力光ビーム３６０がキャッピング層７００（または光方向変換構造）通って伝播することが要求される場合は、キャッピング層７００（または光方向変換構造）にガラスを利用することができる。この実施例では、キャッピング層７００（または光方向変換構造）は、ガラス成形技術を使用して製造される。
【００４３】
したがって、図７に示すように、光方向変換構造に開口を設ける代わりに、入力光ビーム３６０が、キャッピング層７００を通ってキャッピング層７００の外側（外部）表面に形成した第１のミラー３５０に伝搬することができる。同様に、第２のミラー４５０を、キャッピング層７００の外側（外側）表面に形成して、出力光ビーム３６５を検出器３７０に方向変換することができる。いくつかの実施例では、第１のミラー３５０および第２のミラー４５０の表面３５５および４５５が、各々、金属フィルムコーティングなどの薄膜コーティングを具えており、ミラー３５０および４５０の反射率を向上させている。更に、ミラー表面３５５および４５５は各々、第１の基板３２０の平面に対して４５度に配向した湾曲形状または平坦形状を有していてもよく、後者は図８に示されている。
【００４４】
図８は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図８に示す例では、検出器３７０は、第１基板３２０のＭＥＭＳ干渉計３１０が設けられている同じ側の第１基板３２０のハンドル層６３０上に取り付けられている。第１基板３２０のハンドル層６３０は、貫通ビア８００を更に具えており、このビアは第１基板３２０の後側に位置する検出器３７０と電極８１０の間に電気的接続を提供するように構成されている。更に、キャッピング層７００は開口３３５を具え、キャッピング層７００を通って伝搬することなく、入射光ビーム３６０を第１のミラー３５０に直接提供している。
【００４５】
図９は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図９に示す例では、検出器３７０はキャッピング層７００の上に取り付けられている。具体的には、検出器３７０は、キャッピング層７００の外側（上面）表面９００の上に取り付けられている。したがって、第２のミラー４５０は、出力光ビーム３６５の方向を変えて、キャッピング層７００を通って検出器３７０へ伝搬するように配向されている。キャッピング層７００は更に、入力光ビーム３６０の視準と集束を制御してキャッピング層７００を通って第１のミラー３５０に伝播させるレンズ９１０を具えていてもよい。キャッピング層７００の外側面９００上に更に電極９２０を設けて、検出器３７０への電気的接続を提供することができる。したがって、検出器３７０の電気経路を、キャッピング層７００の外側面９００上に形成することができる。
【００４６】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の更なる実施例を示す図である。図１０Ａおよび図１０Ｂでは、検出器３７０が、キャッピング層７００の内側（底）面１０００の上に取り付けられている。いくつかの例では、検出器３７０を、第１の基板３２０（例えば、ＭＥＭＳウェハ）に接合する前にキャッピング層７００（たとえばキャッピングウェハ）に取り付けるようにしてもよい。
【００４７】
この例では、第２のミラー４５０は、出力光ビーム３６５をキャッピング層７００を通って伝播させることなく検出器３７０へ向け直すように配向されている。キャッピング層７００は、更に、検出器３７０への電気的接続を提供するように構成された貫通ビア１０１０を具えている。例えば、この貫通ビア１０１０は、キャッピング層７００の外側面９００上で、検出器３７０と検出器電極１０２０との間に電気的接続を提供することができる。
【００４８】
図１０Ａに示すように、一例では、キャッピング層７００が開口３３５を具えており、キャッピング層７００を通って伝播させることなく、入力光ビーム３６０を第１のミラー３５０に直接提供している。図１０Ａに示すように、ＭＥＭＳ電極１０３０（例えばパッド）は、第１の基板３２０のデバイス層６１０上に設けられており、ＭＥＭＳ電極への電気的接続を提供している。
【００４９】
別の実施例では、図１０Ｂに示すように、入力光ビーム３６０は、キャッピング層７００を通って第１のミラー３５０に伝搬する。図１０Ｂに示すように、第１の基板３２０のハンドル層６３０は、一又はそれ以上の貫通ビア １０４０を具えており、第１の基板３２０（例えば、ＭＥＭＳウェハ）の裏側で、ＭＥＭＳアクチュエータとＭＥＭＳ電極１０５０との間に電気的接続を提供している。
【００５０】
図１１は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図１１に示す例では、光方向変換構造３３０が第１の基板３２０上に取り付けられており、キャッピング構造１１００を利用して一体型スペクトルユニット３００を気密封止している。更に、図１１に示すように、検出器３７０は、図１０Ａ乃至図１０Ｃに示す構成と同様に、光方向変換構造３３０の内側面（底面）１１１０上に取り付けるようにしてもよい。したがって、入力光ビーム３６０は、キャッピング構造１１００と光方向変換構造３３０の両方を通って第１のミラー３５０に伝搬する。ＭＥＭ干渉計３１０を通過した後、出力光ビーム３６５は、第２のミラー４５０によって光方向変換構造３３０の底面１１１０上の検出器３７０へ方向変換される。
【００５１】
図１１にも示されているように、第１の基板３２０のハンドル層６３０は、一又はそれ以上の貫通ビア１０４０を具えており、第１の基板３２０（例えば、ＭＥＭＳウェハ）の後側でＭＥＭＳアクチュエータとＭＥＭＳ電極１０５０との間に電気的接続を提供する。更に、光方向変換構造３３０の周りに更に電気経路１１２０を形成して、第１の基板３２０のハンドル層６３０内の別のビア１１４０を介して、第１の基板３２０の後側の検出器電極１１３０に接続することができる。
【００５２】
図１２は、 第１（入力）ミラー３５０と第２（出力）ミラー４５０の両方を具える光方向変換構造３３０の一例を示す図である。入力光ビーム３６０は、第１ミラー３５０から反射され、ＭＥＭＳ干渉計（図示せず）に向けて方向変換するが、一方で、ＭＥＭＳからの出力光ビーム３６５は、第２のミラー４５０で反射され、検出器３７０に向けて方向変換される。この検出器は。ＭＥＭＳ基板（例えば、第１の基板）またはパッケージ基板などの基板１２００上に取り付けることができる。
【００５３】
いくつかの実施例では、高精度射出成形を使用して光方向変換構造３３０を製造することによって、ミラー３５０および４５０をモノリシックに一体化し、互いに対して自己整合させることができる。例えば、光方向変換構造３３０は、マスターモールドに射出される熱可塑性プラスチックを用いて製造することができる。マスターモールドは、例えば放電加工を使用して作成することができ、一方、高品質の光学面（例えば、ミラー３５０および４５０用のモールド）は、ダイヤモンド旋盤加工を行って、必要なプロファイルおよび表面粗さを達成することができる。
【００５４】
ミラー３５０および４５０の反射率を改善するために、ミラー表面の薄膜コーティングを、例えば、スパッタリング、蒸着、または任意の薄膜堆積プロセスを用いて行うことができる。いくつかの例では、金属薄膜を利用して非常に広いスペクトル範囲を提供している。しかしながら、薄膜コーティングプロセスは、低コストのプラスチック射出成形装置に比べて費用がかかる。したがって、いくつかの例では、図１３Ａに示すように、多重コーティングプロセスを回避するために、ミラー３５０および４５０を別々に射出成形し、光方向変換構造３３０を形成するキャリアブロック１３００内に取り付けるようにしている。次いで、キャリアブロック１３００、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具えるＭＥＭＳダイ（例えば第１の基板）３２０、および検出器３７０を、全て、第３の基板（例えばパッケージ基板）３９０上に取り付けることができる。いくつかの例では、キャリアブロック１３００が開口３３５を具えており、特にキャリアブロック材料が不透明の場合に、入力光ビーム３６０が第１のミラー３５０に直接伝播することができる。ＭＥＭＳ干渉計３１０は、更に、キャッピング構造１３１０を具えており、ＭＥＭＳ干渉計３１０を気密封止することができる。
【００５５】
別の実施例では、図１３Ｂに示すように、ミラー３５０および４５０を別々に射出成形する代わりに、ワンピース型光方向変換構造３３０のミラー３５０および４５０を、ミラー面３５５と４５５が同じ方向を向くように設計するようにしてもよい。このようにして、単一の蒸着プロセスを利用してミラー３５０と４５０をすべて同時にコーティングすることができる。図１３Ｂに示す例では、ミラー３５０と４５０はそれぞれ下側に湾曲しており、ミラー面３５５と４５５は第３の基板３９０に向けられている。いくつかの例では、第３の基板３９０は開口１３２０を具えており、第３の基板３９０を通る入力光ビーム３６０が、一体型スペクトルユニット３００の裏側から基板３９０を通って透過できる。
【００５６】
図１４は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図１４に示す例では、光方向変換構造３３０の第１のミラー３５０および第２のミラー４５０は、内部反射ミラーである。図１４に示すように、内部反射ミラー３５０および４５０は各々、プリズムに似た平面ミラー、または曲面ミラーであり、ＭＥＭＳ干渉計３１０へ及び検出器３７０へのカップリング効率を改善している。更に、光方向変換構造３３０は更に、導波路１４００および１４１０を具えており、ＭＥＭＳ干渉計３１０へ送達し／ＭＥＭＳ干渉計３１０から送達される間、入力／出力光ビーム３６０および３６５を閉じ込めることができる。検出器３７０と、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える第１の基板３２０は、両方とも第３の基板３９０上に取り付けることができ、光方向変換構造３３０を具える第２の基板３４０は、第１の基板３２０上に取り付けることができる。干渉計３１０は更にキャッピング構造１３１０を具えており、ＭＥＭＳ干渉計３１０を気密封止することができる。
【００５７】
図１５は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の他の例を示す。図１５に示す例では、一体型スペクトルユニット３００は、パッケージ基板３９０を具えるパッケージ１５００に組み込まれている。第１の基板３２０（例えば、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具えるＭＥＭＳダイ）、第２の基板３４０（例えば、ミラー３５０および４５０を有する光方向変換構造３３０を具える光方向変換ダイ）、及び検出器３７０（例えば検出器ダイ）は、パッケージ１５００に一体化することができ、例えば、ダイ間の熱膨張率のミスマッチを吸収するエポキシ樹脂を用いてパッケージ基板３９０上に取り付けることができる。ＭＥＭＳ干渉計３１０はキャッピング構造１３１０を更に具えており、ＭＥＭＳ干渉計３１０を気密封止することができる。
【００５８】
パッケージ１５００は更に、パッケージ１５００を閉じる又は密封するように構成された窓（または蓋）１５１０を具えていてもよい。窓１５１０は、一体型スペクトルユニット３００の動作の波長範囲で透明である（例えば、窓１５１０は、入力光ビーム３６０に対して透明である）。いくつかの例では、反射防止コーティング層を窓１５１０に塗布して、窓１５１０の透過応答を向上させている。窓１５１０内に光学レンズ１５２０を更に設ける、あるいはモノシリックな態様で窓１５１０と一体的に製造することができる。例えば、窓１５１０とレンズ１５２０は、ガラス成形技術を使用してモノリシックに製造することができる。窓１５１０とレンズ１５２０を一緒に取り付ける場合、窓１５１０はプラスチック成形技術を使用して開口部と共に製造することができ、レンズ１５２０はエポキシを用いて開口内に取り付けることができる。その他の例では、レンズ１５２０を製造して、窓１５１０に接着している。この例では、平凸レンズを利用することができる。
【００５９】
パッケージ１５００は更に、一体型スペクトルユニット３００の受光角度を制限するように構成された開口１５４０を具える。この開口１５４０は、第１の窓（又は蓋）１５１０の上に取り付けた第２の窓（または蓋）１５３０内に機械加工することができる。いくつかの例では、開口１５４０は、第２の蓋１５３０上の透明領域であってもよく、第２の蓋１５４０の残りの領域は、光を吸収する材料で被覆されている。いくつかの例では、第２の蓋１５４０は第１の蓋１５１０と同じであってもよい。
【００６０】
図１６は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図１６に示す例では、パッケージ１５００が更に電子回路１６００を具えており、ＭＥＭＳダイ３２０を駆動し、ＭＥＭＳ干渉計３１０内の可動部分（例えば、ＭＥＭＳアクチュエータおよび可動ミラー）の動きを感知し、検出器３７０で作られたインターフェログラムに信号調節及び信号処理を行う。いくつかの例では、電子回路１６００が、個別部品を有する特定用途向け単一集積回路（ＡＳＩＣ）チップまたは複数チップを具えていてもよい。この個別部品は、同じパッケージ１５００内に集積することができ、あるいはパッケージ１５００と共に電子回路基板上に取り付けることもできる。
【００６１】
図１７は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図１７に示す例では、パッケージ１５００が更に、入力光ビーム３６０を放射するように構成された光源１７００を具える。いくつかの例では、光源１７００は、一又はそれ以上の広帯域熱放射源または対象となる波長範囲をカバーする発光素子アレイを有する量子光源を具えていてもよい。光源１７００の出力（入力光ビーム３６０）は更に、レンズまたは反射器（図示せず）を使用して光学的処理を行い、結合効率を高めるようにしてもよい。例えば、光源１７００からの入力光ビーム３６０の結合に使用するレンズは、光源１７００自体に一体化された、またはパッケージ１５００の窓１５１０に一体化された、成形ガラスで製造することができる。
【００６２】
パッケージ１５００は、更に、光源１７００用のヒートシンク１７１０と、光源と一体型スペクトルユニット３００との熱的分離部１７２０を具えていてもよい。いくつかの例では、光源１７００は、パッケージ１５００上に表面実装スタイルで取り付けて、取り付け及び電気はんだ付けの費用を低減するようにしてもよい。
【００６３】
いくつかの実施例では、一体型スペクトルユニット３００が、フーリエ変換（ＦＴ）分光計として利用されている。ここでは、光源１７００が光学的に接続されて、入力光ビーム３６０を被試験試料（ＳＵＴ）１７３０に向けて放射し、ＳＵＴ１７３０へ伝送され、および／またはＳＵＴから反射された光１７４０は一体型スペクトルユニット３００に入力される。この例では、検出器３７０からの出力データが、インターフェログラム信号対ＭＥＭＳ干渉計３１０内の一又はそれ以上の可動ミラーの動きによって生じる光路差、を 含む。インターフェログラム信号を処理し、数学的変換を適用して、ＳＵＴ１７３０からの光１７４０のスペクトルを取得することができる。
【００６４】
図１８は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図１８に示す例では、光源１７００は光方向変換構造３３０上に取り付けられており、光方向変換構造３３０は更に入力光ビーム３６０をＳＵＴに方向変換する光学部品（例えば反射器）１８００を具え、入力光ビーム３６０のＳＵＴへの結合効率を改善するようにしている。この例では、反射器１８００、ならびに第１および第２のミラー３５０および４５０が、すべてモノリシックで、自己整合型であり、これにより取り付けコストが低減され、パッケージ１５００の製造歩留まりが向上する。
【００６５】
図１９は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図１９に示す例では、光源１７００は、マイクロマシニング技術を用いて第１の基板（例えば、ＭＥＭＳ基板）３２０上に製造した小型デバイスである。例えば、光源１７００は、加熱要素（図示せず）と共に製造して、光源１７００を加熱し、黒体放射を誘発するようにしてもよい。いくつかの例では、光源１７００は好ましくはシリコンで形成されており、一方、発熱要素は白金で形成されている。更に、光源１７００はナノ構造またはマイクロ構造のシリコンの形態であり、放射率または放射および全体の電気から光へのエネルギー変換効率を改善している。いくつかの例では、第１の基板３２０上に光源１７００を製造する代わりに、光源１７００を追加の基板上に製造し、パッケージ１５００内に一体化するようにしてもよい。
【００６６】
図２０は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図２０に示す例では、光源１７００と検出器３７０の両方が第１の基板（例えばＭＥＭＳ基板）３２０上に製造されている。例えば、検出器３７０は第１の基板３２０のハンドル層６３０上に取り付けることができる。いくつかの例では、検出器３７０は、例えば 赤外線（ＩＲ）範囲の吸収を改善するナノ構造またはマイクロ構造のシリコンに基づいて、ハンドル層６３０内に検出器を製造することによって、モノリシックに一体化することができる。検知機構は、光導電性検出器３７０の抵抗の測定、吸収による検出器３７０の温度変化、または検出器３７０の電流の変化の測定に基づくものでもよい。
【００６７】
図２１は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える一体型スペクトルユニット３００の別の実施例を示す図である。図２１に示す例では、光源１７００が光方向変換構造３３０の上に一体化されており、入力光ビーム３６０を直接第１のミラー３５０に向けて放射するように配向されている。ＭＥＭＳ干渉計３１０からの出力光ビーム３６５は、第２のミラー４５０によってＳＵＴに方向変換される。ＳＵＴ１７３０へ送られおよび／またはＳＵＴから反射された光１７４０は、次いで検出器３７０に光学的に接続される。いくつかの例では、光方向変換構造３３０は追加のミラー２１００を具えており、ＳＵＴ１７３０からの光１７４０を検出器３７０に方向変換する。更に、第１の基板３２０（例えば、ＭＥＭＳチップ）は、一又はそれ以上の導波路（図示せず）を具え、光源１７００から注入された入力光ビーム３６０をＭＥＭＳ干渉計３１０内に案内する、またはＭＥＭＳ干渉計３１０からの出力光３６５を第２のミラー４５０に向けて案内する。
【００６８】
図２２は、光源１７００と、ＭＥＭＳ干渉計３１０と、光方向変換構造３３０と、検出器３７０とを具える一体型スペクトルユニット３００の概略図である。図２２に示すように、ＭＥＭＳ干渉計３１０は、並列に動作する複数の干渉計（干渉計１、干渉計２、…、 干渉計Ｎ）を具える。複数の干渉計は、同じＭＥＭＳチップ内または別々のＭＥＭＳチップ内にモノリシックに集積することができる。光方向変換構造３３０は、光スプリッタと、並列に作用する複数の第１のミラーとを具え、光源１７００からの入力光ビーム３６０を複数の干渉計のそれぞれに結合する。更に、光方向変換構造は、並列に動作する複数の第２のミラーを具えており、複数の干渉計の各々からの各出力光ビームをＳＵＴ１７３０に結合させる（例えば、光コンバイナを介して）ことができる。ＳＵＴ１７３０から送達されおよび／またはＳＵＴから反射された光１７４０は、結合光学系２２００を介して検出器３７０に提供される。結合光学系２２００は、光方向変換構造３３０内に含まれていてもよく、または個別の構造体であってもよい。いくつかの例では、図２２に示すように、ＳＵＴは、ＭＥＭＳ干渉計３１０の後かつ検出器３７０の前ではなく、光路内のＭＥＭＳ干渉計３１０の前に配置することができる。
【００６９】
図２３は、一体型スペクトルユニット３３０を具えるパッケージ１５００の平面図である。パッケージ１５００は、パッケージ基板３９０を具え、その上には、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える第１の基板３２０と、光方向変換構造３３０を具える第２の基板３４０とが取り付けられている。光方向変換構造３３０は、少なくとも第１のミラー３５０を具えており、入力光ビームをＭＥＭＳ干渉計３１０に向けて方向変換することができる。検出器（図示せず）は、第１の基板３２０、第２の基板３４０、またはパッケージの上に取り付けるか、または集積されている。パッケージ１５００は、更に、ＭＥＭＳ干渉計３１０と検出器への電気的接続を提供する配線２３００を具える。
【００７０】
図２４は、図２３に示すパッケージ１５００の斜視図である。図２４では、光方向変換構造３３０の底面に取り付けられた検出器３７０が示されている。したがって、ＭＥＭＳ干渉計３１０からの出力光ビームは、光方向変換構造内の一又はそれ以上のミラー（特に図示せず）を介して検出器３７０へ方向を変えることができる。
【００７１】
図２５は、図２４に示す光方向変換構造３３０の斜視図である。この斜視図では、出力光ビームを検出器に方向変換する第２のミラー４５０が見える。しかし、光方向変換構造３３０は、入力光ビームをＭＥＭＳ干渉計に方向変換する第１のミラー（図２５に示す斜視図では見えない）を更に具えていてもよいと理解されたい。
【００７２】
光方向変換構造体３３０は、更に、エポキシ接着によるパッケージ基板上での光方向変換構造３３０の取り付けを容易にする、スペーサまたはパッド２５００を具えていてもよい。いくつかの例では、少なくとも３つのスペーサまたはパッド２５００を用いて、パッケージ基板平面に対して光方向変換構造の基本平面（以下では基本平面と呼ぶ）を画定している。更に、このスペーサまたはパッド２５００は、同じ長さであってもよく、異なる長さを有していてもよい。例えば、長さが異なるスペーサ２５００を使用することによって、ベース面とパッケージ基板面との間に角度を導入することができる。対照的に、長さが等しいスペーサ２５００は、ベース面とパッケージ基板面との間のアラインメントを提供する。しかしながら、スペーサ２５００の数、スペーサ２５００のサイズ、およびスペーサ２５００の形状は、光方向変換構造３３０をパッケージ基板に固定するのに必要なエポキシ層（図示せず）の厚さと共に最適化パラメータとなるように考慮することができる。いくつかの例では、スペーサ２５００は、光方向変換構造３３０内にモノリシックに製造されている。
【００７３】
図２６は、別の光方向変換構造３３０の斜視図である。図２６に示す光方向変換構造３３０では、第１のミラーが、入れ子式構造２６２０で光学的に結合された２つの入力ミラー２６００と２６１０を具える。このような入れ子式構造２６２０は、受光角を小さく維持しながら、ＭＥＭＳ干渉計への入力光ビーム３６０の受光スポットサイズを制御することができ、これによって、ほぼ平行な入力光ビーム３６０を提供している。これによって、干渉の視認性が向上し、被測定試料（ＳＵＴ）のあらゆる不均一性に対するスペクトル分析感度を向上させるために必要なより大きなスポットサイズを測定することが可能になる。更に、図２６に示す光方向変換構造３３０においては、第２のミラー（出力ミラー）が単一のミラーを具え、出力光ビーム３６５を検出器３７０上に集束させている。
【００７４】
図２７は、ＭＥＭＳ干渉計３１０を具える第１の基板３２０と、光方向変換構造３３０を具える第２の基板３４０との受動的アライメント構成を示す。図２７に示すように、第１の基板３２０は一又はそれ以上の溝２７００を具え、第２の基板３４０は対応する溝２７００に嵌合する一又はそれ以上の突起２７１０を具えており、ＭＥＭＳ干渉計３１０と光方向変換構造３３０の一体化が受動的アラインメントで行われている。溝２７００は、様々な形状を有することができ、各々が光方向変換構造３３０のそれぞれの突起２７１０と嵌合する。その他の例では、突起２７１０を第１の基板３２０（例えばＭＥＭＳ基板）に画定して、溝２７００を、第２の基板３４０（例えば、光方向変換構造基板）に画定することができる。更に図２７に示すように、第１の基板３２０は更に、ＭＥＭＳ干渉計３１０へ／からの入力／出力光ビームを案内する一又はそれ以上の導波路２７２０を具えていてもよい。ＭＥＭＳ干渉計３１０と同じ基板（例えば、第１の基板３２０）内に導波路２７２０を作ることによって、導波路は自己整合型であり、ＭＥＭＳチップのモノリシック部分であってもよい。その他の例では、一又はそれ以上の導波路をＭＥＭＳチップ（例えば、第１の基板３２０）上、または別のチップ上に取り付けることができる。この例では、導波路は光ファイバである。
【００７５】
本開示内で、用語「例示的」は、「例、事例、または図示として作用する」ことを意味するために用いられている。「例示的」として本明細書で記載されている実装形態または態様は、必ずしも本開示の他の態様よりも好ましいまたは有利であると解釈するべきではない。同様に、「態様」という用語は、本開示のすべての態様が論じられた特徴、利点または動作モードを含むことを必要としない。「結合された」という用語は、本明細書では、２つの物体間の直接的または間接的な結合を指すことを意味する。例えば、物体Ａ物体Ｂに物理的に接触しており、物体Ｂが物体Ｃに接触している場合、物体ＡとＣは、互いに物理的に直接接触していなくても、互いに結合していると考えらえる。例えば、第１の物体が第２の物体と直接物理的に接触していないとしても、第１の物体は第２の物体に結合され得る。「回路」という用語は広く使用されており、電子回路のタイプに関して限定することなく、接続および構成されたときに、本開示に記載された機能を実行できる電気デバイスと導体の両方のハードウェア実装を含むことを意図する。また、プロセッサで実行されたときに、本開示に述べた機能の実行できる情報および命令のソフトウェアによる実装を含む。
【００７６】
図１乃至２７に示す構成要素、ステップ、特徴、および／または機能の一又はそれ以上は単一の構成要素、ステップ、特徴もしくは機能に、あるいはいくつかの構成要素、ステップもしくは機能に、再構成、及び／又は、組み合わせることができる。本明細書に開示された新規な特徴から逸脱することなく、追加の要素、構成要素、ステップ、および／または機能を追加することもできる。図１乃至２７に示す装置、デバイス、および／または構成要素は、本明細書に記載の方法、特徴、またはステップの一又はそれ以上を実行するように構成できる。本明細書に記載の新規なアルゴリズムは、ソフトウェアで効率的に実装することができ、および／または、ハードウェアに埋め込むこともできる。
【００７７】
また、開示された方法におけるステップの特定の順序または階層は、例示的なプロセスを記載したものであることを理解すべきである。設計の好みに基づいて、方法におけるステップの特定の順序または階層は再配置できると理解される。添付の方法の請求項は、様々なステップの要素を例示的な順序で提示しており、そこに特に記載されていない限り、提示された特定の順序または階層に限定されるものではない。
【００７８】
前述した説明は、当業者が本明細書に記載の様々な態様を実施できるように提供されている。これらの態様に対する様々な修正は当業者には容易には自明であり、ここに定義された一般的な原理は他の態様に適用することができる。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、特許請求の範囲の文言と矛盾しない範囲で一致するものとする。単数の要素への言及は、「一又はそれ以上」ではなく、特に明記していない限り、「１つ及び１つのみ」を意味する。特に明記しない限り、「いくつかの」という用語は一又はそれ以上を意味する。項目のリストのうちの「少なくとも１つ」に言及するフレーズは、単一のメンバーを含む、これらの項目の任意の組み合わせを指す。一例として、「ａ、ｂ、またはｃのうちの少なくとも１つ」は、ａ；ｂ；ｃ；ａとｂ；ａとｃ；ｂとｃ；及びａ、ｂとｃ、に及ぶことを意図する。当業者に知られている又は後に知られるようになる本明細書を通して述べられている様々な態様の要素のすべての構造的および機能的な均等物は、引用により本明細書に組み込まれており、特許請求の範囲が及ぶことを意図している。更に、本明細書に開示されていることは、そのような開示が特許請求の範囲に明示的に記載されているかどうかにかかわらず、一般に捧げることを意図していない。要素が「ための手段」という表現を使用して明示的に列挙されていない限り、または方法請求項の場合には、「ステップのための」という表現を使用して要素が列挙されている場合を除き、請求項の要素は、３５ＵＳＣ§１１２（ｆ）の規定に従って解釈される。
【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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