(57)【要約】  ラメラー格子干渉計が記載されており、ここではミラー９により光ビームがコリメートされ、かつ格子上に集束され、同時にミラー９は該格子により反射された光を収集する機能も有する。この場合、白色光源１の光ビームは最初に第１のレンズ２によりコリメートされ、その後、試料キュベット３を透過する。この透過した光ビームは、その後、別のレンズ２によりファイバ１７内に集束され、かつ結合される。このファイバ１７への光はその後ミラー９へ導かれ、このミラー９により格子１１上に反射されるが、格子１１は微小電子機械素子ＭＥＭＳ７により実現されるラメラー格子干渉計の一部を形成し、ＭＥＭＳ７はファイバ１７と同様にＭＥＭＳ保持具６の上に固定される。この格子１１から反射される光は同一のミラー９上に反射され、この同じミラー９により保持具６に固定された第２の多モード・ファイバ１８内に集束され、かつ結合される。この第２の多モード・ファイバ１８によって導かれた光はその後検出素子４内に供給される。
2008503732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームをコリメートする第１の手段と格子上に光ビームを集束させる第２の手段とを備えるラメラー格子干渉計。
【請求項２】
光ビームが格子上に実質的に直線形状で集束される請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
干渉計が単一のシリコン基板を用いるＭＥＭＳ技術に基づいており、等間隔配列された反射要素の直線的な列を備え、前記反射要素の半分は静止しており、半分は前記列の方向に実質的に垂直な方向に移動可能である前記請求項のいずれかに記載の干渉計。
【請求項４】
格子の周期が２〜１０００μｍの範囲、好ましくは１０〜２００μｍの範囲、最も好ましくは５０〜１２０μｍの範囲にある請求項３に記載の干渉計。
【請求項５】
光ビームを格子上に集束させるために、単一のミラーが光ビームをコリメートするために使用される前記各請求項のうちの一項に記載の干渉計。
【請求項６】
ラメラー格子干渉計上に光を結合させるためと、その後スペクトル検出用としてラメラー格子干渉計からの反射光を収集するために、同一のミラーが使用される請求項５に記載の干渉計。
【請求項７】
好ましくは多モード・ファイバの形の光源が格子の列の実質的に真下あるいは真上に置かれ、好ましくは前記の列に関して可能な限り中心をなし、かつ格子から反射され、ミラーによって集められた光が多モード・ファイバに結合され、好ましくは前記の光が格子の列の実質的に真下あるいは真上に位置し、好ましくは前記の列に関して可能な限り中心をなす請求項６に記載された干渉計。
【請求項８】
ミラーが格子から距離ｄの位置に置かれており、Ｚ＝（１／２）×ｙ2／Ｒで定義される球面収差を避けるために、サジタル面においてミラーがおよそｆ＝ｄの焦点距離で、およそＲ＝２ｄの曲率半径を有しているか、あるいは放物面の湾曲を有している請求項６あるいは７に記載された干渉計。
【請求項９】
ミラーが格子から距離ｄの位置に置かれており、Ｚ＝（１／２）×ｙ2／Ｒで定義される球面収差を避けるために、サジタル面においてミラーがおよそＲ＝２ｄの曲率半径を有しているか、あるいは放物面の湾曲を有している請求項６から８のうちの一項に記載の干渉計。
【請求項１０】
前記ミラーが格子から距離ｄの位置に置かれており、かつ接平面内でミラーがおよそＲ＝ｄの曲率半径を有する請求項８に記載の干渉計。
【請求項１１】
少なくとも２つのレンズが用いられ、これらの少なくとも２つのレンズのうちの第１のレンズは光ビームをコリメートするために用いられ、これらの２つのレンズのうちの第２のレンズは前記光ビームを集束するために用いられる請求項１から請求項４のうちの一項に記載の干渉計。
【請求項１２】
前記第２のレンズは円柱レンズである請求項１１に記載の干渉計。
【請求項１３】
干渉計が接平面内において１０〜５００μｍの範囲、好ましくは５０〜１５０μｍの範囲の高さを有する等間隔に配列された反射要素の直線的な列を備える前記請求項のいずれかに記載の干渉計。
【請求項１４】
格子の移動可能な反射要素がフォークの形状で設けられており、静電力によって駆動され、かつ好ましくは１０−４〜１０−６ｋｇの範囲の質量を有する前記請求項のいずれかに記載の干渉計。
【請求項１５】
フォークが実質的にその共振周波数で振動するように駆動される請求項１４に記載の干渉計。
【請求項１６】
フォークが０．１〜１０００Ｎ／ｍの範囲の力定数で自在に吊り下げられている請求項１５に記載の干渉計。
【請求項１７】
共振周波数が１００〜４００Ｈｚの範囲、好ましくは１５０〜２５０Ｈｚの範囲にある請求項１５または請求項１６に記載の干渉計。
【請求項１８】
フォークの縦変位が１０〜１０００μｍの範囲、好ましくは５０〜３００μｍの範囲、最も好ましくは１００〜２００μｍの範囲にある請求項１５から請求項１７のうちの一項に記載の干渉計。
【請求項１９】
好ましくは第１の格子に機械的に結合した第２の格子が較正用に設けられ、前記第２の格子は基準光源で照射される前記請求項のいずれかに記載の干渉計。
【請求項２０】
第１と第２の格子の可動部分が微細機械部品の一体型要素として設けられており、第１の格子が前記部品の第２の格子の反対側に面しており、かつ移動可能な一体型要素の静電的な変異のために、格子間にフォーク状の要素が対称的に設けられている請求項１９に記載の干渉計。
【請求項２１】
分析のためにプローブから収集された光がコリメートされ集束される少なくとも１つの第１の多モード・ファイバが設けられており、その後に前記光を格子上にコリメートし、集束させるため、かつ格子から反射された光をコリメートし集束するための単一のミラーが設けられており、格子から反射された光であって、コリメートされ、集束された光を検出器に導くために結合される第２の多モード・ファイバが設けられており、ミラーに面する両端部において、優先的には第１および第２の多モード・ファイバが実質的には互いに平行に配置されており、かつ好ましくは格子の列の真下あるいは真上で互いに接しており、かつ前記格子に対して中心に配置されている前記請求項のいずれかに記載の干渉計。
【請求項２２】
前記請求項のいずれかに記載の干渉計の分光計における使用。
【請求項２３】
光がコリメートされた後に集束される前記請求項のいずれかに記載の干渉計で波長を分析する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はラメラー格子干渉計、特に微小電子機械素子、すなわちＭＥＭＳ技術で実現される素子形状のラメラー格子干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）は機械要素、センサ、アクチュエータ、および電子回路を、微細加工技術により、共通のシリコン基板上へ集積することを意味している。電子回路は集積回路（ＩＣ）のプロセスシーケンス（たとえば、ＣＭＯＳ、バイポラー、またはＢＩＣＭＯＳプロセス）を用いて製造されるが、微小機械部品はそれと等価な「微細加工」プロセス、すなわちシリコンウエハの一部をエッチングにより取り去るか、機械ならびに電子機械素子を形成させるため、新規の構造層を追加するプロセスを使用して製造される。
【０００３】
フーリエ変換（ＦＴ）分光法は微弱で分散光源のスペクトルを測定するための良く知られた技法である。この分光法は顕著な処理能力と多重化した利点、すなわち他の方法よりも高い信号対雑音比性能を提供する。しかし通常使用されるＦＴ分光計は高精度のミラー走査機構を必要とし、結果として寸法が大きくなりコストが高くなる。低価格で小型の分光計は、測色や工業プロセス制御などの用途のための小型で携帯可能なセンサ・ソリューションを実現可能にする重要な構成部品である。
【０００４】
分光計応用としてのＭＥＭＳ技術はマイケルソン干渉計という意味において既に使用されているが、機器の小型化および光学部品の可能なかぎりの小型化という観点から、この種のＭＥＭＳ分光計には欠点がある。空間的に変調されたＦＴ分光計（たとえば傾斜ミラーとフォトダイオード・アレイを有するマイケルソン干渉計）は小型化に通じ、可動部分を持たない。しかし、静止型のＦＴ分光計は十分な分解能を持たず、スループットの利点から全く利益を生み出さない。
【非特許文献１】Ｏ．  Ｍａｎｚａｒｄｏ「微小寸法フーリエ分光計」（博士論文（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｎｅｕｃｈａｔｅｌ，Ｎｅｕｃｈａｔｅｌ，  Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ，  ２００２））
【非特許文献２】Ｓ．  Ｄ．  Ｃｏｌｌｉｎｓ、Ｒ．  Ｌ．  Ｓｍｉｔｈ、Ｃ．Ｇｏｎｚａｌｅｓ、Ｋ．  Ｐ．  Ｓｔｅｗａｒｔ、Ｊ．  Ｇ．  Ｈａｇｏｐｉａｎ、Ｊ．  Ｍ．  Ｓｉｒｏｔａ、「フーリエ変換光学微小システム」、（Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  ２４，８４４  （１９９９））
【非特許文献３】Ｏ．  Ｍａｎｚａｒｄｏ、エイチ・ピー・ヘルチィグ（Ｈ．  Ｐ．  Ｈｅｒｚｉｇ）、Ｃ．  Ｒ．  Ｍａｒｘｅｒ、Ｎ．  Ｆ．  ｄｅ  Ｒｏｏｉｊ、「シリコン技術に基づく小型時間走査フーリエ変換分光計」（Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  ２４，  １７０５−１７０７  （１９９９））
【非特許文献４】Ｈ．  Ｌ．  Ｋｕｎｇ、Ａ．  Ｂｈａｔｎａｇａｒ、Ｄ．  Ａ．  Ｂ．  Ｍｉｌｌｅｒ、「タルボット（Ｔａｌｂｏｔ）の自己イメージの周期性の測定に基づく変換分光計」、（Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  ２６，１６４５（２００１））
【非特許文献５】Ｈ．  Ｌ．  Ｋｕｎｇ、Ｓ．  Ｒ．  Ｂｈａｌｏｔｒａ、Ｊ．  Ｄ．  Ｍａｎｓｅｌｌ、Ｄ．  Ａ．  Ｂ．  Ｍｉｌｌｅｒ、Ｊ．Ｓ．Ｈａｒｒｉｓ、「集積化ＭＥＭＳミラーと薄膜光検出器に基づく定在波変換分光計」、（ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｓｅｌｅｃ．  Ｔｏｐ．  Ｑｕａｎｔ．  Ｅｌｅｃｔｒ．  ８，９８  （２００２））
【非特許文献６】Ｊ．  Ｓｔｒｏｎｇ、Ｇ．  Ａ．  Ｖａｎａｓｓｅ、「ラメラー回折格子遠赤外干渉計」、（Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  ５０，  １１３−１１８  （１９６０）
【非特許文献７】Ｊ．  Ｅ．  Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎ、「干渉分光法の原理」、（Ｊ．  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  １９７９）
【非特許文献８】Ｗ．  Ｎｏｅｌｌ、Ｐ．Ａ．  Ｃｌｅｒｃ、Ｌ．  Ｄｅｌｌｍａｎｎ、Ｂ．  Ｇｕｌｄｉｍａｎｎ、Ｈ．  Ｐ．  Ｈｅｒｚｉｇ、Ｏ．  Ｍａｎｚａｒｄｏ、Ｃ．  Ｒ．  Ｍａｒｘｅｒ、Ｋ．  Ｊ．  Ｗｅｉｂｌｅ、Ｒ．Ｄａｎｄｌｉｋｅｒ、Ｎ．  Ｆ．  ｄｅ  Ｒｏｏｉｊ、「ＳＯＩベースの光学ＭＥＭＳの用途」、（ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｓｅｌｅｃ．  Ｔｏｐ．  Ｑｕａｎｔ．  Ｅｌｅｃｔｒ．  ８，１４８  （２００２））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は高い信頼度で小型化の促進を可能にする改良された分光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は光ビームをコリメートする第１の手段と、格子上に光ビームを集束させる第２の手段とを備えたラメラー格子干渉計を提供する。この著しく単純であるが極めて効果的な光路の構造を微小電子機械ラメラー格子干渉計とともに使用することによって、利用可能なスペクトル分解能が非常に精密であると同時に、堅牢で信頼性の高い超小型部品が得られる。このようなラメラー格子干渉計によって測定された信号のデータ処理は標準的なフーリエ変換技法に基づいている。
【０００７】
第１の好適な実施形態によれば、光ビームは格子上に実質的に直線形状で集束される。
既に指摘したように、好ましくは、干渉計は単一のシリコン基板を用いたＭＥＭＳ技術に基づいている。優先的には、干渉計は等間隔に配列された反射要素の直線的な列を備え、列の半数は静止しており、残りの半数は列の方向へ実質的に垂直な方向に移動可能である。このように操作の基本原理は以前にＳｔｒｏｎｇとＶａｎａｓｓｅによりアメリカ光学会誌（the Journal of the Optical Society of America）第５０（２）巻、１１３ページに記載された内容に類似している。
【０００８】
格子の周期は好ましくは２〜１０００μｍの範囲、より好ましくは１０〜２００μｍの範囲、最も好ましくは５０〜１２０μｍの範囲の範囲にあり、この範囲では、最初に、可視領域および紫外領域までの、かなり高い周波数の分析が可能となる。
【０００９】
本発明の好ましい、特に小型の実施形態によれば、単一のミラーが光ビームをコリメートするためと、格子上に光ビームを集束させるために使用される。優先的には、同一のミラーがラメラー格子干渉計上に光を結合させるためと、その後のスペクトル検出用にラメラー格子干渉計からの反射光を収集するためとに用いられる。好ましくは多モード・ファイバの形式である光源は格子の列の実質的に真下または真上に位置し、この列に対してできるだけ中心に位置する。格子から反射され、ミラーによって収集された光は、次に多モード・ファイバ内に結合されるが、この多モード・ファイバは、好ましくは格子の列の実質的に真下または真上に位置し、かつ好ましくは、この列に対してできるだけ中心に位置する。
【００１０】
他の望ましい実施形態によれば、ミラーは前記格子から一定の距離ｄの位置に置かれており、このミラーはｚ＝（１／２）ｙ２／Ｒで定義される球面収差を避けるために、サジタル平面内でおよそｆ＝ｄの焦点距離、およそＲ＝２ｄの曲率半径、または放物面の湾曲を有している。ｄの可能な値は３〜１００ｍｍの範囲、好ましくは１０〜３０ｍｍの範囲である。
【００１１】
優先的には、ミラーは格子から距離ｄに置かれており、このミラーはＺ＝（１／２）×ｙ2／Ｒで定義される球面収差を避けるために、サジタル平面内でおよそＲ＝２ｄの曲率半径Ｒを有しているか、あるいは放物面の湾曲を有している。
【００１２】
当然、格子に直交する方向におけるビームの寸法は格子の高さに適合されなければならない。もしミラーが格子からの距離ｄの位置に置かれていれば、接平面内においてミラーは優先的におよそＲ＝ｄの曲率半径Ｒを有する。
【００１３】
別の実施形態は光を集束するためにミラーではなくレンズを使用する。この実施形態では少なくとも２つのレンズが設けられ、これらの少なくとも２つのレンズのうち第１レンズは光ビームをコリメートするために用いられ、これらの２つのレンズのうち第２レンズは光ビームの集束に用いられる。この場合、第２レンズは優先的には円柱レンズである。
【００１４】
上記に既に指摘したように、干渉計はＭＥＭＳ技術に基づいており、高度に小型化されている。同様に、干渉計は等間隔に配列された反射要素の直線的な列を優先的に包含しており、反射要素は接平面において１０〜５００μｍの範囲、好ましくは５０〜１５０μｍの範囲の高さを持つ。
【００１５】
他の実施形態の通り、もし格子の移動可能な反射要素がフォークの形状で提供されており、フォークが静電力に基づいて駆動され、ここで前記フォークが好ましくは１０−４〜１０−６ｋｇの範囲の質量を有するのであれば、非常に小型な設計が可能である。静電力という手段による駆動はＭＥＭＳ素子の部分を形成する追加的で連結したフォークで優先的に実現され、ここで、これら連結したフォークは、連結したフォーク間にもたらされる電位差により駆動する。
【００１６】
別の実施形態で、特に好ましい実施形態によれば、もしフォークが実質的にその共振周波数で振動するように駆動されれば、極めて高いスペクトル感度とスペクトル分解能が実現できる。この目的のために、フォークは機械的な復元力に対抗して移動自在となるように吊り下げられるが、これはＭＥＭＳブロックの設計および構造に基づいて適合されている。ここでの主たる関心事項である分光範囲と一般的な寸法に関する最適条件に関して、フォークは０．１〜１０００Ｎ／ｍの範囲の力定数で自在に吊り下げられている。典型的にはフォークの共振周波数が１００〜４００Ｈｚ、好ましくは１５０〜２５０Ｈｚの範囲になるように、ＭＥＭＳブロックは機械加工される。変位（固有の調整）の強調された安定性と高い信号対雑音比を可能にする信号平均化により、高い周波数の共振モードの動作は高感度と高分解能を可能にする。
【００１７】
赤外と紫外の間かつ赤外と紫外を含む望ましいスペクトル範囲に関して必要な分解能を実現するための光路長差として、フォークの典型的な縦方向の変位は１０〜１０００μｍの範囲、より好ましくは５０〜３００μｍの範囲、好ましくは１００〜２００μｍの範囲である。したがって、理想的には、たとえば共振周波数が２００Ｈｚの範囲内の変位になるようにフォークを共振駆動させる。
【００１８】
特に上述した共振モードで動作させる際に、スペクトルの較正を可能とするための基準を有することが重要である。この目的のために、他の好適な実施形態によれば、較正用に第２の格子が設けられ、好ましくは第２の格子が第１の格子と機械的に結合しており、基準光源で照射される。この第２の基準光源は、たとえばＨｅ／Ｎｅレーザでもよい。この場合、優先的に第１と第２の格子の移動可能な部分は微小機械素子の一体化要素として提供されており、第１の格子は第２の格子に関して反対側の面を向いており、（２つの）フォークに似た要素は格子の間で対称的に移動可能な一体化要素の静電変位として提供される。
【００１９】
さらに正確に言えば別の実施形態は、解析するためにプローブから集められた光がコリメートされ、かつ集束される少なくとも１つの第１の多モード・ファイバが備えられており、その後に前記光を格子上にコリメートし、集束させるため、かつ格子から反射された光をコリメートし、集束させるための単一のミラーが備えられており、格子から反射された光であって、コリメートされ、集束された光を検出器へ導くために結合される第２の多モード・ファイバが備えられており、ミラーに面する端部において、優先的には第１と第２の多モード・ファイバは実質上互いに平行に配列されており、かつ好ましくは格子の列の真下あるいは真上で互いに接しており、前記格子に関して中心をなしていることで特徴付けられている。
【００２０】
さらに本発明は分光計、特に小規模で可搬型の分光計において、上に詳しく述べられた干渉計の使用に関する。
上記に加え、本発明は上述した干渉計、すなわち光がコリメートされ、かつ集束される干渉計で波長を分析する方法に関する。
本発明のさらなる目的と詳細は別途の独立請求項および従属請求項に要約されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ＭＥＭＳ技術を用いて実現したラメラー格子干渉計について説明する。これは時間走査型フーリエ変換分光計として用いられる。移動はシリコン微細加工技術、特に、シリコン−オン−インシュレータ技術によって作製された静電櫛歯駆動アクチュエータにより行われる。初めて広いスペクトル範囲を持つ白色光源のスペクトルを分解能１．６ｎｍで、また次の測定では４００ｎｍの波長で０．５ｎｍ、８００ｎｍの波長でそれぞれ５．５ｎｍと１．７ｎｍの分解能で測定した。波長の精度は０．５ｎｍより良く、検査された波長領域はそれぞれ３８０ｎｍ〜１１００ｎｍ、３００ｎｍ〜２６００ｎｍに拡大した。光路長差は最大で１４５μｍ、または２番目の場合では５００μｍである。装置の寸法は、５ｍｍ×５ｍｍ、または２番目の場合では７ｍｍ×５ｍｍである。
【００２２】
分光測定法は産業や研究所において広く用いられている。方法は多種多様であり、多くの分野で使用されている。特にフーリエ変換分光法は弱い光源を高分解能で測定する有力な手段である。現在では、幅広い測定範囲を持つフーリエ分光計が市販されている。しかし、高分解能の製品は高い機械的な精密さを必要とし、結果的に大型で高価になる。今日では新しい用途、注目に値する多様な学問分野や企業において拡大する機会のために、低分解能の超小型分光計が魅力的になっている１。装置を小型化できれば、機器やセンサの取り扱いが容易、高速、安価に行えるようになる。測色、品質管理とプロセス管理、ガス検出ならびに化学物質の分析を含む様々な用途が存在する。
【００２３】
環境監視、食品と飲料産業、画像、遠隔通信、生命科学ならびに医学的な診断のような分野の多様性において、小型分光計は利便性を発揮している。寸法や製造コストのような他の特定の側面が小型で可搬型のセンサ・ソリューションの実現を促進する大きな刺激となっている。小型分光計の大半は格子の分散効果を使用している。これまでフーリエ分光計の利点を応用した小型機器の開発例がほとんど無かったが２、その理由は製造に高い精度を必要とするためである。シリコン微細加工を用いたＭＥＭＳ（微小電子機械システム）技術のおかげで、フーリエ分光計は新たな時代に入ることができる。
【００２４】
前記の論文３において、ＳＯＩ（シリコン−オン−インシュレータ）技術に基づいたフーリエ分光計を提示した。この装置は走査ミラーを有するマイケルソン干渉計であった。この特別な構成において、制約事項はビーム・スプリッタを一体化する必要性である。事実、専用微小光学素子を微小機構システムに統合することは製造上および取り扱い上の課題となる。さらに、ＭＥＭＳ技術４，５を利用する異なる分光技術において、広い波長領域を相応の分解能で測定することが課題である。本明細書において、ラメラー格子干渉計に基づくＭＥＭＳベースのフーリエ分光計について報告する。この考え方はビーム・スプリッタの統合を回避できる利点を与える。本装置は市販品の小型格子分光計に匹敵する分解能で、白色光のスペクトルを記録できる。製造技術と駆動概念は、参考資料にあげたマイケルソン干渉計と同様である３。
【００２５】
ラメラー格子干渉計は深さ可変のバイナリー格子であり、０次回折パターンで作動する。この形式の機器は１９６０年にＳｔｒｏｎｇ６により発明された。ラメラー格子干渉計はフーリエ分光計として使用されているが、マイケルソン干渉計がビーム・スプリッタで光波の振幅を分割するのに対し、ラメラー格子干渉計は波面を分割する。格子面において、ビームの半分が前面（静止ミラー）で反射され、半分が後面（可動ミラー）で反射されるように、波面が分割される。前記２種類のミラー間の距離ｄは波の２つの部分（図１参照）の光路差（ＯＰＤ）δを定める。通常、この形式の分光計は１００μｍを超す波長で使用され、それより短い波長では、機械工場において許容誤差が非常に厳しくなる。シリコンの微細加工は短波長のためのこれら制約を克服するための理想的な技術である。
回折パターンの強度Ｉは次式で与えられる６。
2008503732.tif 000003
ここで、Ｋ＝π・ａ／（２λ）・ｓｉｎαであり、ｎは照射周期の数、ａは格子周期、αは回折角である。位相シフトφ＝２πδ／λはＯＰＤδで与えられ、図１における距離ＡＢ、ＢＣ、およびＣＤの合計であり、ＯＰＤδは次式で与えられる。
2008503732.tif 000004
【００２６】
式（１）で与えられる回折パターンの強度Ｉには３つの寄与がある。Ｉ１は格子周期の矩形形状から生じるｓｉｎｃ２関数であり、Ｉ２は格子の周期性（周期の数ｎ、格子周期ａ）による櫛歯関数であり、Ｉ３は格子深さｄによる位相シフトを決定する。φ＝Ｍ２πとφ＝π＋Ｍ２π（Ｍは整数）に相当する位相シフトに関する上記の寄与は図２に示されている。α＝０（０次回折パターン）のとき、式（１）は強度ＩがＯＰＤδ＝２ｄのときのコサイン関数と同様に変調されることを示す。変調周期は波長λに依存する。したがって、フーリエ変換分光の基本方程式７は、
2008503732.tif 000005
で与えられ、ここでσ＝１／λはラメラー格子干渉計に適用される波数である。マイケルソン干渉計の場合と同様に、強度Ｉとδとの関係はインターフェログラムとして知られ、パワー・スペクトルＢ（σ）はこの記録された強度Ｉ（δ）のフーリエ変換である。
【００２７】
ラメラー格子干渉計の走査型電子顕微鏡写真を図３に示す。一連のミラーの移動は静電櫛歯駆動アクチュエータにより行われる。設計思想と駆動原理は参考文献１に説明されており、操作ダイアグラムは参考文献３に示されている。このアクチュエータはＳＯＩウェハを深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により製造される。製造プロセスは参考文献８に記載されている。ミラーの高さは７５μｍ、格子の被照射周期の数ｎは１２、格子周期は９０μｍまたは１００μｍ、素子の外形寸法は５ｍｍ×５ｍｍあるいは５ｍｍ×５ｍｍである。ミラー表面の品質は製造技術によって保証されている。表面粗さは実効値で３６ｎｍと測定された。
【００２８】
広い波長域を優れた分解能と正確さで分析できる本分光計の性能を立証するために、低圧キセノンアーク灯のスペクトルを測定した。測定はコア径５０μｍの多モード・ファイバの出力光をコリメートし、円柱レンズを用いて格子上に光ビームを集束させることにより行われた。コリメーションレンズの焦点距離は１０ｍｍ、円柱レンズの焦点距離は２０ｍｍである。ビームの入射角は０であり、ＯＰＤδの関数の０次変調はフォトダイオード検出器にて測定された。記録されたインターフェログラムを図４に示す。インターフェログラムの周辺部の品質と対称性は部分的にコリメートされたビームから発生する干渉計の分散効果が存在しないことを示している。インターフェログラムの中心はＯＰＤ＝０に対応する。今回の実験におけるＯＰＤの最大値は１４５μｍであるが、これは５００μｍまで上昇する可能性があり、前記２つの数字は理論分解能７０ｃｍ−１をもたらすが、２０ｃｍ−１も可能であり、６３３ｎｍの波長においてそれぞれ理論分解能が２．８ｎｍと１ｎｍに相当する。ＯＰＤの値を最大にするため、櫛歯間に６５Ｖの電圧を印加した。ミラー位置と印加電圧との関係を較正するため、ヘリウム−ネオン・レーザを使用した。
【００２９】
ＯＰＤの値は参考文献３に記載された位相補正に従って補正された。インターフェログラムの記録はミラーを段階的に移動させ、各段階で１００個の測定値を収集することにより行われた（自動化された測定）。段階の数は３０００回であり、全測定に５分を要した。インターフェログラムのフーリエ変換により算出されたパワー・スペクトルが図５に示されている。ラメラー格子干渉計から再生されたスペクトルはスペクトル分解能０．５ｎｍを有するモノクロメータ（Ｊｏｂｉｎ  Ｙｖｏｎ  ＨＲ  ４６０）を用いて行われたスペクトル測定と比較される。キセノン光源の複雑なスペクトル構造が一致していることを見ることができる。放射ピークの位置精度は０．５ｎｍより良好である。λ＝４００ｎｍにおける測定された分解能は１．６ｎｍあるいは０．５ｎｍ、λ＝８００ｎｍにおいて５．５ｎｍあるいは１．７ｎｍである。波長領域は３８０ｎｍ〜１１００ｎｍあるいは３００ｎｍ〜２６００ｎｍである。最初のケースでは、素子はコーティングされていないことに注意すべきである。したがって、１０５０ｎｍを超す波長領域では、スペクトルの寄与はほとんど無い。事実、この波長を超えるとシリコンは透明になり、したがって入射光（フレネル反射）の３０％がミラーで反射されるにすぎない。必要とされる用途に応じて、本装置は第２の場合のように、たとえばアルミニウムあるいは金でコーティングされ得る。
【００３０】
ＭＥＭＳに基づくラメラー格子干渉計が実現された。ＭＥＭＳチップの寸法は５ｍｍ×５ｍｍまたは２番目のケースで７ｍｍ×５ｍｍである。広い波長範囲のスペクトルを測定する素子の能力が示された。最初に、キセノン光源の測定されたスペクトルから、素子は可視光と近赤外で多様な用途に完璧に適していることが示された。格子に基づいた装置と比較して、本装置はビーム・スプリッタの使用なしにフーリエ分光分析の利点を利用できる。その上、ＣＣＤラインの代わりに１素子の検出が使用される。
【００３１】
図６は本発明の別の実施形態を示しており、ここでは光ビームがミラー９によって格子の上にコリメートされ、集束され、同時にミラー９が格子から反射された光を集めるための役割を果たす。
【００３２】
この場合において、白色光源１の光ビームは最初に第１のレンズ２によりコリメートされ、続いて試料キュベットを通過するが、試料はたとえばミルクのような懸濁液、具体的には母乳のような懸濁液でよい。透過した光ビームは続いて別のレンズ２により集束され、ファイバ１７内へ結合される。
【００３３】
このファイバ１７の光は続いてミラー９へ導かれ、このミラー９から格子１１上へ反射される。この格子１１は微小電子機械素子ＭＥＭＳ７の手段により実現されるラメラー格子干渉計の一部を形成しており、ＭＥＭＳ７はファイバ１７のようにＭＥＭＳ保持具６の上に搭載される。
【００３４】
この格子１１から反射された光は同じミラー９上へ反射され、この同一ミラー９により第２の多モード・ファイバ１８中に集束され、結合される。このファイバ１８もまた保持具６に固定されている。この第２の多モード・ファイバ１８により導かれた光は、その後検出素子４内へ導かれる。
【００３５】
通常この検出装置にはアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）が設けられており、所望の分解能にとって十分なサンプリング・レートでデータをサンプリングする。これらのデータは、その後、コンピュータで支援されたフーリエ変換（たとえばＦＦＴ）により処理され、スペクトルを生成する。
【００３６】
スペクトルデータの較正用基準を持つために基準光源８が設けられており、これはたとえばヘリウム−ネオン・レーザであり得る。この基準光源８からの光もまた、多モード・ファイバによってＭＥＭＳ７へと導かれる。ＭＥＭＳブロック７はミラー６に面した側の反対側に、基準光用の第２の格子２４を備えている。この多モード・ファイバからの光はこの第２の格子２４の上へ導かれ（図１１参照）、反射光は別の多モード・ファイバ内に結合され、参照検出器５へと導かれる。
【００３７】
参照検出器５により収集されたスペクトルデータは、検出器４に関して上に述べた方法に類似した方法で処理されるが、検出器４からのデータとの直接的な積算あるいは結合も可能である。試料光用の第１の格子１１と基準光用の第２の格子２４は一体化された機械ユニットとして実現できるため（下記参照）、この基準は大変効率的かつ安定的に使用される。
【００３８】
図７はミラー９方向へ眺めた詳細ではあるが単純化された（基準光ビームがない状態）図を示している。ミラー９は非常に独特の反射面を有していることを認識することができるが、下記に詳しく述べる。
【００３９】
反射面は非対称であり、それ故さらなる議論のために座標系が定義されるべきであり、この座標系では、ｙ軸は格子前面の主たる線の方向に実質的に平行である。楕円型ミラー表面の長い主軸はこのｙ軸と平行な位置にあり、ＭＥＭＳからミラーへの光ビームの平均進行方向（ｚ軸方向）とｙ軸で定義される平面はサジタル光学平面とも呼ばれる。
【００４０】
ｙ軸に直角な軸としてｘ軸があるが、ｘ軸はミラー表面の短い主軸方向に平行である。ＭＥＭＳからミラーへの光ビームの平均進行方向とｘ軸で定義される平面は通常接平面と呼ばれる。
【００４１】
フーリエ変換分光計において、マイケルソン干渉計の原理や類似の光学構成（トワイマン−グリーン（Ｔｗｙｍａｎ−Ｇｒｅｅｎ）干渉計のような）が使用されることが極めて多い。ラメラー格子干渉計は通常１００μｍを越える波長で使用されるが、これはそれらの領域で効果的なビーム・スプリッタが無いからである。さらに、これらの波長未満ではラメラー格子干渉計は使用されないが、これは通常の／既知の機械加工技術を用いる大半の機械工場にとって、ラメラー格子干渉計の製造仕様が高すぎるからである。
【００４２】
格子を形成するミラーの製造はＭＥＭＳ技術、正確にはＳＯＩ技術で行われる。全体のＭＥＭＳ素子およびアクチュエータもＳＯＩウェハの深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により製造される（参照文献８参照）。ミラーの前面は、たとえば、ＡｇまたはＡｕの蒸着によりコーティングすることができる。
【００４３】
ＳＯＩに基づく櫛歯駆動アクチュエータ（以下も参照のこと）の使用は波長５μｍ未満のラメラー格子干渉計の使用を可能にする。
【００４４】
簡潔な表現で、図８にＭＥＭＳ要素を示す。実際のＭＥＭＳ要素７は保持具６上に固定される。ＭＥＭＳ７は実際の格子１１からなっており、これは光を反射し、最終的にその光をそのスペクトル成分に間接的に分離させるために用いられる。
【００４５】
格子１１は、交互に配列された小さな静止ミラー（参照番号１２，基礎部に固定されるか基礎部の一部である）と可動ミラー（参照番号１３）との列からなる。可動要素１３は格子１１のミラー側と反対側にフォーク１４を形成するように結合される。
【００４６】
このフォーク１４は光の主な伝搬方向に平行な方向、すなわちＺ軸に沿ってフォーク１４を移動可能にするサスペンション１５上に吊り下げられる。この目的達成のために、フォークは中心軸素子２０を備え、該要素は図８に示すように、平衡状態にあるｚ位置からの復元力を作り出すバネ要素１９の手段で静止した基部に接続される。バネ要素の領域１９における材料の強度と品質は、以下でより詳細に論じるように、共振モードに必要とされる復元力を導くように選択される。
【００４７】
それに加えて、ＭＥＭＳは格子１１のフォーク１４を駆動するための手段を備える。駆動は静止部分との静電的な相互作用により引き起こされ、この目的のために、静止した櫛状部とそれに連動した可動櫛状部とを備える駆動櫛歯アクチェータ１６が設けられ、この可動櫛状部は全体のフォーク素子１４に接続しているかその一部分を形成する。
全体のユニットの駆動は、２つの櫛状素子（詳細は以下を参照）の間に交流の静電ポテンシャルを設けることにより引き起こされるため、容量性の駆動が用いられる。
【００４８】
格子領域中の光路を図９の透視図に示す。多モード・ファイバ１７は、ＭＥＭＳ保持具６の底面内の対応する凹部、またはスロット、または穴の中に保持される。この入力ファイバにより放出された光はミラー９に向かい、反射され、同時にコリメートされ、格子１１上に集束される。
【００４９】
格子の要素の静止部分に対する可動部分の位置に依存して関連付けられる干渉により、格子１１によって反射された光は同一のミラー９へ向かって再び反射されるが、該ミラーは、ＭＥＭＳ保持具６の底面の凹部／スロット／穴の中にもはめこまれた第２のファイバ１８の上に、この反射された光を反射し、コリメートし、集束するように設計されている。
【００５０】
この第２の多モード・ファイバ１８は、好ましくは第１のファイバ１７に平行に位置しており、第１のファイバにも、より隣接してもよい。図９に示すように、２つのファイバ１７および１８は、好ましくは格子１１のＹ軸方向における延長部に対して対称に位置している。
【００５１】
図１０はフォーク１４の異なる位置の詳細部と同時に、ＭＥＭＳ要素７の他の実施形態を示す。この場合、サスペンション１５は素子の格子側に対して反対側に設けられる。全てのフォーク１４はこのサスペンション１５上に吊り下げられ、基本的に素子の底面からわずかな間隔で自在に揺動し、この間隔は典型的には１〜３μｍの範囲である（？？乞ご助言？？）。
【００５２】
実際の格子とサスペンションとの間には、この場合、２つの非対称構造の櫛歯駆動アクチェータ１６ａおよび１６ｂが設けられている。この２つのアクチェータ１６ａおよび１６ｂは見かけ上それらが自己補償的になるように設計されている、すなわち、Ｚ軸に沿った動作が開始されると、これら２つの櫛歯駆動アクチェータの１つが収縮し、同時に他のアクチュエータでは、２つの櫛歯駆動アクチェータは遠ざかる。
【００５３】
この状況は、図１０ｂ）とｃ）に具体的に見ることができる。図１０ａ）に平衡位置、すなわちフォークに作用する力がなく、フォークの前面１３が格子の静止要素１２と実質的に一列になったときの状況を示し、図１０ｂ）にフォークがほぼ最大限に収縮した状況を示す。この場合、バネ要素１９が圧縮され、その結果、ミラー９の方向に復元力が生じることが分かる。同時に、この第１の櫛歯アクチェータ１６ａはその伸張位置にあり、一方、第２の櫛歯アクチェータ１６ｂはその収縮位置にある。
【００５４】
他方、図１０ｃ）はフォーク１４の前面１３が格子１１の静止要素１２の間へ突き出るような、フォークが実質的に最大限伸張した位置にあるときの状況を示している。この状況では、第１の櫛歯アクチェエータ１６ａは完全に収縮し、一方、第２の櫛歯アクチェエータ１６ｂはその伸張位置にある。
この２つのアクチェータ１６ａ及び１６ｂの反対の動きによって、フォーク１４の駆動における非線形性等が最小化され得る。
【００５５】
ＭＥＭＳ要素７のさらに別の実施形態が図１１に正面図で示されている。この場合、図６に図式的に示される基準光ビームが試料光ビーム用の面と反対側の面から同一のＭＥＭＳ要素７へ導かれることが可能である。
【００５６】
この具体的な場合では、ミラー９から反射された光ビームに用いられる第１の格子１１がＭＥＭＳ素子の一方の側に存在する。他方の側に第２の格子２４が設けられており、該格子は基準光ビームのために使用される。２つの格子１１および２４の各フォークは一体ユニットとして与えられ、１５ａ〜１５ｄの４箇所で吊り下げられる。これらの懸垂点のそれぞれには、バネ状の素子１９ａ〜１９ｄが設けられている。
中心には、２つの非対称構造の櫛歯アクチェータ１６ａおよび１６ｂが設けられている。
【００５７】
図１１には、このような装置の可能な寸法も示されている。ｙ方向において、全素子またはそれを支持する支持具はａ＝７５００μｍの全幅を有し、格子はｃ＝３２００μｍの幅を有してもおり、ｚ方向において、４８５０μｍの範囲内の深さが可能である。ｘ方向において、格子は約７５μｍの範囲内の高さを有し、格子は５０〜２００μｍ、この具体的な場合では１００μｍの格子周期であり、４００ｎｍまでの波長を分離可能にする。
【００５８】
一般に、１２０μｍの範囲内での平衡位置からのフォークの変位は可能である。これによって約２４０μｍの光路差ＯＰＤがもたらされる。しかし、１ｍｍまでのＯＰＤは可能である。
【００５９】
この実施形態へのキーはミラー９の実際の設計であり、これは装置全体の小型化の増進を可能にする。
光学部品は、２つの主要な機能性を実現しなければならない。
・平面波頭の形成（格子１１の方向）
・ＭＥＭＳ形状へのエネルギー分布の適応
他方、ラメラー・フーリエ分光計の原理により、以下のような制約が出現する。
・回折次数の分離可能性
・全体のＭＯＥＭＳの動作領域にわたる最小の損失
【００６０】
一般に、ビーム整形は最先端の技術に応じて、いくつかの光学要素（ミラーまたはレンズ）で行われる。この記述は、この場合のように低価格で凹凸が大きい構造が望まれる場合、特にあてはまる。一般に、個々の光学要素は平面状あるいは球面状の面で形成される（製造が簡単であるため）。これらの光学部品は順次配置され、球面収差および色収差のような一般的な光学収差を補償するように選択される。高価格にする余裕がある場合、非球面状の形状（非球面形状と呼ぶ）が光学素子として使用される。
【００６１】
しかし、このような部品の製造は簡単ではない。なお、この光学要素は通常、形状の種類を制限するような軸対称（伝搬方向に平行な軸）である。
小型の光学要素（２〜５ｍｍ）を考えたとき、いくつかの軸対称を持つ非球面形状は複雑になる。この特別の場合、放物線形状要素が結合した球面を必要とする（以下参照）。
提案された手法の特別な利点を以下に列記する。
・ビーム整形は単一の光学要素まで削減される。
・この構成は以下の項目を削減する。
ａ）組立許容公差
ｂ）寸法
ｃ）原価
・このミラーは光学収差（球面収差および色収差の両方）を低減させる。
【００６２】
図１２は大局的な概念を示す。ＭＥＭＳと光源は重畳されている。ミラー９は、光が検出用ファイバ１８に再結合できるように向いている。
【００６３】
ＭＥＭＳ７の格子１１の形状は３．２ｍｍ×７５μｍの寸法を有する長方形である。光源（ファイバ１７の出力）のエネルギーは格子１１の表面上へ完全に送られるべきである。すなわち、この光学系は非点収差にならなければならない。サジタル平面（ｙ−ｚ平面）で光線はコリメートされなければならない。接平面（ｘ−ｚ平面）内で、Ｍ＝１での像形成が実現されなければならない。すなわち、ミラー９の焦点距離は以下であるべきである。
ｆｘ＝ｄ
ｆｙ＝ｄ／２
ここで、ｄは光源（格子およびファイバ１７、１８）とミラー９との間の距離である。
光源（１７および１８）の開口数（ＮＡ）に依存して、長さｄすなわちｆｘはＸ軸方向に３．２ｍｍのビーム寸法を得るために、選択されなければならない。
ｆｘ〜３．２／（２ＮＡ）
【００６４】
回折次数の分離可能性：信号のコントラストを最大化するために、０次数の回折ピークが分離されなければならない。光源の寸法ａおよびミラーの周期性Λに関連して、焦点距離ｆｘは重畳を避けるために十分大きく選択されなければならない。
所与の波長λにおいて、以下が求められる。
ｆｘ＜＝ａΛ／λ
次の数値と使うと（最悪の状況λ＝４００ｎｍにおいて、ａ＝５０μｍ、Λ＝1００μｍ）、以下の関係式が成り立つ。
ｆｘ＞＝２５０ａ＝１２．５ｍｍ
【００６５】
損失：ミラーの半数が動く事実により、これらのミラーの位置は、意図した鏡像面（照明の場合）または物体面（ファイバ・カップリングの場合）と対応しないであろう。これは可動ミラーからファイバまで反射された光の量が位置によって変わることを意味する。この結果は、信号のコントラストの低下につながる。
ミラーの位置に関して２つの異なる側面が関与する。
・照明変動
・ファイバ結合効率
【００６６】
照明変動は２つの表面１２と１３の位置の変動に伴う照明領域の変動に基づいている。この場合、効果は一方向のみに働く（非点収差系）。
【００６７】
ファイバ結合効率。ＭＥＭＳ要素の表面１２および１３から反射された光は検出ファイバ１８上に結像される。理想的な物体面は固定ミラーの位置に配置される。可動ミラーの場合に物体面は変化し、それぞれの鏡像面も変化する。その結果ファイバ上の像は鮮明さを失い、これは損失を意味する。
【００６８】
ミラー・デザイン
サジタル平面
近軸近似：最初に点光源を有する近軸の軸上光学系を導入する。ビームをコリメートするために、ミラーの焦点距離の条件は下記の通りである。
ｆ＝ｄ
ここで、ｄは光源１７とミラー９との間の距離である。焦点距離は曲率半径に対して次式により求められる。
ｆ＝Ｒ／２
半径に対して次式が得られる。
Ｒ＝２ｄ
【００６９】
球面収差補正：球面収差を避けるために（軸上光学系に唯一存在する収差）、ミラーの曲率は半径ではあり得ない。フェルマの原理を使うと、完璧な曲線は次式で定義される放物線である。
ｚ＝αｙ２
【００７０】
この曲線の近軸近似が直前の段落に述べられた半径を与えることを知った上で、（リバース・エンジニアリング）を行うことにより、近軸曲線から放物線曲線に戻ることができる。この半径の関数表現は次式である。
ｚ＝Ｒ−ｓｑｒｔ（Ｒ２−ｙ２）
１次のテイラー展開をすると、次式が得られ、
ｚ≒１／（２Ｒ）ｙ２
次いで、αは次式で得られる。
α＝１／（２Ｒ）＝１／（４ｆ）
【００７１】
接平面
この接平面内で、光源はＭＥＭＳの格子表面上に再集束されなければならない。光源１７をＭＥＭＳ格子の直下に位置決めすることにより、物体−ミラー間の距離とミラー−ＭＥＭＳ間の距離とは等しくなる。これは倍率Ｍ＝１を与える。これはそれ自身に点光源を結像させる完全なミラー曲線がR＝ｄの半径を有することにつながる。この曲線から収差は全く生じない。
【００７２】
現在の状況では、以下のパラメータを選択可能である。
・ｆ＝１５ｍｍ：ミラーの焦点距離
・ａ＝０．０５ｍｍ：光源寸法および検出寸法
・ｈ＝０．０７５ｍｍ：ＭＥＭＳの高さ
・Ｄ＝６ｍｍ：開口絞りの直径
【００７３】
前述のように収差は全く生じないであろう。回折限界が実現される。光学系の開口のみが点広がり関数を制限する。軸上面（ｘ=０，ｙ=０）の場合の曲線は基準回折限界曲線上に完璧に重なる。
【００７４】
ＭＥＭＳと光源の光軸は一致する。発光ファイバ１７と受光ファイバ１８は互いに近接して搭載される。この場合、系はもはや軸上にはないであろう。光軸に対して光源からの座標はｘ＝０．１、ｙ＝０．２となるように選択される。収差は生じる。曲線はもはや回折限界曲線に重ならない。これらの影響は「焦点ぼかし」によって部分的に改善され、これは光源−ミラー間の距離を変えることを意味する。この方法により回折が発生しない状況を実現できる。
【００７５】
ミラー９について上記の計算された形状を用いると、図１３に示すような光路が得られる。図１３  ａ）に底面図が示されており、本図においてファイバ１７によって放出された光を格子の幅全体にコリメートし、反射された光を検出ファイバ１８の上に再集束させるために、ミラー９の形状のｙ方向は放物線状であるように選択されなければならないことが分かる。
【００７６】
図１３  ｂ）に示された接平面において、ミラー９の形状が真に放射形状であれば、ファイバ１７からの光を格子上に集束させ、また逆行させるのに十分である。
この点において、一方向（ｘ軸）において真に放射状の形状を有し、他方、直交する方向（ｙ軸）において放物線状の曲率を有するミラー９を実際にどのようにして製造するのかという疑問が生じる。
【００７７】
今日では、一般に材料は旋削、研削、および／または研磨によって形成される。これらの方法の全ては光学品質の要素を製造するのに適していないし、１つ以上の固有の（光軸に沿った）軸対称を有する要素を製造可能にもしない。
【００７８】
ここでのアイデアはダイアモンド工具で平削り加工を用いるものである。この技法は上記で論じたミラー形状のような様々な形状を製造可能にするため、注目される。その上、表面の品質は市販の光学素子と同等である。従って、ラメラー格子干渉計専用のミラーを製造するために、速くて安価な方法が使用できる。
【００７９】
このようなミラーを製造するためのこのような可能性を図１４に表示する。ｘ方向で放射状曲面に相当する端部を有する特殊なダイモンド平削り工具２６が考案されている。本工具２６はｙ方向に沿って図１４  ｂ）の１から３の各段階に表示された軌跡に沿って順次導かれ、ここで工具２６の下降とそれに続く上昇運動はサジタル曲面に必要なｙ−ｚ平面で放物線状の曲率に追随する。
【００８０】
通常フーリエ変換分光計では、測定は（ａ）ステップバイステップ・モードまたは（ｂ）連続高速走査モードで行われる。モード（ａ）では、測定はより正確であるが、長い記録時間が必要である。モード（ｂ）では、測定時間はより短く、ミラーは連続的に走査される。一般に、モード（ａ）は高解像度の測定に用いられ、モード（ｂ）はやや解像度は低いが高速の測定に用いられる。走査モード（ｂ）の連続性は共振モードを意味しない。その理由は最先端の技術によって駆動されるミラーは関心のある共振周波数（１００Ｈｚ以上）を得るには大きすぎる質量を持つためである。関心のある共振周波数は走査範囲の拡大（共振特性による）、早い測定時間、余裕を持って乗り越えられる振動（１００Ｈｚで移動する１００ｇのミラーは系全体に有害な揺動／振動を引き起こす）を意味する。
【００８１】
フーリエ変換分光計において、上述の議論の他に、下記の理由により共振は必要とされない。
（１）１００Ｈｚより速い速度は利点ではない
（２）検出器はこのような高い周波数に相当する光変調を記録するほど十分速くない
【００８２】
論点（２）は２μｍを超す波長の場合にあてはまる。実際、高速走査ミラー（１００Ｈｚ以上）によって生成された光変調は１から５ＭＨｚ（帯域通過）程度の高周波になり得る。２μｍを超す波長の場合、良好な感度と良好な帯域通過を共に実現する検出器を有するのは極めて難しい（信号対雑音比が低下）。したがって、一般的にフーリエ変換分光計は２μｍを超す波長でのみ操作される。
【００８３】
モード（ａ）で操作されるＳＯＩに基づく櫛形駆動素子において、横方向の機械的な不安定性のために長い移動距離は容易に実現できない（すなわち、静電的な櫛は互いに絡み合う傾向があるためである）。
【００８４】
上記を考慮して関心のある共振周波数を実現するために、本発明の追加的なアイデアは走査ミラー１３／１４の小さな質量を有効利用することにある。小さな質量はこの製造技術のために実現される（シリコン微細技術は超小型部品の構築を可能にする）。共振効果に固有な安定性から利点を得るためと、短い測定時間を達成するために、共振周波数が１００Ｈｚを超えるような方法で走査ミラーが設計される。その上、装置が共振しているため、最大走査距離は同じ印加電圧で大幅に増加した。
この点において、駆動のための印加電圧と実現可能な分解能に関する以下の相関が着目される。ＨｅＮｅレーザのスペクトルを考慮されたい。
【００８５】
図１５  ａ）（ステップバイステップ・モード）は光路差が１０μｍであり、印加電圧が１０Ｖである。
図１５  ｂ）（共振モード、２００Ｈｚ）は光路差が１００μｍであり、印加電圧はまた１０Ｖである。
【００８６】
ステップバイステップ・モードと共振モードとの間で同じ印加電圧にした場合で分解能が１０倍増加したことが分かる。実際、走査ミラーで達成可能な光路差の最大値（ＯＰＤｍａｘ）の増加により、分解能は改善される。
分解能：δλ＝λ２／ＯＰＤｍａｘ
【００８７】
さらに、共振状態で実現される最大走査距離を増加させるために、装置は真空中で駆動される可能性がある。この方法の特徴は、寸法が数十μｍまで小型化されたとき無視できない空気との摩擦から生じる減衰効果を低下させることである。
【００８８】
ＳＯＩに基づく櫛歯駆動を考えたとき、共振状態での駆動は容易に実現される。さらに、極めて小型の構造物を特に関心のある周波数で動かすことは自然な方法に対応する。事実、特定の電子回路はこのような櫛歯駆動アクチェータを効率的に作動させる（下記参照）。可動構造物の重量が小さいために、構造物の移動によって全体的な振動は生じない。
【００８９】
波長が２μｍ未満の場合、標準的な光ダイオード検出器が使用可能である。該検出器は（５ＭＨｚまでの）高周波数変調の記録を可能にするために必要な帯域通過特性を有する。このことは回折格子を基本とした分光法の代わりにフーリエ変換分光法の使用を可能にする。
長い距離の走査は共振を高めることよって実現できる。この状況は長い距離の走査での静電的な櫛歯間の絡み合いの問題を克服可能にする。
共振モードによってもたらされる移動の安定性は永続的なレーザ較正を回避可能にする。この共振モードは移動の精度を向上させ、ミラー位置の予備較正が可能になる。
この場合、フォーク１４の質量は１０−４〜１０−６ｋｇの範囲内で選択し、力定数は０．１〜１０００Ｎ／ｍの範囲内で選択する。
【００９０】
対応する共振周波数は容易に計算され、本実施形態における典型的な値は２００Ｈｚ前後である。これは１／２００秒毎にスペクトルが記録され、信号対雑音比を極めて効率的に高めるために、信号の平均化が実施可能である。
【００９１】
櫛歯駆動アクチェータにおける静電容量測定は、
（ａ）静電容量測定のためのみに用いられ、駆動用には用いられない追加のアクチェータ
または
（ｂ）静電的に駆動されないアクチェータ（たとえば、加速度計）
を用いて行うことができる。
【００９２】
ＭＥＭＳベースのアクチェータを共振させるために特有な回路が開発されている。ステップバイステップ駆動は高電圧で作動する複雑で安定な回路を必要とする。
ここで提案された共振駆動用の回路に関する新規なアイデアは、アクチェータを共振させる回路と共に静電容量を測定する能力を用いることである。
特別な利点は以下の通りである。
・回路の単純さ
・低電圧が用いられ、その結果、ＵＳＢプラグで供給される５Ｖ出力が利用可能
・予備較正で考慮されない発生し得る移動歪を補償するために、ミラーの位置が正確に監視される
【００９３】
基本的な目的は、図１６  ａ）に示す電圧制御発振器３０を調整することによって櫛歯駆動アクチェータを共振させることである。フィードバック（３０の制御用に用いられる）は励起信号と櫛歯駆動アクチェータ要素の変位との間における位相を監視することにより得られ、該変位は櫛歯駆動アクチェータ素子３１で与えられる（下記参照）。共振周波数では、この位相のずれは−π／２である。この点は動作点として用いられる。位相は位相弁別器を用いて測定される（図１７における参照番号３７を参照）。
【００９４】
共振周波数でＭＥＭＳ７を駆動させると、ＭＥＭＳは最大振幅で振動する。これによって最高の分解能が得られる。図１６  ｂ）は光学系の基本的な信号の流れを示す。光学系の主要部分はＶＯＣ（電圧制御発振器）で、これはＭＥＭＳを共振周波数で励起する矩形信号を発生し、この部分は駆動部と見なされる。
【００９５】
２００ｋＨｚの発振器がＭＥＭＳの位置測定に必要である。位相比較器１は微分器によって生成される位相シフトを用いて位置を測定し、位置に比例する信号を出力する。この位相シフトは移動するＭＥＭＳの位置により与えられる静電容量の関数である。
【００９６】
両方の信号は単一のＭＥＭＳを駆動させるために加算されなければならない。これは加算器で行われる。矩形波が正弦波に加算される以前に、静電容量測定の擾乱を避けるために、矩形波はローパス・フィルタでろ過されなければならない。これにより２５０Ｈｚを超す全ての周波数が除去される。得られる信号は、２００ｋＨｚの正弦波が重畳された２１７Ｈｚのろ過矩形波である。この信号はＭＥＭＳ、より具体的には、ＭＥＭＳ７中のフォーク１４と付属部品を励起する。
【００９７】
このＭＥＭＳは２００ｋＨｚの発振器と比較される信号を発生するする微分器の一部分である。これら２つの信号間の位相差出力（位相比較器１）はＭＥＭＳのフォークの現在位置を与える。この電圧信号はＶＣＯと同じ周波数で振動する。
【００９８】
共振系の伝達関数はπ／２の位相シフトを持つ。ＭＥＭＳのフォーク１４が共振周波数で確実に揺動するためには、位相比較器１によって得られた信号と駆動信号との間の位相シフトはπ／２でなければならない。追加の位相比較器２がこの位相シフトを測定し、ＭＥＭＳをその共振周波数に保つようにＶＣＯの振動数を調節する。
【００９９】
２００ｋＨｚ発振器
このブロックは、２００ｋＨｚの振動数に固定された正弦波を発生する。
ｆｃ＝２１７Ｈｚの電圧制御発振器（ＶＣＯ）
中心周波数ｆｃはＭＥＭＳのフォークの共振周波数にほぼ近い２１７Ｈｚに設定されるべきである。正確な周波数は位相比較器２から出力されるフィードバック信号によって調整される。ＶＣＯ信号は正弦波、三角波、矩形波のいずれかである。高周波成分を除去するために、正弦波を発生するＰＬＬが見つかる場合を除いて、ＶＣＯの出力にローパス・フィルタが付加されなければならない。
【０１００】
ローパス・フィルタ（ＬＰ）
微分器からの出力信号にピークを持たせないために、ＶＣＯから出力される矩形波をろ過しなければならない。このフィルタのカットオフ周波数は微分器から出てくる信号のピークができるだけ小さくなるような方法で選択される。この信号は次のブロックで乗算され、必要な振幅にまで調整されるため、減衰は通常問題にならない。シミュレーションに基づけば、このフィルタは少なくとも２次のローパスである。
【０１０１】
乗算器および加算器
このブロックにおいて、ＬＰから出力される駆動信号と正弦波が異なる係数を乗算され、加算される。この乗算により、正弦波が微分器を飽和させないような方法で、２つの信号の振幅が調整可能である。微分器の伝達関数は位相シフトが０に相当する周波数を持つ信号を増幅するため、普通は正弦波が小さく、矩形波が大きい。
【０１０２】
ＭＥＭＳから微分器
加算器ブロックから出力される信号はＭＥＭＳのフォークを直接駆動する。ＭＥＭＳフォークの慣性モーメントは一種の機械的なローパス特性を示すため、小さな振幅で高周波の正弦波はフォークの動きに全く影響しない。この矩形波は２１７Ｈｚ前後でＭＥＭＳを駆動する。
ＭＥＭＳの静電容量は微分器を構成するための構成要素として用いられる。振幅の最大値は抵抗器とコンデンサとの組合せによって設定される。
【０１０３】
このコンデンサはＭＥＭＳにより決まるため、この伝達関数を調整する唯一の方法は抵抗値である。２００ｋＨｚでの位相シフトはゼロである。ＭＥＭＳの移動により静電容量が変化すると、伝達関数が変化し、それ故、２００ｋＨｚでの位相シフトも変化する。これにより静電容量と２００ｋＨｚでの位相シフトとの比例関係が得られる。静電容量が移動量に比例するため、これは位相シフトと移動量との間の比例関係へ導く。
この位相シフトは位相比較器１で測定される。
【０１０４】
この微分器に関する第２の関心事項はより低い周波数の減衰である。これは方形波をほぼ除去する。それ故、この微分器から受信される信号は位相シフトを持つ正弦波であり、この位相シフトはＭＥＭＳの位置に応じて変わる。電気的な制約により、この正弦波は、後のハイパスにより除去され得る直流オフセットを有する可能性がある。
【０１０５】
ハイパス（ＨＰ）
このハイパスは直流オフセットをろ過して除去するために必要である。信号に大きな位相シフトを付加しないため、３ｄＢの周波数は十分低く設定されるべきである。
【０１０６】
位相比較器１
ここで、任意に選択された正弦波はブロック内で発生される正弦波と比較可能である。結果は駆動信号の周波数で振動する信号になるべきである。システムが正確に較正されると、ＭＥＭＳが中央部分を通過するときに信号がゼロになる。
【０１０７】
位相比較器２
位相比較器１から出力される信号と駆動用の矩形波を比較することにより、ＶＣＯにフィードバックされ得る新たな信号が発生される。９０°の位相シフトはＭＥＭＳが共振状態で振動しているという信号である。
【０１０８】
可能な実現
２００ｋＨｚ発振器
正弦波の発生はＸＲ８０３８（ＥＸＡＲ社、米国）で行われる。この部品は必要な周波数で発振するために、追加的な外付け部品を介して構成される。
【０１０９】
ｆｃ＝２１７Ｈｚの電圧制御発振器（ＶＣＯ）
矩形波用として、ＸＲ２２１２が使用可能である（ＥＸＡＲ社、米国）。この部品はＶＣＯと位相検出器を含む。
【０１１０】
ローパス・フィルタ（ＬＰ）
フィルタ構成に関して種々の可能性を考慮する時、最初の疑問は微分器から発生するピークを可能な限り除去するために、どの程度の次数が必要であるかという点である。以下に述べるように、ハイパス・フィルタの後で純粋な信号を得るために、このフィルタのｆｃは２００Ｈｚに設定される。
【０１１１】
乗算器および加算器
両信号を１つにするために、２つの信号に適切な係数を乗算し、これにより両者は適切な大きさを持つことになる。この操作は加算器で電気的に実施できる。この構成において、加算器がこれらの信号に乗算処理し、それらを一つに加算する。この構成において、加算器は１８０°の位相シフトの加算も行う。
【０１１２】
ＭＥＭＳから微分器
仮想接地による負の直流オフセットが微分器に加えられ、この直流オフセットはＭＥＭＳの必要性に合わせるために−１６Ｖに固定されなければならない。この微分器は反転微分器であるので、信号に１８０°の位相シフトが加えられる。
【０１１３】
ハイパス（ＨＰ）
このＨＰは微分器で供給された直流オフセットを除去するために必要である。このＨＰとして受動的な１次のＨＰが適している。信号のピークを効果的に除去し、より良好な信号を得るために、上で述べたような２次の能動ローパス・フィルタが選択される。このようにすれば、信号のピークが全てろ過されて除去される。
【０１１４】
位相比較器１
ＸＲ−８０３８とＨＰの出力によって発生された高周波の正弦波に注目すると、位相シフトの存在に気付く。これらの２つの信号は位相比較器で比較される。この位相比較器で発生された信号はＭＥＭＳが移動する振動数で振動する。
【０１１５】
他の重要事項は櫛歯駆動アクチェータのミラー位置を見失わないことである。この位置は櫛歯駆動アクチェータの静電容量を監視することによって得られ、実際に静電容量とミラー位置は密接に関連している（また必要ならば較正が可能である、上記参照）。
【０１１６】
静電容量測定の原理は微分器３６の使用に基づく。微分器回路において、この静電容量は測定される櫛歯駆動アクチェータの３５の静電容量に対応する。電圧発振器３４は櫛歯駆動アクチェータを介して小さな信号を挿入する。この電圧発振器３４は回路の最大利得の周波数に近い周波数を持ち、回路では電気的な共振が発生しており、事実その周波数では、位相が静電容量の変動に最も敏感である。櫛歯駆動アクチェータの駆動に影響を及ぼさないために、実際には櫛歯駆動アクチェータの機械的な共振周波数より遥かに高い周波数で、電気的な共振周波数が選択される。その結果、３５からの入力信号と３６の出力信号との間の位相は静電容量の変化に従い変化する。位相測定部３７はこれらの変化を測定可能な信号３８に変換する。
【符号の説明】
【０１１７】
１  白色光源
２  コリメーション光学素子
３  試料キュベット
４  検出器
５  参照検出器
６  ＭＥＭＳ保持具
７  ＭＥＭＳ
８  基準光源
９  ミラー
１０  ＭＥＭＳ―ミラー間光路
１１  格子
１２  １１のうちの静止反射素子
１３  １１のうちの可動反射素子
１４  フォーク
１５  １４のサスペンション
１６  駆動用櫛歯
１７  ファイバ入口
１８  ファイバ出口
１９  バネ要素
２０  中心軸要素
２１  １７からミラーへの光ビーム
２２  ミラーから格子への光ビーム
２３  ミラーから１８への光ビーム
２４  反対側の基準用格子
２５  未加工ミラー・ブロック
２６  加工工具
２７  ２６の端部
２８  ミラーの放物線ｙ形状
２９  削り屑
３０  電圧制御発振器
３１  櫛歯駆動アクチュエータ素子
３２  位置測定
３３  位相検出
３４  発振器
３５  櫛歯駆動アクチュエータ
３６  微分器
３７  位相検出
３８  出力
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
添付図面において、本発明の好適な実施形態を示す。
【図１】ラメラー格子干渉計のおよそ図。入射波面はバイナリー格子の前面および後面で分割される。前面で反射されるビームと後面で反射されるビームとの間の光路差（ＯＰＤ）δは太線で示され、式（２）で与えられる。格子の回折角αと深さｄとの関数であるＯＰＤδは距離ＡＢ、ＢＣ、およびＣＤの和である。
【図２】ラメラー格子の回折パターン強度Ｉ（式１を参照）。強度Ｉは、明細書中で説明した３つの要素Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の積である。実線はφ＝Ｍ２πの位相シフトに対応し、破線はφ＝π＋Ｍ２π（Ｍは整数）の位相シフトに対応する。
【図３】ラメラー格子干渉計。固定ミラー（明るい部分）と可動ミラー（暗い部分）を識別できる。可動ミラーは静電櫛歯駆動アクチュエータにより駆動される。変位は線形である。製造技術と駆動原理は参考資料１，３，８に記載されている。
【図４】低圧キセノンアーク・ランプの記録されたインターフェログラムとＯＰＤゼロを示す拡大図。
【図５】上は図４に示すインターフェログラムから算出したパワー・スペクトル。            下はスペクトル分解能０．５ｎｍのモノクロメータで測定した同じランプのスペクトル。
【図６】ミラーを使用した他の実施形態のおよそ的な斜視図。
【図７】図６の装置を別角度から見た斜視図。
【図８】ＭＥＭＳのおよそを簡潔に表す図。
【図９】格子での照射条件のおよそ斜視図。
【図１０】異なる状態、すなわちａ）平衡状態、ｂ）完全に引っ込んだ状態のフォーク、ｃ）完全に伸びた状態のフォーク、におけるＭＥＭＳのおよその透視図。
【図１１】２つの対抗する格子を有するＭＥＭＳの上面図。
【図１２】ＭＥＭＳ要素に関するミラーの位置のおよそ的な表現で、ａ）正面図、ｂ）側面図。
【図１３】図１２に関する配置における光の通路のおよそ的な表現で、ａ）底面図、ｂ）側面図。
【図１４】ミラーの可能な製造プロセスのおよそ的な表現で、ａ）透視図的な表現、ｂ）ｘ方向から見た個々の段階。
【図１５】Ｈｅ／Ｎｅレーザに関して示された印加駆動電圧についての可能な分解能で、ａ）ステップバイステップ式、ｂ）共振モード。
【図１６】格子の駆動回路で、ａ）模式的な基本線図、ｂ）詳細な線図。
【図１７】格子の位置を得るための回路のおよそ図。
【図１】
2008503732.tif 000006
【図２】
2008503732.tif 000007
【図４】
2008503732.tif 000008
【図５】
2008503732.tif 000009
【図１２】
2008503732.tif 000010
【図１３】
2008503732.tif 000011
【図１４】
2008503732.tif 000012
【図１５】
2008503732.tif 000013
【図１６】
2008503732.tif 000014
【図１７】
2008503732.tif 000015
【図３】
2008503732.tif 000016
【図６】
2008503732.tif 000017
【図７】
2008503732.tif 000018
【図８】
2008503732.tif 000019
【図９】
2008503732.tif 000020
【図１０】
2008503732.tif 000021
【図１１】
2008503732.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成19年5月21日(2007.5.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームをコリメートする第１の手段と格子上に光ビームを集束させる第２の手段とを備えるラメラー格子干渉計であって、光ビームを前記格子上に集束させるために、単一のミラーが前記光ビームをコリメートするために使用されるラメラー格子干渉計。
【請求項２】
ラメラー格子干渉計上に光を結合させるためと、その後スペクトル検出用としてラメラー格子干渉計からの反射光を収集するために、同一のミラーが使用される請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
好ましくは多モード・ファイバの形の光源が格子の列の実質的に真下あるいは真上に置かれ、好ましくは前記の列に関して可能な限り中心をなし、かつ格子から反射され、ミラーによって集められた光が多モード・ファイバに結合され、好ましくは前記の光が格子の列の実質的に真下あるいは真上に位置し、好ましくは前記の列に関して可能な限り中心をなす請求項２に記載の干渉計。
【請求項４】
ミラーが格子から距離ｄの位置に置かれており、Ｚ＝（１／２）×ｙ2／Ｒで定義され
る球面収差を避けるために、サジタル面においてミラーがおよそｆ＝ｄの焦点距離で、およそＲ＝２ｄの曲率半径を有しているか、あるいは放物面の湾曲を有している請求項２または３に記載の干渉計。
【請求項５】
ミラーが格子から距離ｄの位置に置かれており、Ｚ＝（１／２）×ｙ2／Ｒで定義され
る球面収差を避けるために、サジタル面においてミラーがおよそｆ＝ｄの焦点距離で、およそＲ＝２ｄの曲率半径を有しているか、あるいは放物面の湾曲を有している請求項２から４に記載の干渉計。
【請求項６】
前記ミラーが格子から距離ｄの位置に置かれており、かつ接平面内でミラーがおよそＲ＝ｄの曲率半径を有する請求項４に記載の干渉計。
【請求項７】
光ビームをコリメートする第１の手段と、格子上に光ビームを集束させる第２の手段とを備えたラメラー格子干渉計であって、分析のためにプローブから収集された光がコリメートされ集束される少なくとも１つの第１の多モード・ファイバが設けられており、その
後に前記光を格子上にコリメートし、集束させるため、かつ格子から反射された光をコリメートし集束するための単一のミラーが設けられており、格子から反射された光であって、コリメートされ、集束された光を検出器に導くために結合される第２の多モード・ファイバが設けられており、ミラーに面する両端部において、優先的には第１および第２の多モード・ファイバが実質的には互いに平行に配置されており、かつ好ましくは格子の列の真下あるいは真上で互いに接しており、かつ前記格子に対して中心に配置されているラメラー格子干渉計。
【請求項８】
光ビームをコリメートする第１の手段と、格子上に光ビームを集束させる第２の手段とを備えたラメラー格子干渉計であって、光ビームが格子上に実質的に直線形状で集束されるラメラー格子干渉計。
【請求項９】
干渉計が単一のシリコン基板を用いるＭＥＭＳ技術に基づいており、等間隔配列された反射要素の直線的な列を備え、前記反射要素の半分は静止しており、半分は前記列の方向に実質的に垂直な方向に移動可能である前記請求項のいずれかに記載の干渉計。
【請求項１０】
格子の周期は２〜１０００μｍの範囲、好ましくは１０〜２００μｍの範囲、最も好ましくは５０〜１２０μｍの範囲にある請求項３に記載の干渉計。
【請求項１１】
少なくとも２つのレンズが用いられ、これらの少なくとも２つのレンズのうちの第１のレンズは光ビームをコリメートするために用いられ、これらの２つのレンズのうちの第２のレンズは前記光ビームを集束するために用いられる請求項８から請求項１０のうちの一項に記載の干渉計。
【請求項１２】
前記第２のレンズは円柱レンズである請求項１１に記載の干渉計。
【請求項１３】
干渉計が接平面内で１０〜５００μｍの範囲、好ましくは５０〜１５０μｍの範囲の高さを有する等間隔に配列された反射要素の直線的な列を備える前記請求項のいずれかに記載の干渉計。
【請求項１４】
格子の移動可能な反射要素がフォークの形状で設けられており、静電力によって駆動され、かつ好ましくは１０−４〜１０−６ｋｇの範囲の質量を有する前記請求項のいずれかに記載の干渉計。
【請求項１５】
フォークが実質的にその共振周波数で振動するように駆動される請求項１４に記載の干渉計。
【請求項１６】
フォークが０．１〜１０００Ｎ／ｍの範囲の力定数で自在に吊り下げられている請求項１５に記載の干渉計。
【請求項１７】
共振周波数が１００〜４００Ｈｚの範囲、好ましくは１５０〜２５０Ｈｚの範囲にある請求項１５または請求項１６に記載の干渉計。
【請求項１８】
フォークの縦変位が１０〜１０００μｍの範囲、好ましくは５０〜３００μｍの範囲、最も好ましくは１００〜２００μｍの範囲にある請求項１５から請求項１７のうちの一項に記載の干渉計。
【請求項１９】
好ましくは第１の格子に機械的に結合した第２の格子が較正用に設けられ、前記第２の格子は基準光源で照射される前記請求項のいずれかに記載の干渉計。
【請求項２０】
第１と第２の格子の可動部分が微細機械部品の一体型要素として設けられており、第１の格子が前記部品の第２の格子の反対側に面しており、かつ移動可能な一体型要素の静電的な変異のために、格子間にフォーク状の要素が対称的に設けられている請求項１９に記載の干渉計。
【請求項２１】
前記請求項のいずれかに記載の干渉計の分光計における使用。
【請求項２２】
光がコリメートされた後に集束される前記請求項のいずれかに記載の干渉計で波長を分析する方法。
【国際調査報告】
2008503732.tif 000023
2008503732.tif 000024
2008503732.tif 000025
2008503732.tif 000026