(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が入射される固体状の透明媒質よりなるイマージョン回折格子であって、
全体形状は断面が三角形を形成する三角柱形状であり、
前記三角形の斜辺を形成する斜面に、前記三角柱形状の延長方向に沿って複数の溝を並行に刻設することにより格子を形成し、
前記斜面はミラー面であり、
前記溝の表面は全反射面またはミラー面であり、
前記透明媒質に入射された光が前記溝の側面において反射し、さらに前記斜面において反射し、前記溝の側面で再び反射するように設定した
ことを特徴とする反射型回折格子。
【請求項２】
請求項１に記載の反射型回折格子において、
前記透明媒質に入射された光が前記溝の二つの側面のうち前記斜面となす角が鋭角である前記溝の側面において反射し、さらに前記溝が形成された前記斜面において反射し、前記斜面となす角が鋭角である前記溝の側面で再び反射するように、前記側面における１回目の反射角と２回目の反射角との和の半値が前記側面と前記斜面とがなす角と等しくなるように設定された
ことを特徴とする反射型回折格子。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の反射型回折格子の製造方法であって、
ダイサーにより前記斜面に前記溝を複数並行に刻設する
ことを特徴とする反射型回折格子の製造方法。
【請求項４】
請求項１または２のいずれか１項に記載の反射型回折格子の製造方法であって、
レーザーアブレーションにより前記斜面に前記溝を複数並行に刻設する
ことを特徴とする反射型回折格子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型回折格子およびその製造方法に関し、さらに詳細には、大気環境学、天文学、地球惑星科学、気象学、化学、生物学あるいは医学などにおける各種の分光計測装置や分光分析装置、化学工業、食品製造あるいは衛生関連製品製造などにおける品質管理装置、光通信やレーザー関連機器などの通信情報分野などに用いて好適な反射型回折格子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気環境学、天文学、地球惑星科学あるいは気象学などの分野においては、２次元検出器の進歩により、撮像機能と分光機能との両方の機能を備えた多数の観測装置が開発されてきており、こうした観測装置においては、高い精度と高い効率とを備えた回折格子として、光路中を透明媒質で満たされた反射型回折格子であるイマージョン回折格子（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  ｇｒａｔｉｎｇ）が用いられている。
【０００３】
図１には、従来のイマージョン回折格子の概念構成説明図が示されており、このイマージョン回折格子１００は、固体状の透明媒質よりなり、その全体形状は断面が直角三角形を形成する三角柱形状を備えている。そして、直角三角形の斜辺を形成する斜面１００ａに、階段形状に格子が形成されている。
【０００４】
こうした従来のイマージョン回折格子１００においては、固体状の透明媒質として、例えば、高屈折率の結晶やガラス材を用い、これを研削加工あるいは研磨加工して階段形状の格子を形成していた。
【０００５】
ところで、上記したようなイマージョン回折格子１００は、真空中や透明媒質（気体、液体または固体）中で使用するものであるが、入射する光の波長が短くなると、研削加工あるいは研磨加工により階段形状に形成した加工面たる格子の表面の散乱による損失が大きくなるということが指摘されていた。
【０００６】
こうしたことから、光学的に性能を満足できる格子形状や反射面の表面粗度を備えたイマージョン回折格子１００を得るためには、粗加工、中間仕上げ加工、精密仕上げ加工といった多くの工程が必要であり、膨大な時間と労力を必要とするという問題点があった。
【特許文献１】国際公開第２００４／１１１６９３号パンフレット
【特許文献２】特開２００１−２４６５６１号公報
【非特許文献１】Ａ  Ｎｅｗ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ；ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ−ｃｍｓ．ｌｌｎｌ．ｇｏｖ／ｓ−ｔ／ｄｉｆｆ  ｇｒａｔｉｎｇｓ．ｈｔｍｌ（Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  ＨＰ、特許、文献情報あり）
【非特許文献２】分波導波路；ｈｔｔｐ：／／ｕｎｉｔ．ａｉｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ／ｏｐｔｇｌａｓｓ／＃ｔｈｅｍｅ（産総研ＨＰ、特許、文献情報あり）
【非特許文献３】紫外レーザーアブレーション微細加工技術；ｈｔｔｐ：／／ｕｎｉｔ．ａｉｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ／ｇｒｏｕｐ／ｌａｓｅｒｉｍｐ．ｈｔｍｌ（産総研ＨＰ、特許、文献情報あり）
【非特許文献４】Ｋ．  Ｏｋａ，  Ｎ．  Ｅｂｉｚｕｋａ，  Ｋ．  Ｋｏｄａｔｅ，  ”Ｏｐｔｉｍａｌ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｐｌａｔｅ  ｏｆ  ｃｏｍｂ  ｔｙｐｅ  ｆｏｒ  ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ  ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ＲＣＷＡ”，  Ｐｒｏｃ．  ＳＰＩＥ，  ５２９０，  １６８−１７８，  ２００４．
【非特許文献５】Ｎ．  Ｅｂｉｚｕｋａ，  Ｋ．  Ｏｋａ，  Ａ．  Ｙａｍａｄａ，  Ｍ．  Ｉｓｈｉｋａｗａ，  Ｍ．  Ｋａｓｈｉｗａｇｉ，  Ｋ．  Ｋｏｄａｔｅ，  Ｙ．  Ｈｉｒａｈａｒａ，  Ｓ．  Ｓａｔｏ，  Ｋ．Ｓ．  Ｋａｗａｂａｔａ，  Ｍ．  Ｗａｋａｋｉ，  Ｓ．  Ｍｏｒｉｔａ，  Ｔ．  Ｓｈｉｍｉｚｕ，  Ｓ．  Ｙｉｎ，  Ｈ．  Ｏｍｏｒｉ  ａｎｄ  Ｍ．  Ｉｙｅ，  “Ｇｒｉｓｍ  ａｎｄ  Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｓｐａｃｅ  Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ”，  Ｔｈｅ  ５ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｐａｃｅ  Ｏｐｔｉｃｓ  （ＩＣＳＯ  ２００４），  ＥＳＡ，  ＳＰ−５５４，  ７４３−７４９，  ２００４．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構造のため膨大な時間と労力とを必要とすることなく容易に製造でき、しかも高い精度と高い効率とを備えた反射型回折格子およびその製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、従来の階段形状の格子に代えて深い溝の格子を形成するようにして、溝側面の反射と斜面における正反射とを利用することにより、簡単な構造でありながら高い精度と高い効率を得るようにしたものである。
【０００９】
こうした本発明による反射型回折格子は、高分散分光装置の分散素子として用いて好適である。
【００１０】
即ち、本発明は、光が入射される固体状の透明媒質よりなるイマージョン回折格子であって、全体形状は断面が三角形を形成する三角柱形状であり、上記三角形の斜辺を形成する斜面に、上記三角柱形状の延長方向に沿って複数の溝を並行に刻設することにより格子を形成し、上記斜面はミラー面であり、上記溝の表面は全反射面またはミラー面であり、上記透明媒質に入射された光が上記溝の側面において反射し、さらに上記斜面において反射し、上記溝の側面で再び反射するように設定したものである。
【００１１】
また、本発明は、上記透明媒質に入射された光が上記溝の二つの側面のうち上記斜面となす角が鋭角である上記溝の側面において反射し、さらに上記溝が形成された上記斜面において反射し、上記斜面となす角が鋭角である上記溝の側面で再び反射するように、上記側面における１回目の反射角と２回目の反射角との和の半値が上記側面と上記斜面とがなす角と等しくなるように設定されたものである。
【００１２】
また、本発明は、ダイサーにより上記斜面に上記溝を複数並行に刻設したものである。
【００１３】
また、本発明は、レーザーアブレーションにより上記斜面に上記溝を複数並行に刻設したものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡単な構造のため膨大な時間と労力とを必要とすることなく容易に製造が可能となり、しかも高い精度と高い効率と実現することができるという優れた効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による反射型回折格子およびその製造方法の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００１８】
まず、図２には本発明による反射型回折格子の実施の形態の一例の概念構成斜視説明図が示されており、図３には図２のＡ矢視概念構成説明図が示されており、図４には図２の一部拡大構成説明図が示されている。
【００１９】
この反射型回折格子１０は、固体状の透明媒質よりなる、所謂、イマージョン回折格子であり、その全体形状は断面が直角三角形を形成する三角柱形状を備えている。反射型回折格子１０は、真空中や透明媒質（気体、液体または固体）中で使用されるものである。
【００２０】
そして、直角三角形の斜辺を形成する斜面１０ａには、三角柱形状の軸方向（延長方向）に沿って、複数の深い溝１０ｂを並行に刻設することにより格子が形成されている。なお、固体状の透明媒質としては、例えば、高屈折率の結晶やガラス材を用いることができる。
【００２１】
ここで、斜面１０ａの表面はミラー面として加工されており、また、溝１０ｂの表面は全反射面またはミラー面として加工されている。
【００２２】
溝１０ｂの深さＤは、例えば、数１００〜数１０００μｍ程度であり、また、溝１０ｂの幅Ｗは、例えば、数〜数１０μｍ程度である。さらに、ある溝１０ｂと当該溝１０ｂと隣合う溝１０ｂとの間隔たるピッチＰは、例えば、数１００〜数１０００μｍに設定されている。
【００２３】
また、溝１０ｂと斜面１０ａとがなす角度は、入射光が溝１０ｂの側面１０ｂａおいて反射し、格子の斜面１０ａにおいておおむね垂直に反射するように設定する。溝１０ｂの側面１０ｂａは斜入射の反射であるため、粗面であっても散乱による損失が小さい。
【００２４】
また、格子の斜面１０ａは鏡面仕上げされているため、実質的に散乱損失を無視することができる。
【００２５】
次に、上記した溝１０ｂと斜面１０ａとがなす角度について、図５を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
即ち、図５において、頂角αと、二つの直角ＲＡ１、ＲＡ２と、鈍角ＯＡとがなす四辺形に注目し、入射角（＝反射角）θの余角をγすると
α＝２γ  ・・・  式（１）
であることが分かる。
【００２７】
また、余角γと、溝１０ｂと斜面１０ａとがなす角βと、直角ＲＡ２とがなす三角形について注目すると
β＝Ｒ−γ
であるので、式（１）より、
β＝Ｒ−α／２  ・・・  式（２）
が得られ、これにより溝１０ｂと斜面１０ａとがなす角度たる角βの値を適宜に設定すればよい。
【００２８】
また、斜面１０ａにおける散乱による損失については、この散乱による損失Ｌｓは、表面粗さをσ［ｒｍｓ］とすると、
Ｌｓ＝１−ｅｘｐ｛−（４πσ  ｃｏｓ  θ／λ）｝
で与えられる。
【００２９】
ここで、θは入射角、λは入射光の波長である（なお、「Ｊ．Ｍ．  Ｂｅｎｎｅｔ  ａｎｄ  Ｌ．  Ｍａｔｔｓｏｎ，  ”Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ  ａｎｄ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ”，  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，  Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，  Ｄ．Ｃ．１９８９．」を参照する。）。
【００３０】
従って、例えば、「σ＝０．２μｍ」、「λ＝１０μｍ」とすると、入射角θと損失Ｌｓとの関係は図６に示す通りである。
【００３１】
このため、この反射型回折格子１０が、仮に入射角θが４５°以上、例えば、入射角θが６０°となるように使用されるならば、図１に示す従来のイマージョン回折格子１００の場合と比較すると、散乱損失は大幅に減少する。
【００３２】
即ち、図１に示す従来のイマージョン回折格子１００の粗面による反射が１回であり、反射型回折格子１０における反射が２回であっても、例えば、入射角θが６０°の場合には、回折格子１０では垂直入射に対して散乱による損失が約１／４であり、粗面による反射が２回であっても散乱損失は半分程度になる。
【００３３】
以上の構成において、上記した反射型回折格子１０に光を入射すると、溝１０ｂと斜面１０ａとのなす角βが、入射光が溝１０ｂの側面１０ｂａおいて反射し、格子の斜面１０ａにおいておおむね垂直に反射するように設定されているため、当該入射光は溝１０ｂの側面に斜入射されて側面１０ｂａで反射し、散乱による損失が極めて小さくなる。
【００３４】
また、格子の斜面１０ａがミラー面として鏡面仕上げされているので、斜面１０ａにおける散乱損失も無視することができるようになる。
【００３５】
ここで、図１に示す従来のイマージョン回折格子１００において、例えば、斜面１００ａの「３０ｍｍ×７５ｍｍ」の範囲に周期６００μｍの階段格子の加工を行う場合に、波長８μｍにて光学的な性能を満足させるためには、最新のナノ精度研削装置により３００〜５００時間の加工時間を必要とする。さらに、加工範囲が「１２０ｍｍ×３００ｍｍ」である場合には、１０００〜１５００時間程度の工数が必要であると見積もられている。
【００３６】
一方、本発明による反射型回折格子１０の溝１０ｂは、例えば、シリコンウエハからＩＣチップを切断する際に使用されるダイサーやレーザーアブレーション装置を用いることにより、容易に形成することが可能である。
【００３７】
なお、ダイサー用には幅１０μｍ以下の砥石も開発されており、高速回転で研削加工が行われるために研削面は比較的滑らかである。
【００３８】
また、ダイサーには、幅や粗さが異なる砥石を直列に配置した装置（デュアルスピンドル）もあり、１工程で粗加工と仕上げ加工を行うことも可能である。
【００３９】
そのため、本発明による回折格子１０を製造するにあたっては、図１に示す従来のイマージョン回折格子１００の場合と比較すると、工数を数〜１０分の１程度に短縮することが可能となる。
【００４０】
一方、レーザーアブレーション装置を用いた紫外線レーザーアブレーションによる微細加工は、レーザー波長のエネルギーが媒質の仕事関数より高い場合には良好な加工面を得ることができるので、溝１０ｂを形成するには極めて有効である。
【００４１】
なお、レーザーアブレーション装置を用いた紫外線レーザーアブレーションによる微細加工は、深さ方向の制御が困難ではあるが、ＳＯＩ基板などにより溝の深さを制限することも可能である。
【００４２】
なお、図１に示す従来のイマージョン回折格子１００において、散乱が実用上問題にならない表面粗度は、例えば、透明媒質がゲルマニウム（ｎ＝４）の場合にはλ／１００ｒｍｓ程度以下である。波長１０μｍの場合の表面粗度１００ｎｍ  ｒｍｓは研削により達成できる値であるが、波長２μｍの場合の表面粗度２０ｎｍ  ｒｍｓは実現が困難である。  一方、本発明による反射型回折格子１０において、散乱が実用上問題にならない表面粗度は、例えば、透明媒質がゲルマニウム（ｎ＝４）、溝１０ｂの側面１０ｂａにおける入射角（＝反射角）θが７０°（垂直が０°）の場合にλ／３０  ｒｍｓ程度以下である。そして、波長２μｍの場合の表面粗度６０ｎｍ  ｒｍｓは、ダイサーの研削により十分に達成可能である。
【００４３】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）〜（４）に示すように変形することができるものである。
【００４４】
（１）上記した実施の形態においては、反射型回折格子１０を固体状の透明媒質により形成した場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、反射型回折格子１０は、光路中を真空または透明媒質で満たされたものであればよく、また、透明媒質としては固体のみに限られず、液体や気体を用いることができる。そして、反射型回折格子１０として光路中を真空または液体や気体で満たされたものとした場合には、反射型回折格子１０を固体中において使用するものとし、反射型回折格子１０と当該固体との界面に複数の溝１０ｂが並行に形成されるように、当該固体を加工すればよい。
【００４５】
（２）上記した実施の形態においては、溝１０ｂの底部１０ｂｂの形状については、詳細な説明は省略したが、溝１０ｂの底部１０ｂｂは、図４に示すように曲面形状でもよいし、平面形状にしてもよい。
【００４６】
（３）上記した実施の形態においては、溝１０ｂの数については、詳細な説明は省略したが、溝１０ｂの数は設計に応じて適宜に選択すればよい。
【００４７】
（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）〜（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、分光計測装置あるいは分光分析装置などに使用される分散素子や、光通信用あるいはレーザ光学などにおいて用いられるビーム分配器、ビーム混合器あるいは波長弁別器などに使用される回折光学素子などとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、従来のイマージョン回折格子の概念構成説明図である。
【図２】図２は、本発明による反射型回折格子の実施の形態の一例を示す概念構成斜視説明図である。
【図３】図３は、図２のＡ矢視概念構成説明図である。
【図４】図４は、図２の一部拡大構成説明図である。
【図５】図５は、本発明による反射型回折格子における溝と斜面とがなす角度を説明するための一部拡大構成説明図である。
【図６】図６は、表面粗さσが０．２μｍ、入射角の波長λが１０μｍである場合における入射角θと損失Ｌｓとの関係を示す図表である。
【符号の説明】
【００５０】
１０        反射型回折格子
１０ａ      斜面
１０ｂ      溝
１０ｂａ    側面
１０ｂｂ    底部
１００      イマージョン回折格子
１００ａ    斜面
【図１】
0004643431.tif 000002
【図２】
0004643431.tif 000003
【図３】
0004643431.tif 000004
【図４】
0004643431.tif 000005
【図５】
0004643431.tif 000006
【図６】
0004643431.tif 000007