(57)【要約】本発明は、表面プラズモン共振センサのための光学結合素子の構成及び形成方法を提供する。本発明に係る方法において、２つの重なり合った単色且つコヒーレントな光線の間の干渉パターンがマスタ基板上に置かれた感光性フィルム上に作成される。少なくとも１つの光線はマスタ基板上への入射斜角を有しており、２つの重なり合った光線の焦点は３次までの光学収差を減少させるために配置されている。感光性フィルムの現像後、マスタ基板上に作成された表面レリーフパターンは、ＳＰＲセンサチップ上へ回折光学素子として複製される。光学結合素子として働く回折光学素子は、入来する光線を４０°から８０°の範囲内の斜角に回折する。
2004505291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１回折光学素子を形成するために、略透明部材の略平らな表面上への複製に適応した第１表面レリーフパターンを形成する方法において、
前記略透明部材は平面プラズモン共振センサの一部分を形成するのに適しており、前記方法は、
マスタ基板を提供し、前記マスタ基板は略平らな表面を有し、
前記マスタ基板の前記略平らな平面上に感光層を提供し、
第１及び第２電磁放射波の交点における空間オーバーラップによって生成された第１干渉パターンへ前記感光層が露出されるように、前記感光層を第１及び第２電磁放射波へ露出し、そこで、
前記第１電磁放射波は、前記感光層の位置において、第１平均伝達ベクトルを有し、及び
前記第２電磁放射波は、前記感光層の位置において、第２平均伝達ベクトルを有し、前記第２平均伝達ベクトルは前記第１と第２電磁放射波との間の交点において前記第１平均伝達ベクトルに対する角度を形成する、
ステップを有し、
入来平均伝達ベクトルを有する入来電磁放射の伝達方向を変えるために、前記入来電磁放射波が前記略透明部材の略平らな表面上に複製された前記第１回折光学素子に入射した時に、前記入来平均伝達ベクトルと回折平均伝達ベクトルとの間の最小角度が４０度より大きくなるように、前記第１と第２平均伝達ベクトルとの間の前記角度を選択する方法。
【請求項２】
さらに、前記マスタ基板を前記感光層を保持する表面に垂直に約１８０度回転させ、
前記マスタ基板の略平らな表面上に第２表面レリーフパターンを、
第１及び第２電磁放射波の交点における空間オーバーラップによって生成された第２干渉パターンへ前記感光層が露出されるように、前記感光層を第１及び第２電磁放射波へ露出し、そこで、
前記第１電磁放射波は、前記感光層の位置において、第１平均伝達ベクトルを有し、及び
前記第２電磁放射波は、前記感光層の位置において、第２平均伝達ベクトルを有し、前記第２平均伝達ベクトルは前記第１と第２電磁放射波との間の交点において前記第１平均伝達ベクトルに対する角度を形成し、
のステップにより形成し、
入来平均伝達ベクトルを有する入来電磁放射の伝達方向を変えるために、前記入来電磁放射波が前記略透明部材の略平らな表面上に第２回折光学素子として複製された前記第２表面レリーフパターンの複製に入射した時に、前記入来平均伝達ベクトルと回折平均伝達ベクトルとの間の最小角度が４０度より大きくなるように、前記第１と第２平均伝達ベクトルとの間の前記角度を選択する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１及び第２電磁放射波は、略同一の波長を有する請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１及び第２電磁放射波は、同一光源から射出される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記同一光源は、ＨｅＣｄレーザ、Ｋｒレーザ、エキシマレーザ又は半導体レーザのようなレーザを有する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
さらに、前記感光層を現像するステップを有する請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１電磁放射波は物体波を形成し、前記第２電磁放射波は参照波を形成し、前記入来電磁放射波は再生波を形成する請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記マスタ基板は略透明部材からなる請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
さらに、前記略透明部材の略平らな表面上に前記第１及び第２レリーフパターンを複製するために、前記感光層に防食層エッチングを実行するステップを有する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記感光層に防食層エッチングを実行するステップは、イオンフライス加工、化学的に支援されたイオンビームエッチング又は反応性イオンエッチングによって達成される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
さらに、前記第１及び第２レリーフパターンの更なる複製のために前記第１及び第２表面レリーフパターンのネガ金属マスタを形成するステップを有する請求項２〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属マスタは、ニッケルマスタである請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、ホットエンボス加工を用いて前記ネガ金属マスタから前記第１及び第２表面レリーフパターンを複製するステップを有する請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、射出成形を用いて前記ネガ金属マスタから前記第１及び第２表面レリーフパターンを複製するステップを有する請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、射出圧縮成形を用いて前記ネガ金属マスタから前記第１及び第２表面レリーフパターンを複製するステップを有する請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１６】
さらに、前記表面レリーフパターンから複製された前記回折光学素子の上部に金属層を提供するステップを有する請求項８〜１５の何れか一項に記載の方法。
【請求項１７】
提供された金属層は、アルミニウム、金、銀又はその様な材質から構成されるグループから選択される材質を有する請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
表面プラズモン共振センサのための結合素子であって、
予め決められた方向に単色的に増加する空間を有する格子構造を有する回折光学素子を有しており、前記回折光学素子は第１平均伝達ベクトルを有する入来する電磁放射波を第２平均伝達ベクトルを有する電磁放射の回折波に回折するのに適しており、
前記回折光学素子は固体且つ略透明部材の表面の一部を形成しており、前記第１と第２平均伝達ベクトルとの間の最小角度が４０度より大きくなるように、前記第２平均伝達ベクトルによって定義される伝達方向は前記第１平均伝達ベクトルによって定義される伝達方向と異なっている結合素子。
【請求項１９】
前記格子構成は透過格子構造を形成する請求項１８に記載の結合素子。
【請求項２０】
前記格子構成は反射格子構造を形成する請求項１８に記載の結合素子。
【請求項２１】
前記回折光学素子は、入来する電磁放射波を焦点調節するのに適している請求項１８〜２０の何れか一項に記載の結合素子。
【請求項２２】
前記回折光学素子は、電磁放射の発散波をコリメイトするのに適している請求項１８〜２０の何れか一項に記載の結合素子。
【請求項２３】
前記回折光学素子は、さらに１以上の較正マークを有し、前記較正マークは欠落した格子構造を伴う領域である請求項１８〜２２に記載の結合素子。
【請求項２４】
前記第１電磁放射波の焦点及び前記第２電磁放射波の焦点は、
以下に定義される記録格子空間式をｘについて３次に展開し、
【数１】
2004505291.tif 000014
ここで、ｘは干渉パターンのラインと垂直な方向、λｒｅｃｏｒｄは記録波長、θ１は第１電磁放射波の入射角度、及びθ２は第２電磁放射波の入射角度をいい、
以下に定義される再生格子空間式をｘについて３次に展開し、
【数２】
2004505291.tif 000015
ここで、λｒｅａｄは再生真空波長、ｎｇは前記略透明材質の屈折率、θ１は第１電磁放射波の入射角度、及びθ０は電磁放射回折波の回折角度をいい、
以下の式を最小化し、
【数３】
2004505291.tif 000016
ここで、第１電磁放射波の焦点位置と第２電磁放射波の焦点位置に関して、ｘｃｅｎｔｅｒは干渉パターンの中心位置、Ａ０、Ａ１、Ａ２及びＡ３は、それぞれａｒｅｃｏｒｄ（ｘ）とａｒｅａｄ（ｘ）との間の第１、第２、第３及び第４の展開係数の差異を言い、
の手順に従って配置される請求項１〜１７の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、表面プラズモン共振（ＳＰＲ）センサチップにおける回折入力及び出力格子カプラの形成及び製造に関する。ＳＰＲセンサチップは、光学バイオ／ケミカルセンサシステムに使われつつあり、そこで、ＳＰＲセンサチップの機能は、液体又はガスのバイオ／ケミカル合成物を測定することである。
【０００２】
表面プラズモン共振（ＳＰＲ）センサにおいて、次の３つの要素、１）光源（ＬＳ）、２）検知領域（ＳＤ）、及び３）光学検知器（ＯＤ）、間の厳格な位置決め無しで、効率的且つ信頼できる結合を有することは重要である。ＳＤは、光と表面プラズモンの間の相互作用が発生する領域と定義される。それは、ＳＰＲ金属フィルム（典型的に、２０〜３０ナノメータ）及び１以上のバイオ／ケミカル的に活動的な検知エリアの上部構造（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）を含む。ＬＳとＳＤの間の光学的結合は入力結合（ＩＣ）と定義され、ＳＤと光学検知器の間の光学的結合は出力結合（ＯＣ）と定義される。
【０００３】
ＳＰＲセンサは、上記で定義された５つの要素、ＬＳ、ＳＤ、ＯＤ、ＩＣ及びＯＣの間の一体化に基づいた３つの主要概念（Ａ、Ｂ及びＣ）に分類され得る。Ａは分離概念であり、そこで、全ての５つの要素は機械的に分割され、ＩＣ及びＯＣは、レンズ、ミラー、光ファイバー、及び、フィルタ又は回折光学素子（ＤＯＥｓ）のような光部品によって達成される。Ｂはセンサチップ概念であり、そこで、ＯＤと、ＩＣ及びＯＣは、ＳＰＲセンサチップにおいて一体化され、光電式要素ＬＳ及びＯＤは、個別部品であって且つ同じ電気回路ボードにマウントされ得るか、又は同じ光電気チップ上に一体化され得る。Ｃは一体化された光学センサ概念であり、そこで、全ての５つの要素は同じチップ上に一体化される。
【０００４】
概念Ａは、伝統的にＳＰＲセンサ（例えば、ＢＩＡｃｏｒｅ及びＩＢＩＳのような製品）の商業マーケットを支配した。概念Ａの欠点は、大きく、かさばり、高価なシステムであって、十分なサービスを通常必要とする。
【０００５】
バイオ／ケミカルセンサについて言えば、ここ２０年間、概念Ｃが大きな関心を引き付けた。典型的に、この概念に基づくＳＰＲセンサは、光を一体化されたＬＳからマイクロチャネル中に配置されたＳＤまで導くＩＣｓ及びＯＣｓとしての光学的導波路、及び出力光線を検出する一体化されたＯＤから構成されている。それは十分に一体化されたものと言うよりはハイブリッドな解法であるが、テキサス・インスツルメンツは、この概念にアプローチし、Ｓｐｒｅｅｔａの名前の下で市場に出され、全ての要素が同じハウジングに一体化されているＳＰＲシステムを商業化した（ＥＰ　０７９７０９０を参照のこと）。Ｓｐｒｅｅｔａシステムは、かなり低い製造コストを有しているが、手軽ではないハウジング、及びユーザはＳＤ上でバイオ／化学的性質を置き換える時に全ての光学的及び電気光学的要素を配置しなければならないという欠点を有している。
【０００６】
本発明は、概念Ｂに関係し、Ａのユーザフレンドリである点及びＣのシンプルな光学系であって低価格な点という利点を有するものである。事実、センサチップのみを置き換えるので、製造コストを非常に低くすることができる。本発明は、ＳＰＲセンサチップ上に一体化された回折格子としてのＩＣｓ及びＯＣｓの形成のための斜角ホログラフィック方法である。回折格子としてのＩＣｓ及びＯＣｓの形成は、ＬＳ、ＳＤ及びＯＤとの間の結合が厳格な位置決め無しに確立することができるような方法で作られる。これによって、光は適切な角度、焦点距離、及び焦点サイズを持つＳＤに正確に向けられることが可能になる。本斜角ホログラフィック方法は、入射面から〜８０°ほど高い大きな回折角を有する回折格子の形成のために特に適当である。
【０００７】
ＳＰＲ検知のためのＳＰＲフィルムへの入射光の角度は、４０°から８０°までの範囲にある。光をＳＰＲセンサチップに結合する１つの方法は、高屈折率プリズム及び屈折率整合ジェル（米国特許５，３１３，２６４）を使用することである。本発明では、屈折率整合ジェルは除去され、ＩＣｓ及びＯＣｓとして働く回折格子がＳＰＲセンサチップに配置される。
【０００８】
相互にパラレルの平らな上側表面及び平らな後部表面を持つＳＰＲセンサチップのために、回折格子の各格子空間からの光線が構造上干渉するための回折条件は、ｐ番目の格子素子の格子空間ａｐについて次の式となる；
【０００９】
【数４】
2004505291.tif 000003
【００１０】
ここで、λは光の波長、ｍは回折オーダ、ｘｐ及びｙｉは、回折格子の焦点とｐ番目の格子素子（ｐ＝０で最初の素子、ｐ＝Ｎで最後の素子を示す）の位置との間の水平及び垂直距離である。ｐ番目の格子素子及び回折格子との間で１つ又はそれ以上の光の反射ポイント（Ｍ）がある場合には、ｙｉにＭ＋１回をかけねばならない。
【００１１】
ＳＰＲ検知のために、光線の大きな入射角は、回折格子の形成上の精度に高い要求をおく。これは、次の例から明白であり、そこでは、入力光線が６７０ｎｍの波長を有し、ＳＰＲセンサチップの基板は屈折率１．６５（例えば、高い屈折率を持つ重合体基板）を有し、ＳＤは屈折率１．４６を有する上部構造を有するＳＰＲの金フィルム（例えば、イオン検出のための高分子膜）を含む、と仮定する。その結果、ＳＰＲ角は、〜７３°となる。この角度を入力光線の角度スパンでカバーするために、ＳＰＲセンサチップは、次の形状を有している必要があると考えられる：３ｍｍのアパーチャに帰着するｙｉ＝２ｍｍ、ｘｐ＝ｏ＝８ｍｍ及びｘｐ＝Ｎ＝５ｍｍ。回折次数ｍ＝１と仮定すると、式（１）でａｏ＝４１８ｎｍ及びａＮ＝４３７ｎｍとなる。格子周期（ｇｒａｔｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄｓ）は〜７０５０であり、格子空間における隣り合った格子素子の差異は、（ａＮ−ａ０）｝／７０５０＝０．００３ｎｍとなる。最大の回折効率のために、格子（ｄ）の深さは、反射格子で〜１００ｎｍ、透過格子で〜８００ｎｍとなる。
【００１２】
実際上、アパーチャを、各セクションにおける固定した周期性を持つ格子素子のセクションに分割することは許容される。アパーチャ全体を格子素子の１００のセクションに分割すると、格子空間において１つのセクションから隣り合うセクションまでの差異の最小は、０．３ｎｍに増加し得る。しかしながら、ｍ＝１の場合、回折格子の形成方法の要求は、まだ非常に厳しい。
【００１３】
代りに、回折次数ｍを増加し、それに応じて回折格子の形状を釣り合わせることもできる。一方、ｍの大きな値、例えばｍ＞１０を選択することによって、回折格子のパフォーマンスを最適化することはより難しくなる。したがって、従来方法では、ＳＰＲセンサチップ上に、ｍ＜１０の低い回折モードで働く回折格子正確に形成する必要性がある。
【００１４】
回折格子の形成のための多数の方法がある。それらの格子は、基板、例えばガラス上に直接製造され、又は型で作られ、型で作られた構造が他の基板、通常はアクリル又はポリカーボネート等の透明なプラスチックに転写される。機械的方法として、シングルポイント・ダイヤモンド加工［Ｐ．Ｐ．Ｃｌａｒｋ及びＣ．Ｌｏｎｄｏｎｏ、Ｏｐｔ．Ｎｅｗｓ１５、頁３９−４０（１９８９）］等がある。そこでは、２、３マイクロメータと同じくらい小さい半径を持つダイヤモンド工具が、基板上に所望の格子プロファイルを刻むためにステップ毎（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｌｙ）に移動される。更に粗い機械的方法として、プランジ・カット・ダイヤモンド加工［Ｊ．Ｆｕｔｈｅｙ及びＭ．Ｆｌｅｍｉｎｇ、回折光学：設計、製造及び応用、Ｖｏｌ．９　１９９２　０ＳＡ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　Ｓｅｒｉｅｓ、頁４−６］がある。そこでは、三角又は台形のプロファイルを有するダイヤモンドが回転し、プロファイルを基板へ転写する。これらの方法による溝の形状は、ミクロン範囲に制限され、球状に対照的な構造に最適である。
【００１５】
可変エネルギ電子ビーム・リソグラフィー［Ｅ．Ｂ．ＫＩｅｙ及びＢ．ＳｃｈｎａｂｅＩ、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ２６４０、頁７１−８０（１９９５）］、及びレーザ・マイクロマッチング（ｌａｓｅｒ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｇ）［Ｇ．Ｐ．Ｂｅｈｒｍａｎｎ及びＭ．Ｔ．Ｄｕｉｇｎａｎ、ＡｐｐＬ　Ｏｐｔｉｃｓ　３６、頁４６６６−４６７４］等の走査アナログ書込（ｓｃａｎｎｉｎｇ ａｎａｌｏｇｕｅ ｗｒｉｔｉｎｇ）方法がある。そこでは、焦点調整されたレーザビームが、直接基板そのもの、又はフォトレジストを書き込む。キノフォーム［Ｌ．Ｂ．Ｌｅｓｅｍ、Ｐ．Ｍ．Ｈｉｒｓｃｈ及びＪ．Ａ．Ｊｏｒｄａｎ　Ｊｒ．、ＩＢＭ　Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ．１３、頁１５０−１５５（１９６９）］として知られる位相のみのコンピュータ発生ホログラムがある。そこでは、所望の位相の大型グレースケールをプリントし、そのプリントを所望の位相物を発生するための十分に現像するエマルジョンにフォトリデュース（ｐｈｏｔｏｒｅｄｕｃｉｎｇ）することによって製造される。リソグラフィー法及びキノフォームは、非常に柔軟な方法であり、それらは、任意の回折格子を生成し得る。これらの方法の欠点は、それらが、典型的に５０ｎｍ−１０００ｎｍの解像度を有するリソグラフィー工具の走査及び広範囲な位置決め精度に依存するということである。前述した回折格子の要求に関して、解像度を達成できる可能性は十分ではない。
【００１６】
格子の製作のために、マルチマスク・フォトリソグラフィー法［Ｊ．Ｄ．Ｍａｎｓｅｌｌ、Ｄ．Ｒ．ＮｅａＩ及びＳ．Ｗ．Ｓｍｉｔｈ、ＡｐｐＬ　Ｏｐｔｉｃｓ３６、頁４６４４−４６４７（１９９７）］がある。そこでは、典型的に、４つのレベルのマスク層によって格子プロファイルに近似したバイナリ光学構造を作成する。グレートーン・フォトリソグラフィー法［米国特許５，４８２，８００　（１９９６年１月９日）］等のシングルマスク・アナログ方法がある。そこでは、マスク上の大きな黒スポットの配列が、ＵＶ露光によってフォトレジスト上に所望の格子プロファイルを生成する所望の回折プロファイルを作成する。フォトリソグラフィー法の利点は、全構造が短期に露光され、熱ドリフト効果が小さいことである。フォトリソグラフィー法の解像度は、通常＞２０ｎｍに制限され、また前述した回折格子の要求のためには十分な低さではない。
【００１７】
また、定在波からの干渉縞［Ｎ．Ｋ．Ｓｈｅｒｉｄａｎ　ＡｐｐＩ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１２、頁３１６−３１８（１９６８）］、ファブリ・ペロー干渉計から又は適切な振幅及び位相の正弦波パターンのフーリエ級数の重畳からの転写縞［Ｍ．Ｂｒｅｉｄｎｅ、Ｓ．Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ、Ｌ．Ｅ．Ｎｉｌｓｏｎ及びＨ．Ａｈｌｅｎ、Ｏｐｔ．Ａｃｔａ　２６、１４２７（１９７９）］を生み出すことに基づく干渉法が報告されている。技術的に、これらの方法は、難しく、回折構造の特別な形に制限される。
【００１８】
アナログ・ホログラフィック記録方法は、同じレーザから発する２本のビームから基板上の感光性フィルム上に干渉縞を作成することに基づいている［Ｅ．Ｂ．Ｃｈａｍｐａｇｎｅ、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．５７、５１（１９６７）；　Ｊ．Ｌａｔｔａ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．１０、５９９（１９７１）；Ｍ．Ｍｉｔｅｒ、Ｉ．Ｋｏｕｄｅｌａ及びＩ．Ａｕｂｒｅｃｈｔ、Ａｐｐｌ　Ｏｐｔ．３８　、頁３０１９−３０２４（１９９９）］。
【００１９】
本発明の方法は、アナログ・ホログラフィック方法に基づいており、そこで少なくとも１つの光線は基板上で入射斜角を有しており、干渉パターンはＳＰＲセンサチップへ転写される。加えて、光線は、レンズのような焦点調節光学系によって焦点調節され、フォトレジストのような感光性フィルム上に光干渉パターンを作るようにオーバーラップされる。またフォトレジストの現像後、表面レリーフパターンが作成され、ＳＰＲセンサチップへ転写されてＩＣを形成する。ＩＣ上での入力光線の入射は、ＳＰＲ角がカバーする角度でＳＤへ向けて導き且つ焦点調節される。同様に、本発明の方法を用いることで、ＳＰＲセンサチップのＯＣが作成され得る。
【００２０】
本発明方法は、さらに３次までの光学収差を減少させるために、オーバーラップした光線の焦点を配置する手順を含む。
【００２１】
回折格子を形成する他の方法と対照的に、本発明方法は、前述したＩＣ及びＳＰＲセンサのＯＣを形成する上での精度の要求に合致している。
【００２２】
本発明の目的は、４０°より大きい角度と定義される斜角で検知領域上に入力光線を導き且つ焦点調節する入力光学カプラとしてＳＰＲセンサチップ上に回折格子を形成する方法を提供することである。
【００２３】
また、本発明の目的は、検知領域から光学検知器に反射される光線を導き且つコリメイト焦点調節する出力光学カプラとしてＳＰＲセンサチップ上に回折格子を形成する方法を提供することである。
【００２４】
さらに、本発明の目的は、回折格子が既知の角エネルギ分布を有する光源をＳＰＲセンサチップの１つの表面上に予め定義されたパターンへイメージさせる回折格子の形成の方法を提供することである。
【００２５】
さらに他の本発明の目的は、回折格子の２つの格子素子間の格子空間の最小差異がナノメータの範囲内及びさらにサブナノメータの範囲内にある回折格子の形成の方法を提供することである。
【００２６】
さらに他の本発明の目的は、記録処理における熱不安定の過度の影響を回避するために迅速に作成される回折格子の形成の方法を提供することである。
【００２７】
さらに他の本発明の目的は、本質的に回折格子の形成上の精度を落とす機械的走査を必要としない回折格子の形成の方法を提供することである。
【００２８】
さらに他の本発明の目的は、３次までの収差を減少させるような位置に２つのレーザの焦点位置を配置することによる回折格子の形成の方法を提供することである。
【００２９】
第１の形態において、本発明は、第１回折光学素子を形成するために、略透明部材の略平らな表面上への複製に適応した第１表面レリーフパターンを形成する方法と関係し、略透明部材は平面プラズモン共振センサの一部分を形成するのに適しており、方法は、
マスタ基板を提供し、マスタ基板は略平らな表面を有し、
マスタ基板の略平らな平面上に感光層を提供し、
第１及び第２電磁放射波の交点における空間オーバーラップによって生成された第１干渉パターンへ感光層が露出されるように、感光層を第１及び第２電磁放射波へ露出し、そこで、
第１電磁放射波は、感光層の位置において、第１平均伝達ベクトルを有し、及び
第２電磁放射波は、感光層の位置において、第２平均伝達ベクトルを有し、第２平均伝達ベクトルは第１と第２電磁放射波との間の交点において第１平均伝達ベクトルに対する角度を形成する、
ステップを有し、
入来平均伝達ベクトルを有する入来電磁放射の伝達方向を変えるために、入来電磁放射波が略透明部材の略平らな表面上に複製された第１回折光学素子に入射した時に、入来平均伝達ベクトルと回折平均伝達ベクトルとの間の最小角度が４０度より大きくなるように、第１と第２平均伝達ベクトルとの間の角度を選択する。
【００３０】
好ましくは、本発明の第１の形態に従った方法は、さらに、
マスタ基板を前記感光層を保持する表面に垂直に約１８０度回転させ、
マスタ基板の略平らな表面上に第２表面レリーフパターンを、
第１及び第２電磁放射波の交点における空間オーバーラップによって生成された第２干渉パターンへ感光層が露出されるように、感光層を第１及び第２電磁放射波へ露出し、そこで、
第１電磁放射波は、感光層の位置において、第１平均伝達ベクトルを有し、及び
第２電磁放射波は、感光層の位置において、第２平均伝達ベクトルを有し、第２平均伝達ベクトルは第１と第２電磁放射波との間の交点において前記第１平均伝達ベクトルに対する角度を形成し、
のステップにより形成し、
入来平均伝達ベクトルを有する入来電磁放射の伝達方向を変えるために、入来電磁放射波が略透明部材の略平らな表面上に第２回折光学素子として複製された第２表面レリーフパターンの複製に入射した時に、入来平均伝達ベクトルと回折平均伝達ベクトルとの間の最小角度が４０度より大きくなるように、第１と第２平均伝達ベクトルとの間の角度を選択する。
【００３１】
最も実際の状況では、第１及び第２電磁放射波は、略同一の波長を有する。実際、第１及び第２電磁放射波は、ＨｅＣｄレーザ、Ｋｒレーザ、エキシマレーザ又は半導体レーザのようなレーザを有し得る同一光源から射出され得る。第１、第２及び第３の入来電磁放射波は、それぞれ物体波、参照波及び再生波として特徴付けられる。
【００３２】
本発明の第１の形態に従った方法は、さらに、感光層を現像するステップを有する。
【００３３】
マスタ基板は、例えば、スピンコートによって、感光層が直接略透明部材上へ提供されるように、それ自身略透明部材から構成され得る。この状況において、方法は、さらに、略透明部材の略平らな表面上に第１及び第２レリーフパターンを複製するために、感光層に防食層エッチング（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ−ｌａｙｅｒ−ｅｔｃｈ）を実行するステップを有する。感光層に防食層エッチングを実行するステップは、イオンフライス加工（ｉｏｎ−ｍｉｌｌｉｎｇ）、化学的に支援されたイオンビームエッチング又は反応性イオンエッチングによって達成される。
【００３４】
略透明部材がマスタ基板を構成しない場合、本発明の第１の形態に従った方法は、さらに、第１及び第２レリーフパターンの更なる複製のために第１及び第２表面レリーフパターンのネガ金属マスタを形成するステップを有する。好ましくは、金属マスタは、ニッケルマスタである。
【００３５】
さらなる複製が、ホットエンボス加工（ｈｏｔ ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）を用いてネガ金属マスタから第１及び第２表面レリーフパターンを複製することによって達成される。代わりに、さらなる複製が、射出成形を用いてネガ金属マスタから第１及び第２表面レリーフパターンを複製することによって達成される。さらにその代わりに、さらなる複製が、射出圧縮成形を用いてネガ金属マスタから第１及び第２表面レリーフパターンを複製することによって達成される。表面レリーフパターンから複製された回折光学素子の上部に金属層が提供され得る。適当な材質は、アルミニウム、金、銀等である。
【００３６】
本発明の第１の形態に従った方法が適用される場合、第１電磁放射波の焦点及び前記第２電磁放射波の焦点は、
以下に定義される記録格子空間式をｘについて３次に展開し、
【００３７】
【数５】
2004505291.tif 000004
【００３８】
ここで、ｘは干渉パターンのラインと垂直な方向、λｒｅｃｏｒｄは記録波長、θ１は第１電磁放射波の入射角度、及びθ２は第２電磁放射波の入射角度をいい、
以下に定義される再生格子空間式をｘについて３次に展開し、
【００３９】
【数６】
2004505291.tif 000005
【００４０】
ここで、λｒｅａｄは再生真空波長、ｎｇは前記略透明材質の屈折率、θ１は第１電磁放射波の入射角度、及びθ０は電磁放射回折波の回折角度をいい、
以下の式を最小化し、
【００４１】
【数７】
2004505291.tif 000006
【００４２】
ここで、第１電磁放射波の焦点位置と第２電磁放射波の焦点位置に関して、ｘｃｅｎｔｅｒは干渉パターンの中心位置、Ａ０、Ａ１、Ａ２及びＡ３は、それぞれａｒｅｃｏｒｄ（ｘ）とａｒｅａｄ（ｘ）との間の第１、第２、第３及び第４の展開係数の差異を言い、
の手順に従って配置される。
【００４３】
第２の形態において、本発明は、表面プラズモン共振センサのための結合素子と関係し、前記結合素子は、
予め決められた方向に単色的に（ｍｏｎｏｔｏｎｉｃａｌｌｙ）増加する空間を有する格子構造を有する回折光学素子を有しており、回折光学素子は第１平均伝達ベクトルを有する入来する電磁放射波を第２平均伝達ベクトルを有する電磁放射の回折波に回折するのに適しており、
回折光学素子は固体且つ略透明部材の表面の一部を形成しており、第１と第２平均伝達ベクトルとの間の最小角度が４０度より大きくなるように、第２平均伝達ベクトルによって定義される伝達方向は第１平均伝達ベクトルによって定義される伝達方向と異なっている。
【００４４】
格子構造は、透過格子構造、又は反射格子構造を形成し得る。回折光学素子は、入来する電磁放射波を焦点調節するのに適し得る。代わりに、前記回折光学素子は、電磁放射の発散波をコリメイトするのに適し得る。
【００４５】
回折光学素子は、さらに１以上の較正マークを有し得る。また、前記較正マークは欠落した格子構造を伴う領域である。
【００４６】
［発明の実施の形態］
発明が、添付の図面を参照して以下に詳細に説明される。
【００４７】
図１には、本発明の方法によって形成されたＳＰＲセンサチップ上の５つの異なる回折格子の構成の断面図が示されている。図１（ａ）において、ＳＰＲセンサチップは、透明部材の本体（１）、第１反射回折格子（２）、第２反射回折格子（３）、検知エリアを上層に有するＳＰＲ金属フィルムを有する検知領域（４）、及びＳＰＲセンサチップＳＰＲセンサチップの後部表面上のミラー（５）を有している。ＳＰＲセンサチップへの入力は、本質的にコリメイトされた光線であり、出力光線も本質的にコリメイト光線である。光源は、半導体レーザのような単色光源、発光ダイオードのような狭帯域光源であり得る。回折格子へ入力した広波長帯域光による分散効果を減少させるために、広帯域発光の発光ダイオードは、狭帯域幅フィルタと結合され得る。検知器は、フォトダイオード、ホトダイオードアレー、電荷結合素子、相補型金属酸化膜半導体イメージセンサ等であり得る。ミラー（５）は、金、銀、アルミニウム等の金属、又はＳＰＲセンサチップ基板の後部表面と通常空気である周囲媒体との間のベア・インタフェース（ｂａｒｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）であり得る。
【００４８】
図１（ａ）におけるＳＰＲセンサチップの機能は下記のようなものである。第１回折格子（２）は、ミラー（５）経由の入力光線を検知領域（４）上に焦点調節させ、第２回折格子は、光線を出力のコリメイトされた光線に転換する。図１（ｂ）は、ミラーなしの代替構成であり、そこでは検知領域が入力光線及び出力光線と同じ側に配置されている。
【００４９】
図１（ｃ）は、透過回折格子による構成である。ＳＰＲセンサチップは、透明部材の本体（１）、第１透過回折格子（８）、第２透過回折格子（９）及び検知領域（４）を有する。ＳＰＲセンサチップＳＰＲセンサチップへの入力は、本質的にコリメイトされた光線であり、出力光線も本質的にコリメイト光線である。第１透過回折格子（８）は、入力光線を本質的に検知領域（４）の下の点又は線に焦点調節させる。
【００５０】
図１（ｄ）は、代替構成を示し、そこで、角度（θｉｎ）を有する入力光線が回折格子（８´）に入射し、角度（θｏｕｔ）を有する出力光線が回折格子（９´）から出る。回折格子（８´）に入力する推定された光線がセンサチップ上で対象面又は対称軸（１０）と交わる場合、図１（ｄ）の角度θｉｎは正であると定義される。この光線が、センサチップ下で（１０）と交わる場合、角度θｉｎは負であると定義される。回折格子（９´）から回折された推定された光線がセンサチップ上で対象面又は対称軸（１０）と交わる場合、図１（ｄ）の角度θｏｕｔは正であると定義される。この光線が、センサチップ下で（１０）と交わる場合、角度θｉｎは負であると定義される。図１（ｄ）は、θｉｎ及びθｏｕｔは正である場合を示している。
【００５１】
図１の格子に対して、２つの一次回折波＋１及び−１があるが、支配的な一次回折波のみが示されている。θｉｎ及びθｏｕｔの両方が、１つの一次回折波のためのエバネッセント波を生むために十分に負である時に、図１（ｄ）のＳＰＲセンサチップ上の格子（８´）及び（９´）の最適回折効率が達成される。大部分の回折光のエネルギはもう一方の一次回析波において発生し、１００％の近くの回折効率が達成され得る。典型的に、垂直な入射光を有する図１（ａ−ｃ）における回折格子構造では、回折効率はかなり低い（〜４０％まで）。図１（ａ−ｃ）における構成と比較して、負のθｉｎ及びθｏｕｔを伴うより高い回折効率の利点は、光源（ＬＳ）と光検知器（ＬＤ）のより複雑な取付け及びＬＳとＬＤの関するより厳格な位置決めを伴うというペナルティを得ことである。ＳＰＲセンサに対しては、ＬＳからの利用可能な光パワーは、通常十分で、回折効率は完全に最適化される必要はない。
【００５２】
図１（ｅ）は、入力光線がコリメイトされているが、出力ビームがセンサチップから僅かに発散するように格子（３´）が作られている構成を示している。その目的は、ＳＰＲセンサチップの感度を最適化することであり、発散角は、出力ビームサイズを検出アレーのサイズと一致させるために選択される。屈折効果のために、発散角θｄｉｖは、センサチップを十分によく働くことから妨げるほど過度に大きい必要はない。他の構成において、その感度は、出力ビームサイズを検出アレーのサイズと一致させるための有限の収束角を持つことによって更に容易に最適化される。他の構成はセンサチップをカバーし、そこで、出力格子は有限の発散角又は有限の収束角を有する透過回折格子である。収束角又は発散角の大きさは、０°から２０°までの範囲である。
【００５３】
図２は、本発明の方法によって形成されたＳＰＲセンサチップ上の回折格子の追加された４つの構成の断面図を示す。図２（ａ）−（ｄ）の構成において、入力光線はコリメイトされておらず、点光源又は線光源から発せられる。図２（ａ）において、ＳＰＲセンサチップは、透明部材の本体（１）、第１反射回折格子（２）、第２反射回折格子（３）、検知領域（４）、ミラー（５）、コリメータとして動作する一体化されたレンズ（６）を有する。図２（ａ）におけるＳＰＲセンサチップの機能は、以下のようである。点光源又は線状線源からの入力光線は、一体化レンズ（６）経由でコリメイトされ、第１回折格子（２）はその光線を検知領域に焦点調節させ、第２回折格子はそれをコリメイトして出力光線に転換する。図２（ｂ）は、ミラーなしの代替構成であり、検知領域（４）が入力及び出力光線と同じ側に配置される。
【００５４】
図２（ｃ）は、透過回折格子による構成である。ＳＰＲセンサチップは、透明部材の本体（１）、第１透過回折格子（８´´）、第２透過回折格子（９´´）、及び、検知領域（４）を有する。ＳＰＲセンサチップへの入力は、本質的に点光源又は線光源であり、第１回折格子（８´´）は本質的に入力光線を検知領域（４）の下へ焦点調節させ、第２回折格子（９´´）はその光線をＳＰＲセンサチップから出射する出力光線に転換する。図２（ｃ）において、入力光線の中心及び出力光線の中心は、回折格子（８´´）及び（９´´）にそれぞれ垂直である。図２（ｄ）は、入力光線の中心及び出力光線の中心が回折格子（８´´´）及び（９´´´）に対してそれぞれゼロでない角度を示す代替構成を示している。
【００５５】
図３は、ＳＰＲセンサチップ上で統合された透過回折格子のイメージング機能の４つの機能例：（ａ）点光源が点にイメージされる、（ｂ）線光源が線にイメージされる、（ｃ）コリメイトされた光源が点にイメージされる、（ｄ）コリメイトされた光源が線にイメージされる、を示している。本発明は、予め知られている入力光線の角エネルギ分布がＳＰＲセンサチップ表面の点、点配列、スポット、スポット配列、線、線の断片配列、曲線、又は曲線の断片配列にイメージされる、他の透過回折格子の構成をも含んでいる。反射回折格子も、同様の機能を有している。
【００５６】
図４は、本発明に係わる回折格子構造の断面図を示す。図４（ａ）において、格子素子の定義が示される、そこで、ａ０はｘｐ＝ｏの位置における第１の格子素子、 ａｐはｘｐの位置におけるｐ番目の格子素子、及びａＮはｘｐ＝Ｎの位置における最後の格子素子である。
【００５７】
図４（ｂ）は、図３（ａ）及び（ｂ）からの透過回折の断面図を示す。屈折率ｎｃを持つ外部媒体（典型的には空気）における再生ポイント（ｘｃ ，ｙｃ）は、屈折率ｎｊを持つＳＰＲセンサチップ本体のイメージポイント（ｘｉ ，ｙｉ）上にイメージされる。図４（ｃ）は、対応する反射回折格子の断面図を示す。屈折率ｎｊを持つＳＰＲセンサチップ本体の再生ポイント（ｘｃ ，ｙｃ）は、ＳＰＲセンサ本体のイメージポイント（ｘｉ ，ｙｉ）上にイメージされる。
【００５８】
イメージポイント、再生ポイント及び格子素子が図４に定義されるように同じｘ−ｙ平面に位置されるとすると、図４（ｂ）における透過回折格子又は図４（ｃ）における反射回折格子のいずれかのための格子空間は、次式によって決定され、
【００５９】
【数８】
2004505291.tif 000007
【００６０】
ここで、全ての量は正である。式（２）はスカラーフォーム（ｓｃａｌａｒ ｆｏｒｍ）であるが、イメージポイント、再生ポイント及び格子素子が同じｘ−ｙ平面に位置していない場合にはベクトルフォームに容易に修正され得る。
【００６１】
図４（ｄ）は、図３（ｃ）及び（ｄ）からの透過回折格子の断面図を示す。屈折率ｎｃを持つ外部媒体（典型的には空気）におけるコリメイトされた再生光線が、屈折率ｎｊを持つＳＰＲセンサチップ本体のイメージポイント（ｘｉ ，ｙｉ）上にイメージされる。図４（ｅ）は、対応する反射回折格子の断面図を示す。屈折率ｎｊを持つＳＰＲセンサチップ本体のコリメイトされた光線は、ＳＰＲセンサ本体のイメージポイント（ｘｉ ，ｙｉ）上にイメージされる。図４（ｄ）及び（ｅ）に示される格子のための格子周期性の式は、式（１）によって表される。それは、ｙｃ−＞∞又はｘｃ−＞ｘｐと設定することによって、式（２）から導かれる。
【００６２】
回折格子の特性を示すために、式（１）及び（２）は無次元パラメータ（ａｐｎｐ／ｍλ）に関して書かれ得る。式（１）は、
【００６３】
【数９】
2004505291.tif 000008
【００６４】
であり、式（２）は、
【００６５】
【数１０】
2004505291.tif 000009
【００６６】
ここで、回折格子パラメータ、（ｘｐ／ｔ）、（ｘｃ／ｔ）及び（ｙｃ／ｔ）［図４参照］は、ｙｉに関して正規化されている。ＳＰＲセンサチップのために、ＳＰＲ角度は、０．８＜（ｘｐ／ｙｉ）＜６を含み、４０°〜８０°の角度範囲にある。コリメイトされた光線を仮定すると、式（３）に従い無次元パラメータａｐｎｐ／ｍλの対応した変化は１．６から１．０の範囲にある。回折格子への入力光線は、むしろｘｐ／ｔ＝３．７に対応する７３°の検知領域と結合する中心角及び典型的な３５°の角空間分布を有する回折格子の中心の真下に位置する点光源／線光源から発せられたと仮定すると、パラメータ（ｙｃ／ｔ）は３．７であり、式（４）は無次元パラメータにおいて２０から０．６のバリエーションとなる。
【００６７】
図１（ｃ）における第１透過回折格子を形成する斜角ホログラフィック方法が図５に記載されており、その場合、記録波長は再生有効波長（即ち、ＳＰＲ層を照らす光の波長）と同じである。図６には、透過回折格子の機能が示される。図５及び６は図３（ｃ）及び（ｄ）における回折格子の構成に関係するが、本発明の方法はこれらに限定されるものではない。ガラス等のマスタ基板（１１）は、０．５〜３μｍの厚さを有するネガの感光性フィルム等の感光性フィルム（１２）を有する平らな第１表面上にスピンコートされている。その後ホログラフィック記録プロセスにおいて線形な計画（ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｉｍｅ）を達成するために、典型的には２、３秒で、感光性フィルムはＵＶランプによって前露光される。
【００６８】
感光性フィルムは、重合体からなる感光性フィルムが重合体の構造変化に対して感度がある波長を射出する単色及びコヒーレント光源から発せられる２つのオーバーラップした光波によって同時に照らされている。単色及びコヒーレント光源は、ＨｅＣｄレーザ、Ｋｒレーザ又はエキシマーレーザのようなガスレーザが好ましいが、十分な品質を有する半導体ダイオードレーザも同様に使用することができる。物体波として言及されている１つの光波は、斜角の下で、図５において所望の焦点（１４）に焦点調節され、光線（１８）から光線（２０）まで角度範囲の光線によって構成される光波である。マスタ基板（１１）に当たる光線（１８）から（２０）の屈折効果によって、マスタ基板の存在により焦点位置は変えられる。したがって、点（１４）は、マスタ基板（１１）の中まで伸びた光線（１８）から（２０）の間の交点に位置した点として捕らえる。点（１４）は、マスタ基板、感光性フィルム及び周囲媒体の屈折率が同じである場合に、光線（１８）から（２０）の焦点と同じとなる。
【００６９】
図５において光線（１５）−（１７）を伴う参照波として言及されている第２の光波は、コリメイトされ、再生波、即ちＳＰＲセンサチップヘ入力されるコリメイトされた光線、の望ましい方向と同じ方向に入力される。感光性フィルムは、回折格子の正しい深さを確保し及び回折効率を最適化するための適当な露出時間により、オーバーラップされた物体波及び参照波によって露出され、干渉パターン（２１）を作る。露出時間は、回折格子の正しい回折深さを確保するために調整される。４４２ｎｍの波長の物体波及び参照波によって、光強度全体が〜５Ｗ／ｍ２によって露光されるネガティブ・フォトレジストＳｈｉｐｌｅｙ　Ｓ１８２８のような典型的な感光性フィルムでは、露出時間は３０−５０秒である。感光性フィルムは、図６において示されるような複製された基板（１１´）上の透過回折格子（２１´）を作り、転写された表面レリーフパターンを形成するために続いて現像される。透過回折格子は、本質的には図５における干渉パターン（２１）の中心に関して点（１４）の位置と同じである回折格子（２１´）の中心からの位置を伴う図６における焦点（２５）へ向かって（２１´）に入射した光線（２２）−（２４）を伴うコリメイトされた再生光線を導き、焦点調節させる望ましい特質を持っている。
【００７０】
物体波は、典型的には１０°−２０°の角度範囲で、且つ４０°−８０°の範囲にあるＳＰＲセンサチップのＳＰＲ角度に近い中心入射角（θｃ）である、入力斜角の下で感光性フィルムの平面を照らす。入力斜角は、物体波の光強度を感光性フィルム上の露光領域全体でかなり変化させてしまう。これは、物体波の焦点から感光性フィルム平面までの距離の変動、感光性フィルムへの入力物体波の角度分布、感光性フィルムからの反射の角度依存を含む様々な効果による。露光中における光強度のそれらの変動は、物体波、参照波又は両方の角度光強度分布を変化させることによって修正をすることが可能である。これは、例えば、同じ光源から発せられる物体波及び参照波が分割される時に様々な濃度のビームスプリッタを適用すること、又は物体波、参照波又は両方に様々な濃度のフィルタ又はミラーを適用することによって遂行され得る。代替方法は、物体波、参照波又は両方のガウスプロフィルの強度分布を利用することである。
【００７１】
本発明に係わる斜角ホログラフィック方法は、図１（ｃ）における（９）とされる第２の透過回折格子を作ることまで拡張され得る。最初の透過回折格子を光露光する工程段階の後で、基板（１１）をポイント（１４）を横切る軸（１３）の周りを１８０°回転させ、スピンコートされた感光性フィルム（１２）によってカバーされたマスタ基板の平らな第１表面に対して垂直にする。第２回折格子は、第１回折格子と同じ状態で露光され、したがって図１（ｃ）に示される第１回折格子のミラーイメージとして現れるであろう。ポイント（１４）を軸（１３）に揃え且つ基板を回転させることは大事ではないので、位置合せは容易である。
【００７２】
図２（ｃ）の透過回折格子（８´´）、及び（９´´）、及び図２（ｄ）の透過回折格子（８´´´）及び（９´´´）は、同様な方法で作ることができる。その差異は、回折格子（８´´）及び（８´´´）を記録する場合には、図５において光線（１５）−（１７）を伴う参照波として前述された第２光波が、ここでは、同じ位置に配置されたポイントから発せられ、ＳＰＲセンサへの入力再構成光線（即ち、ＳＰＲセンサチップに入力する光源からの光線）の所望の光源と同じ角エネルギ分布を伴っていることである。ＳＰＲセンサチップにおける回折格子形成の斜角ホログラフィック方法は、さらに影響を与える角エネルギ分布を伴う再構成光源及びを検知領域上で他のイメージパターンを含むＳＰＲセンサチップを含むことまで、拡張され得る。物体波は、マスタ基板の平らな第１表面に平行な平面上のパターン（ＳＰＲセンサチップ上での望ましいパターンと同じである）を示し、そして、参照波の角エネルギ分布は、再生波の角エネルギ分布と同じである。ＳＰＲセンサチップの第１回折格子は、検知領域上の望ましいパターンに光源をイメージし、第２回折格子は入力と類似した角エネルギ分布を伴うＳＰＲセンサチップの出力で光を返すであろう。代りに、第２回折格子は第１回折格子同じ物体波で記録されるが、ＳＰＲセンサチップの出力からの光を集める光学検知器との結合を最適化するために参照波の異なった角分布を伴っている。
【００７３】
図１（ｂ）及び図２（ｂ）における第１反射回折格子（２）形成の本発明に係る斜角ホログラフィック方法が、図７に示されている。そこでは、ＳＰＲセンサチップへの記録波長及び再生光線が同じである。反射回折格子の機能が図８に示されている。ガラス等の平らなマスタ基板（１１）は、０．５−３μｍの厚さの、及び、前露光プロセスの厚さが示す状態で感光性フィルム（１２）でスピンコートされ、前述した前露光処理される。感光性フィルムは、干渉縞（３４）を形成する同じ単色且つコヒーレントな光源から発せられた２つのオーバーラップしている光波によって同時に照らされる。１つの光波、物体波として言及される１つの光波は、斜角の下で、望ましいポイント（２６）に焦点調節され、図７において光線（２７）から光線（２９）まで角度範囲の光線から構成される光波である。ポイント（２６）は、光線（２７）から（２９）の焦点、及び複製された基板（１１´）の厚さに等しいマスタ基板の平らな第１表面からの距離に配置される。
【００７４】
図７において光線（３０）−（３２）を伴う参照波として言及される第２の光波は、コリメイトされ、ＳＰＲセンサチップへの再生入力平行光線の所望の方向と同じ方向に入力される。感光性フィルムは、回折格子の正しい深さを保証し且つ回折効率を最適化する適当な露出時間で、オーバーラップしている物体波及び参照波によって露光される。感光性フィルムは、図８に示されるような複製された基板（１１´）上の反射回折格子（３４´）を形成するために転写される表面レリーフパターンを作成するために、続いて現像される。反射回折格子（３４´）は、図８の焦点（３８）へ向かって（３４´）へ入射される光線（３５）−（３７）を伴うコリメイトされた光線を、導びき且つ焦点調節する所望の特質を持っている。また、焦点（３８）は、本質的に回折格子（３４´）の中心からの位置を伴い、図７における干渉パターン（３４）に関する基板（１１）の平らな第１平面に関する反射ポイント（２６）の位置と同じである。
【００７５】
斜角ホログラフィック方法は、図１（ｂ）及び図２（ｂ）において（３）とされる第２反射回折格子を作ることまで拡張され得る。第１反射回折格子を露光する処理工程の後で、マスタ基板（１１）はポイント（２６）と交差する軸（３３）の周りを１８０°回転され、マスタ基板（１１）の平らな第１表面に垂直にされる。第２反射回折格子は、第１反射回折格子と同じ条件で露光され、したがって第１反射回折格子のミラー像として現れるであろう。図１（ｂ）及び図２（ｂ）における反射回折格子は、図１（ａ）及び図２（ａ）における方法と同じ方法で作られ得る。その唯一の差異は、図１（ａ）及び図２（ａ）のセンサチップの厚さは、それぞれ、図１（ｂ）及び図２（ｂ）のセンサチップの厚さの半分であることである。
【００７６】
最も実用的なケースにおいて、ＳＰＲセンサチップへの記録光波及び再生光波の有効波長は異なっている。それは、記録光源及び再構成光源の波長が異なっている、及び／又は複製された基板（１１´）と周囲媒体の屈折率の差異による。これらの状況において光学収差を最小限にするために、記録準備を修正することによって有効波長（即ち、波長を屈折率で割ったもの）における変化を補償しなければならない。概して、物体波及び参照波の両方は、焦点調節又は非焦点調節された波であるべきで、それらの焦点は図５の中央軸（１３）及び図７の中心軸（３３）から外して配置されるであろう。図６及び８における、物体波からのものと参照波からのもの、透過及び反射回折格子のために最小の光学収差を導く修正された記録準備は、図９及び１０にそれぞれ示されている。
【００７７】
そのような修正をするための本発明に係る１つの形態に基づいた方法は、以下のようなものである。２つの光線が光干渉パターンを作る感光性フィルムを照らす場合、回折格子のための干渉パターンにおける２つの線の間の格子空間ａｒｅｃｏｒｄは以下の式で与えられ、
【００７８】
【数１１】
2004505291.tif 000010
【００７９】
ここで、λｒｅｃｏｒｄは記録波長、θ１及びθ２は２つの光線の入力角を言う（図９及び１０参照）。
【００８０】
角度θ０で複製された基板（１１´）で回折される垂直入射されるコリメイトされた再生波にたいして（図６及び８参照）、回折格子ａｒｅａｄのための回折空間は以下の式で与えられ、
【００８１】
【数１２】
2004505291.tif 000011
【００８２】
ここで、λｒｅａｄは再生真空波長であり、ｎｇは複製された基板（１１´）の屈折率を言う。最小収差を得るために、手順は２つの式（５）及び（６）を使い、ａｒｅｃｏｒｄ及びａｒｅａｄの差が最小になるまで、物体波及び参照波の焦点位置を変える。これは、干渉パターン（ｘ）のラインに垂直である方向の機能として、式ａｒｅｃｏｒｄ−ａｒｅａｄを３次に展開することによって達成される。
【００８３】
【数１３】
2004505291.tif 000012
【００８４】
ここで、ｘｃｅｎｔｅｒは干渉パターンのセンタポジションである。係数Ａｏ、Ａ１、Ａ２及びＡ３は、それぞれ、図９及び１０の参照焦点｛ｘｒ、ｘｒ｝、（３９）及び（４１）、図９及び１０の物体焦点｛ｘ０、ｘ０｝、（４０）及び（４２）に対応する。収差最小限にするために、以下の４つの式を解く必要がある。
【００８５】
Ａ０（ｘγ、ｙγ、ｘ０、ｙ０）＝０
Ａ１（ｘγ、ｙγ、ｘ０、ｙ０）＝０
Ａ２（ｘγ、ｙγ、ｘ０、ｙ０）＝０
Ａ３（ｘγ、ｙγ、ｘ０、ｙ０）＝０
４つの方程式は、非線形であり、数値方法を用いて解決されなければならない。実数解のための好ましい推測が、初期から必要とされる。ここで、Ｊ．Ｌａｔｔａ、Ａｐｐｌ　Ｏｐｔ１０、５９９（１９７１）から導き出される解析的近似解のセットは良い選択である。
【００８６】
式（６）は、垂直入射されるコリメイトされた再生波のためのものである。しかしながら、本発明に係る方法は、ゼロとは異なる入射角（θｉ）を伴うコリメイトされない再生波の場合もカバーする（図１（ｄ）及び図２（ｃ−ｄ）の構成を参照）。そして、式（６）は、以下のように修正される。
【００８７】
【数１４】
2004505291.tif 000013
【００８８】
図９及び１０は、透過回折格子及び反射回折格子のための物体波及び参照波の位置をそれぞれ示している。図９において、光線（４６）から光線（４８）までの角度範囲における光線を有する物体波は、斜角の下で、図６において定義された焦点（２５）と交差する軸（１３）を外れた所望のポイント（４０）に焦点調節される。光線（４３）から光線（４５）までの角度範囲における光線を有する参照波は、軸（１３）を外れた所望のポイント（３９）に焦点調節される。図１０において、光線（５２）から光線（５４）までの角度範囲における光線を有する物体波は、斜角の下で、図８において定義された焦点（３８）と交差する軸（３３）を外れた所望のポイント（４０）に焦点調節される。光線（４９）から光線（５１）までの角度範囲における光線を有する参照波は、軸（３３）を外れた所望のポイント（４１）に焦点調節される。
【００８９】
ＳＰＲセンサチップにおける回折格子の機能は、更に表面レリーフ構造上で較正マーク（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍａｒｋｓ）を製造することによって向上し得る。図１１は、入力回折光学素子上に較正マーク（７）及び（７´）を含むＳＰＲセンサチップを示し、そこで、（ａ）はＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）はＳＰＲセンサチップの上面図である。較正マークは、格子構造を取り除いた領域である。したがって、そのような領域に入射した光線は、回折せず、単純に反射される。これは、検知器アレー上で暗線又はダークスポットとしてセンサチップの出力として検出され得る。較正マークは、回折格子のための干渉パターンを露光する前又は後に、感光性フィルムを過露光することによるＳＰＲセンサチップの製造方法を用いて作られる。
【００９０】
これらの較正マークの目的の１つは、隣り合ったマークに入射する光線はＳＰＲ角の絶対値、及び、したがって、ＳＰＲセンサによって測定された屈折率の絶対値に対応するので、ＳＰＲセンサで測定された屈折率の絶対値に関してＳＰＲセンサチップを較正することである。較正マークの別の目的は、検知器アレーの位置と比較したＳＰＲセンサチップの方向及び位置を確認することである。較正マークの第３の目的は、環境の変化、例えば光源の波長シフト、センサチップの移動を引き起こす機械的振動又は温度ドリフト、のために訂正することである。環境にそのような変化が発生するとき、較正マークの位置は検知器アレー上で移動し、ＳＰＲ応答に対する環境上の変化の影響がＳＰＲセンサの感度を向上させるために決定される。
【００９１】
較正マークは、好ましくは格子ラインと平行に並べられたラインであり、好ましくは１つのセンサチップ上に少なくとも２つの較正マークがある。少なくとも１つは高角度側（７）に位置し、少なくとも１つは低角度側（７´）に位置する。代りに、較正マークは、格子に垂直に並べられたラインであり得る。較正マークの幅は、５０−２００μｍの範囲にある。較正マークの長さは、０．５−５ｍｍの範囲にある。較正マークは、ライン以外の他の形状を有することができる。それらは、十字、アスタリスク、円、楕円、多角形であり得るが、本発明はこれらの形に制限されない。
【００９２】
本発明に係る斜角ホログラフィック方法が有する特徴的な利点を以下に示す。第一に、本発明に係る方法は、即ち数秒オーダの、早い、１つの露光工程によって回折格子プロファイルが作成される。これは、熱ドリフト又は他のドリフト効果が最小の効果を持つこと示唆している。第二に、本発明に係る方法は、回折格子の形成上の不正確さを本質的に増加する機械走査を必要としない。アパーチャに沿った格子の周期性は、２つの記録レーザビームによって作成された干渉パターンの性質によって定義される。第三に、２つのレーザビームを正しいポジションに配置することによって、本発明に係る方法は、３次の収差を減少させる。第四に、較正マークを含む様々な画像機能を持つ回折格子が、本発明に適用されるように生成され、入力光線の予め知られている角エネルギ分布が、ＳＰＲセンサチップの表面の所望パターンにイメージされ得る。
【００９３】
形成された表面レリーフパターン（ＳＲＰ）を伴うマスタ基板は、回折格子として働くＳＲＰを持つＳＰＲセンサチップとして使われ得る。代りに、マスタ基板へＳＲＰを転写するために、イオンフライス加工（ｉｏｎ−ｍｉｌｌｉｎｇ）、化学的に支援されたイオンビームエッチング又は反応性イオンエッチング等のドライエッチング技術が、防食層エッチングに感光性フィルムに使われ得る［Ｋ．Ｒｅｉｍｅｒ等、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、３２２６、マイクロエレクトリック構造及び光学処理のためのＭＥＭＳ　ＩＩＩ、Ａｕｓｔｉｎ、頁６（１９９７）］。反射回折格子の場合は、回折効率は、金属のミラーをＳＲＰの上に配置することによって向上し得る。金属は、好ましくは、金、銀、アルミニウム等である。ＳＲＰの深さは、ＳＲＰに配置されるために選択された金属のために回折効率を最大限にするように、感光性フィルムの露光時間及び現像時間を調節することによって調整し得る。金属は、直接現像された感光性フィルム上に蒸着又はスパッタリングによって、又は防食層エッチングを遂行した後で配置される。
【００９４】
ＳＰＲセンサチップを製造するより好ましい方法は、ホットエンボス加工（ｈｏｔ ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）又は成形のような複製技術の使用である。ＳＰＲセンサチップを製造する更により好ましい方法は、射出成形又は射出圧縮成形であり、そこでは非常に多くの（数千の）ＳＰＲセンサチップが、迅速に、再生産的に、且つ安価に製造される。
【００９５】
射出／圧縮成型されたＳＰＲセンサチップにおける回折格子への感光性フィルム上の望ましい表面レリーフパターン（ＳＲＰ）を伴ったマスタ基板の転写処理は、次のとおりである。スパッタリング技術を用いて、マスタ基板は、ニッケル／バナジウム合金等の２、３００ナノメートルの薄い金属層で覆われる。次の工程では、基板はガルバノ溶液（ｇａｌｖａｎｏ−ｓｏｌｕｔｉｏｎ）にさらされ、そこで約０．３ｍｍのニッケルが基板上に置かれる。ニッケルプレートは、今や元のＳＲＰｓのネガイメージを含む基板から分離される。このニッケルプレートは、ニッケルシム（ｓｈｉｍ）又はニッケルマスタと言及される。ニッケルシムは、適当な射出成型／圧縮成型工具の中にマウントされ、そこでニッケルシムは、空洞に向かって面しているＳＲＰｓを伴った成型空洞中に配置される。ＳＰＲセンサチップが射出／圧縮成型されたものであるとき、ＳＲＰｓのネガは、成型されたＳＰＲセンサチップへポジイメージとして転写される。ＳＰＲセンサチップ上のＳＲＰｓは、マスタ基板上で元のＳＲＰｓと同じ複製となる。こうしてＳＲＰｓは、ＳＰＲセンサチップ上の回折格子として機能する。１以上の検知領域が、入力光線が向けられるＳＰＲセンサチップの表面に配置される。
【００９６】
ＳＰＲセンサチップの好ましい成型材料は、アクリル、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ）（商品名ＵＬＴＥＭ１０００、ＵＬＴＥＭ１０１０）、ポリスチレン、ポリウレタン樹脂、シクロアルケン‐共重合体（商品名ＴＯＰＡＳ）、プロブイミド（ｐｒｏｂｉｍｉｄｅ）２９３、ＸＵ−２１８及びポリキノリン（ｐｏｌｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ）等の透明重合体である。
【００９７】
重合体材料は高い成形温度（典型的に、７０度から２００度までの範囲）で成形され、型から外された後で冷やされることが当業者に知られているが、それらは典型的に０．２−０．７％の量だけ収縮する。収縮の結果、再生波（ａｒｅａｄ）によって経験する格子空間、即ちＳＰＲセンサチップ上の格子空間は同じ量だけ減少する。本発明の方法に従った回折光学素子を形成しているとき、物体波及び参照波の位置は、収縮を補償するために調整される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の方法によって形成されたＳＰＲセンサチップ上の回折格子の異なる５つの構成を示し、図１（ａ−ｃ）において入力光線及び出力光線は垂直入射光にコリメイトされ、図１（ｄ）において入力光線は０とは異なる入射角（θｉｎ）を伴ってコリメイトされ且つ出力光線は０とは異なる出力角（θｏｕｔ）を伴ってコリメイトされ、図１（ｅ）において入力光線は垂直入射光にコリメイトされて出力光線は発散角（θｄｉｖ）を伴って発散される断面図である。
【図２】
本発明の方法によって形成されたＳＰＲセンサチップ上の回折格子の異なる４つの構成を示し、入力光線は点光源又はライン光源から発せられ、出力光線はコリメイトされる断面図である。
【図３】
ＳＰＲセンサチップ上に一体化された透過回折格子の機能のイメージを４つの例によって示し、（ａ）は点光源は点としてイメージされ、（ｂ）は線光源はラインとしてイメージされ、（ｃ）はコリメイトされた光源は点としてイメージされ、（ｄ）はコリメイトされた光源は線としてイメージされている図である。
【図４】
回折格子の構成の断面図であり、（ａ）は格子素子の定義を伴い、（ｂ）はＳＰＲセンサチップの本体において外部媒体の再生ポイント（ライン）をイメージポイント（ライン）上にイメージする透過回折格子を伴い、（ｃ）はＳＰＲセンサチップの本体の内側で再生ポイント（ライン）をイメージポイント（ライン）上にイメージする反射回折格子を伴い、（ｄ）はＳＰＲセンサチップの本体において、外部媒体のコリメイトされた光線をイメージポイント（ライン）上にイメージする透過回折格子を伴い、及び（ｅ）はＳＰＲセンサチップの本体の内側でコリメイトされた光線をイメージポイント（ライン）上にイメージする反射回折格子を伴う図である。
【図５】
図１（ｃ）の第１透過回折格子（８）を形成する斜角ホログラフィック方法を示し、記録波長は効果的な再生波長と同じであるとみなされる図である。
【図６】
図５に示された方法によって形成された透過回折格子の機能を示す図である。
【図７】
図１（ｂ）の第１反射回折格子（２）を形成する斜角ホログラフィック方法を示し、記録波長は効果的な再生波長と同じであるとみなされる図である。
【図８】
図７に示された方法によって形成された反射回折格子の機能を示す図である。
【図９】
図１（ｃ）の第１透過回折格子（８）を形成する斜角ホログラフィック方法を示し、記録波長及び再生波長は記録波長のためにしなければならない位置的及び角度的エネルギ分布を補償するために図５と比較して異なる図である。
【図１０】
図１（ｂ）の第１反射回折格子（２）を形成する斜角ホログラフィック方法を示し、記録波長及び再生波長は記録波長のためにしなければならない位置的及び角度的エネルギ分布を補償するために図５と比較して異なる図である。
【図１１】
本発明に係わる方法によって形成された入力光線のための較正マーク（７）及び（７´）を有するＳＰＲセンサチップを示し、（ａ）はＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）はＳＰＲセンサチップの平面図である。
【国際公開パンフレット】
2004505291.tif 000017
2004505291.tif 000018
2004505291.tif 000019
2004505291.tif 000020
2004505291.tif 000021
2004505291.tif 000022
2004505291.tif 000023
2004505291.tif 000024
2004505291.tif 000025
2004505291.tif 000026
2004505291.tif 000027
2004505291.tif 000028
2004505291.tif 000029
2004505291.tif 000030
2004505291.tif 000031
2004505291.tif 000032
2004505291.tif 000033
2004505291.tif 000034
2004505291.tif 000035
2004505291.tif 000036
2004505291.tif 000037
2004505291.tif 000038
2004505291.tif 000039
2004505291.tif 000040
2004505291.tif 000041
2004505291.tif 000042
2004505291.tif 000043
2004505291.tif 000044
2004505291.tif 000045
2004505291.tif 000046
2004505291.tif 000047
2004505291.tif 000048
2004505291.tif 000049
2004505291.tif 000050
2004505291.tif 000051
2004505291.tif 000052
2004505291.tif 000053
2004505291.tif 000054
2004505291.tif 000055
2004505291.tif 000056
2004505291.tif 000057
2004505291.tif 000058
2004505291.tif 000059
2004505291.tif 000060
2004505291.tif 000061
2004505291.tif 000062
2004505291.tif 000063
2004505291.tif 000064
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004505291.tif 000065
2004505291.tif 000066
【国際調査報告】
2004505291.tif 000067
2004505291.tif 000068
2004505291.tif 000069