(57)【要約】【課題】焦電型赤外線センサ等の薄型化と安価のために、薄型でフィルタ効果と集光機能を有する波長依存型平面光学素子の開発が期待されていた。【解決手段】所定の波長帯域を有する入射光に屈折率作用を及ぼす平面光学素子であって、所定の波長帯域を有する入射光を通過させる透過性基板と、その透過性基板の表面或いは裏面に、入射光の波長以下のピッチの凹部で形成された部分周期構造体が、複数配設されて集合周期構造体を形成し、部分周期構造体それぞれの屈折率を段階的に設定して、集合周期構造体が屈折型光学素子を形成することを特徴とする波長依存型平面光学素子。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長帯域を有する入射光に屈折率作用を及ぼす平面光学素子であって、前記所定の波長帯域を有する入射光を通過させる透過性基板の表面或いは裏面に、前記入射光の波長以下のピッチの凹部で形成された部分周期構造体が、複数配設されて集合周期構造体を形成し、
前記部分周期構造体それぞれの屈折率を段階的に設定して、
前記集合周期構造体が屈折型光学素子を形成することを特徴とする波長依存型平面光学素子。
【請求項２】
前記部分周期構造体は、前記入射光の半波長以下のピッチの前記凹部で形成されることを特徴とする請求項１記載の波長依存型平面光学素子。
【請求項３】
前記部分周期構造体を形成する前記凹部は、溝部又は穴部であることを特徴とする請求項１又は２記載の波長依存型平面光学素子。
【請求項４】
前記部分周期構造体の屈折率は、前記溝部の幅そして又は前記溝部のピッチにより、設定されることを特徴とする請求項３記載の波長依存型平面光学素子。
【請求項５】
前記部分周期構造体の屈折率は、前記穴部の表面積そして又は前記穴部のピッチにより、設定されることを特徴とする請求項３記載の波長依存型平面光学素子。
【請求項６】
前記部分周期構造体は、一定深さの前記凹部で構成されることを特徴とする請求項１〜５の波長依存型平面光学素子。
【請求項７】
前記集合周期構造体は、前記透過性基板に同心円で形成された屈折型光学素子であることを特徴とする請求項１〜６いずれか一つに記載の波長依存型平面光学素子。
【請求項８】
前記屈折型光学素子は、前記透過性基板に複数個の屈折型光学素子で屈折型光学素子アレイを形成していることを特徴とする請求項１〜６いずれか一つに記載の波長依存型平面光学素子。
【請求項９】
前記入射光は赤外線であり、前記透過性基板が赤外線透過性基板である請求項１〜８のいずれか一つに記載の波長依存型平面光学素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の波長依存型平面光学素子を、赤外線を検知する焦電素子の前面に配置したことを特徴とする焦電型赤外線センサ。
【請求項１１】
前記入射光は炭酸ガスレーザ光であり、前記透過性基板が屈折型光学素子である請求項１〜８のいずれか一つに記載の波長依存型平面光学素子。
【請求項１２】
所定の波長帯域を有する入射光に屈折率作用を及ぼす平面光学素子の製造方法において、前記所定の波長帯域を有する入射光を通過させる透過性基板を用意する工程と、前記透過性基板の表面或いは裏面に、前記入射光の波長以下のピッチで形成された部分周期構造体が複数配設されて集合周期構造体を形成するための構造体マスクを取り付ける構造体マスク工程と、前記構造体マスクを用いたドライエッチングにより、前記部分周期構造体それぞれの屈折率が段階的に変化する複数の溝を形成するエッチング加工工程とを有することを特徴とする平面光学素子の製造方法。
【請求項１３】
前記透過性基板の表面或いは裏面に、前記入射光の４分の一波長以下のピッチで、一様に形成された無反射構造体溝を形成するための無反射構造体マスクを取り付ける無反射構造体マスク工程と、前記無反射構造体マスクを用いて無反射構造体溝を形成するドライエッチング加工工程と、前記無反射構造体溝上に前記入射光の波長以下のピッチで形成された部分周期構造体が複数配設されて集合周期構造体を形成するための構造体マスクを取り付ける構造体マスク工程と、前記構造体マスクを用いたドライエッチングにより、前記無反射構造体溝上に、前記部分周期構造体それぞれの屈折率が段階的に変化する複数の溝を形成するドライエッチング加工工程とを有することを特徴とする請求項１１に記載の平面光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工が容易で、薄型化が可能な波長依存型平面光学素子と、それを用いた例えば焦電型赤外線センサ、及び波長依存型平面光学素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
焦電型赤外線センサに用いられる焦電素子は、光を熱源として用いており、焦電素子自体は、光の波長依存性が低いため、光を選択する透過フィルタを用意することにより、必要な波長を容易に選べる特性を有する。従って、焦電型赤外線センサの性能を最大限に発揮させるために、検知する特定波長の光を効率よく集光することが重要である。
【０００３】
すなわち、従来の焦電型赤外線センサは、赤外線を検知するための焦電素子と、入射経路に設置された赤外線透過フィルタと、物体から放射された赤外線を焦電素子に集光または結像させる外付けレンズから構成され、この外付けレンズはドーム形状の光屈折型のフレネルレンズが用いられて来た。
【０００４】
また、他の従来技術として、赤外線を検知するための焦電素子と、入射経路に設置された赤外線透過フィルタと、赤外線透過フィルタの表面または裏面に回折光学レンズを一体に形成して、焦電素子に集光または結像させる波長依存型平面光学素子構造を形成したものが用いられていた（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３１０６７９６号公報（第３頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術における焦電型赤外線センサにフレネルレンズを用いるものにあっては、このフレネルレンズの赤外線に対する反射や吸収の影響により、赤外線の透過率は、約５０％であり、光の利用効率に問題があった。更に、焦電型赤外線センサの外側に、ドーム形状に形成されたフレネルレンズで包み込む形態で用いられているものにあっては、センサ全体の大きさが大きくなり、小型化を図るのは不可能であった。
更に、フレネルレンズの輪環の形状は、球面形状、或いは、マルチレベルバイナリ型の８レベルの８段階の段の形状に形成せねばならず、加工が難しく、そして、製造工数が掛かり、高価になる問題があった。
【０００７】
また、特許文献１に示す従来の焦電型赤外線センサは、赤外線透過フィルタの表面または裏面に回折光学レンズを形成し、波長依存型平面光学素子として小型化を図るものであるが、赤外線透過フィルタの平面上に溝を形成する２レベルの回折光学レンズは光利用効率が４０％程度と低く、感度に問題があり、光利用効率を８０％以上に向上するためには階段状に４レベルの４段階、或いは、８レベルの８段階の段を形成せねばならず、加工が難しく、そして、製造工数が掛かり、小型化が図れたとしても、高価になる問題がある等、波長依存型平面光学素子として十分に期待にこたえるものではなかった。
すなわち、焦電型赤外線センサ等の薄型化小型化と安価のために、薄型でフィルタ効果と集光機能を有する波長依存型平面光学素子の開発が期待されていた。
【０００８】
本発明の目的は、上記期待に答えようとするものであり、小型でありながら、光利用効率がよく、加工が容易であって安価な、波長依存型平面光学素子、及び、それを用いた焦電型赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の波長依存型平面光学素子は、上記目的を達成するために、下記記載の構成を採用するものである。
所定の波長帯域を有する入射光に屈折率作用を及ぼす平面光学素子であって、所定の波長帯域を有する入射光を通過させる透過性基板の表面或いは裏面に、入射光の波長以下のピッチの凹部で形成された部分周期構造体が、複数配設されて集合周期構造体を形成し、部分周期構造体それぞれの屈折率を段階的に設定して、集合周期構造体が屈折型光学素子を形成することを特徴とする。
【００１０】
なお、部分周期構造体は、入射光の半波長以下のピッチの凹部で形成されることが好ましい。
また、部分周期構造体を形成する凹部は、溝部又は穴部であることが好ましい。
また、部分周期構造体の屈折率は、溝部の幅そして又は溝部のピッチにより、設定されることが好ましい。
また、部分周期構造体の屈折率は、穴部の表面積そして又は穴部のピッチにより、設定されることが好ましい。。
また、部分周期構造体は、一定深さの凹部で構成されることが好ましい。
【００１１】
また、集合周期構造体は、透過性基板に同心円で形成された屈折型光学素子であることが好ましい。
また、屈折型光学素子は、透過性基板に複数個の屈折レンズで屈折型レンズアレイを形成してもよい。
【００１２】
また、入射光は赤外線であり、透過性基板が赤外線透過性基板であってもよい。
また、波長依存型平面光学素子は、赤外線を検知する焦電素子の前面に配置してもよい。
また、入射光は炭酸ガスレーザ光であり、透過性基板が屈折型光学素子であることが好ましい。
【００１３】
本発明の波長依存型平面光学素子の製造方法は、所定の波長帯域を有する入射光を通過させる透過性基板を用意する工程と、透過性基板の表面或いは裏面に、入射光の波長以下のピッチで形成された部分周期構造体が複数配設されて集合周期構造体を形成するための構造体マスクを取り付ける構造体マスク工程と、構造体マスクを用いたドライエッチングにより、部分周期構造体それぞれの屈折率が段階的に変化する複数の溝を形成するエッチング加工工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
また、透過性基板の表面或いは裏面に、入射光の４分の一波長以下のピッチで、一様に形成された無反射構造体溝を形成するための無反射構造体マスクを取り付ける無反射構造体マスク工程と、無反射構造体マスクを用いて無反射構造体溝を形成するドライエッチング加工工程と、無反射構造体溝上に入射光の波長以下のピッチで形成された部分周期構造体が複数配設されて集合周期構造体を形成するための構造体マスクを取り付ける構造体マスク工程と、構造体マスクを用いたドライエッチングにより、無反射構造体溝上に、部分周期構造体それぞれの屈折率が段階的に変化する複数の溝を形成するエッチング加工工程とを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、透過性基板の表面或いは裏面に入射光の波長以下のピッチの溝部や穴部を形成し、溝部の溝幅や穴部の表面積をパラメータとして、段階的に屈折率を設定して屈折率分布を形成するだけで、屈折型レンズの形成を可能としたので、小型薄型で、低価格の、光利用効率の高い、高感度の波長依存型平面光学素子及びそれを用いた焦電型赤外線センサ等を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１における焦電型赤外線センサの斜視図である。
【図２】本発明の実施例１における焦電型赤外線センサの断面図である。
【図３】本発明の実施例１における焦電型赤外線センサの透過性基板に形成された部分周期構造体を説明するための模式的な部分断面拡大図である。
【図４】本発明の実施例１における焦電型赤外線センサの透過性基板に形成された集合周期構造体の屈折型レンズを説明するための模式的な断面図である。
【図５】本発明の実施例１における波長依存型平面光学素子の屈折型レンズの平面図である。
【図６】本発明の実施例２における複数個の屈折型レンズで形成された波長依存型平面光学素子の屈折型レンズアレイの平面図である。
【図７】本発明の実施例３における透過性基板に形成された部分周期構造体を説明するための部分拡大図である。
【図８】本発明に係る波長依存型平面光学素子の製造工程を説明するための工程図である。
【図９】上記の図８の続きの製造工程で、波長依存型平面光学素子の製造工程を説明するための工程図である。
【図１０】本発明の実施例４における透過性基板に形成された無反射周期構造体と集合周期構造体を説明するための模式的な断面図である。
【図１１】本発明の実施例５における炭酸ガスレーザ装置の全体構成を説明するための模式的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体的に説明する。
なお、以下に説明する実施例１から実施例４において、人が発する赤外線、すなわち、波長約１０μｍの赤外線を検知する焦電型赤外線センサを例として説明する。
【００１８】
［実施例１]
図１から図５は、本発明の実施例１の焦電型赤外線センサの構成を説明するための図面であり、図１は、この焦電型赤外線センサの外観の斜視図であり、図２は、この焦電型赤外線センサの断面図である。図３は、透過性基板の表面に、一定ピッチの溝部により形成された部分周期構造体を模式的に示す部分断面拡大図である。図４は、本発明の実施例１における波長依存型平面光学素子の屈折型レンズを説明するための模式的な断面図であり、図５は本発明の実施例１における波長依存型平面光学素子の屈折型レンズの平面図である。
【００１９】
［焦電型赤外線センサの全体構成：図１〜図２］
まず、図１と図２を用いて実施例１の焦電型赤外線センサの全体構成を説明する。なお、各図において、同一の構成部材には同一の番号を付して重複する説明は省略する。
【００２０】
図1に示すように、焦電型赤外線センサ１は、いわゆる、表面実装型であって、外径寸法は、幅４ｍｍ、奥行き４ｍｍ、厚さ３ｍｍほどで、非常に小型の形状で形成されている。ケース１２は、その内部に焦電素子と電子回路を内蔵し、ケース１２のケース窓１２１には、シリコン基板からなる平板の波長依存型平面光学素子２０が配置され、赤外線が入射する窓として形成されている。
【００２１】
図２の焦電型赤外線センサ１の断面図に示すように、回路基板１４は、ＢＴレジン（三菱ガス化学の商標名）からなるガラス基材銅張積層板であって、その上面には、固定抵抗素子１５と電界効果トランジスタ１６が実装され、焦電素子の高い出力インピーダンスを下げる働きを担った電子回路を形成している。そして、下面には、端子（図示せず）が形成され、電子回路の駆動電源端子と検出信号の出力端子を備え、表面実装が可能なように配置されている。
【００２２】
スペーサ基板１３は、回路基板１４と同様の材質からなり、回路基板１４に接着固定され、銀ペーストにて電気的に接合されている。
焦電素子１０は、ＬｉＴａＯ３からなり、熱伝導の影響を極力小さくするため、構成部品との接触面積を小さくして、浮かした状態で配設するのが好ましく、スペーサ基板１３の中段に、両端を銀ペーストで接合され、スペーサ基板１３の配線パターン（図示せず）を経由して、電気的に電子回路１４と接続されている。
【００２３】
焦電素子１０の上部には、波長依存型平面光学素子２０がスペーサ基板１３に位置決め接着され、銀ペーストで接合して配設されている。そして、その波長依存型平面光学素子２０は、入射光に含まれる赤外線１７を選択し、焦電素子１０に赤外線１７を集光する屈折型レンズの機能を備えている。この波長依存型平面光学素子２０の構成と機能に付いては、図３〜図５にて詳細に説明する。
【００２４】
ケース１２は、ＳＰＣＣ或いはＳＵＳからなり、焦電素子１０を外乱光から遮光すると共に電磁シールドする機能を有し、上述したように、波長依存型平面光学素子２０に赤外線１７の入射を可能にするように、ケース窓１２１を備えている。
【００２５】
［透過性基板に形成された波長依存型平面光学素子（屈折型レンズ）の説明：図３〜図５］
図３は、透過性基板の表面に、一定ピッチの凹部、すなわち、溝部からなる部分周期構造体を、模式的に示す部分断面拡大図である。図４は、透過性基板に形成された複数の部分周期構造体を配設して集合体をなした集合周期構造体の屈折型レンズを説明するための模式的な図であり、図５は、図４（ｂ）で示された波長依存型平面光学素子の平面図である。
【００２６】
図３において、本発明の基本的な考え方を説明する。
入射光の波長以下のピッチの周期構造を持った構造体を物質表面に形成するモスアイ構造においては、空気側からその物質中に光が入射する際、物質表面の矩形の周期構造体により、光は空気とこの物質との中間の屈折率を持つ物質が、空気とこの物質との間に存在すると感じて、屈折率が低下する。このことは、一般的に良く知られていることである。
従って、透過性基板上に、赤外線の波長以下のピッチで複数個の溝を加工し、矩形の部分周期構造体を形成することで、その部分周期構造体の屈折率が透過性基板本体の屈折率より低い屈折率に形成することが可能となる。以下詳細に説明する。
【００２７】
図３の断面図に示すように、透過性基板１１の表面に、凹部として、一定間隔のピッチＰで一定深さＬの溝幅Ｗを有する溝部２１を形成し、そして、凸部である矩形部２２が形成される。この溝部２１と矩形部２２の集合体で部分周期構造体２３が形成されている。部分周期構造体２３は、ピッチＰが人の発する赤外線波長以下の１０μｍ以下で形成され、入射光の波長よりも短い周期構造を持っている。従って、赤外線に対するこの部分周期構造体２３の屈折率Ｎｘは、溝部のピッチをＰ、溝の幅をＷ、物質の屈折率をＮ、空気の屈折率をｎとすると、Ｎｘ＝（ｎ×Ｗ＋Ｎ×（Ｐ−Ｗ））／Ｐで表される。
【００２８】
上記の式により、部分周期構造体２３の屈折率は、溝部２１のピッチＰを一定にして、溝部２１の溝幅Ｗをパラメータとすることで、所定の屈折率を形成することが可能となり、また、溝部２１の溝幅Ｗを一定にして、ピッチＰをパラメータとすることで、所定の屈折率を形成することが可能となる。すなわち、透過性基板１１の材質による屈折率Ｎから空気の屈折率＝１まで、屈折率Ｎｘを設定することが可能となる。
【００２９】
従って、図４において詳細に説明するが、溝幅の異なる複数の部分周期構造体２３を配列して、溝幅Ｗを順にそれぞれ段階的に減少すると、それぞれの部分周期構造体２３の屈折率Ｎｘがその配列順に応じて段階的に増加する。すなわち、屈折率の異なる複数の部分周期構造体２３を配設して集合体をなした集合周期構造体を形成することで、平板の均一な屈折率を有する透過性基板に屈折率分布を形成することが可能となり、その屈折率分布の設定により透過性基板に屈折型光学素子の屈折型レンズすなわち波長依存型平面光学素子を形成することが可能となる。
【００３０】
また、溝部２１の溝幅Ｗを一定にして、溝部２１のピッチの異なる部分周期構造体２３を配列した集合周期構造体を形成しても、上記と同様に、透過性基板に屈折率分布を形成することが可能で、透過性基板に屈折型光学素子の屈折型レンズを形成することが可能となる。
【００３１】
更に、複数の溝幅の異なる部分周期構造体２３と溝部２１のピッチの異なる部分周期構造体２３を組み合わせて配列し集合周期構造体を形成して、透過性基板に屈折型レンズを形成することも可能である。
【００３２】
以下、図４において、この屈折率分布を適用して集合周期構造体による屈折型光学素子の屈折型レンズの構成を詳細に説明する。
図４は、本発明の実施例１における透過性基板に形成された複数の部分周期構造体を、屈折率の順に配設して集合体を形成した集合周期構造体が、屈折型レンズの機能を有することを説明するための模式的な断面図であり、図４（ａ）は、赤外線透過フィルタ上に、焦電素子に赤外線を集光するフレネルレンズ（マルチレベルバイナリ型フレネルレンズ）を配置した模式的な図の断面図であり、図４（ｂ）は、実施例１における透過性基板の表面に集合周期構造体を形成し、波長依存型平面光学素子を形成した模式的な図の断面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）のフレネルレンズの輪環と、図４（ｂ）の集合周期構造体の屈折型レンズを対比して説明するための部分拡大した模式的な断面図である。
【００３３】
図４（ａ）に示すように、フレネルレンズ４０は、赤外線透過フィルタ１１１の表面に、中心線Ｏを中心とした同心円状の複数の輪環４１〜４７の集合体により構成され、焦電素子１０に赤外線を集光可能に形成されている。すなわち、図２に示す波長依存型平面光学素子２０と置き換えたとしても、赤外線透過フィルタ１１１とフレネルレンズ４０を一体化した構成で、フレネルレンズの輪環４１〜４７それぞれが、焦電素子１０に赤外線を集光することが可能な構成になっている。
【００３４】
図４（ｂ）に示すように、透過性基板１１の表面に、中心線Ｏを中心として、集合周期構造体３１〜３７が同心円状に形成されている。集合周期構造体３１は、詳細は図４（ｃ）で説明するが、図３で説明した部分周期構造体２３の溝幅を８段階に分割して形成し、段階的に配列した集合体で構成されている。
そして、透過性基板１１の表面に形成した集合周期構造体３１〜３７それぞれは、後述するように、フレネルレンズ４０の輪環４１〜４７のそれぞれに対応して入射した赤外線を屈折して焦電素子に集光する機能を有し、波長依存型平面光学素子２０を形成する。
以下その機能を、詳細に説明する。
【００３５】
図４（ｃ）において一番外側のフレネルレンズの輪環４１と透過性基板１１の一番外側の集合周期構造体３１との対比を例として、透過性基板１１の屈折型レンズとしての構成、機能を説明する。
【００３６】
図４（ｃ）の上段に示すように、フレネルレンズの輪環４１は、マルチレベルバイナリ型フレネルレンズで形成され、８段階に量子化されて形成されている。すなわち、輪環４１の上部からａ部、ｂ部、ｃ部、ｄ部、ｅ部、ｆ部、ｇ部、ｈ部の８段階で形成されている。そして、それぞれ各部分の長さは、図では一部代表だけを示しているが、ｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ、ｌｅ、ｌｆ、ｌｇ、ｌｈである。従って、光路長は、ａ部がｎ×ｌａ、ｂ部がｎ×ｌｂ、ｃ部がｎ×ｌｃ、ｄ部がｎ×ｌｄ、ｅ部がｎ×ｌｅ、ｆ部がｎ×ｌｆ、ｇ部がｎ×ｌｇ、ｈ部がｎ×ｌｈである。すなわち、フレネルレンズの輪環４１は、光路長のｎ×ｌａ：ｎ×ｌｂ：ｎ×ｌｃ：ｎ×ｌｄ：ｎ×ｌｅ：ｎ×ｌｆ：ｎ×ｌｇ：ｎ×ｌｈの比と、振幅（光路長の値）で、入射赤外線を焦電素子に集光する機能を持っている。
【００３７】
このフレネルレンズの輪環４１の光路長ｎ×ｌａ〜ｎ×ｌｈのそれぞれの比に対して、透過性基板１１に形成されたそれぞれの部分周期構造体の屈折率の比を一致させて部分周期構造体を配列し、集合周期構造体３１を形成することで、透過性基板１１の集合周期構造体３１が、フレネルレンズの輪環４１と同様に、赤外線を集光する機能を有することが可能となる。
【００３８】
図４（ｃ）の下段に示す部分周期構造体は、ピッチ一定で溝部の幅をパラメータとして屈折率を形成した例である。
すなわち、透過性基板１１の表面に構成した部分周期構造体において、ピッチ一定で溝部の幅の異なる部分周期構造体のＡ部、Ｂ部、Ｃ部、Ｄ部、Ｅ部、Ｆ部、Ｇ部、Ｈ部からなる集合周期構造体３１は、構成する部分周期構造体Ａ部〜Ｈ部の屈折率Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃ、Ｎｄ、Ｎｅ、Ｎｆ、Ｎｇ、Ｎｈと、溝深さＬから、それぞれの光路長は、Ｎａ×Ｌ、Ｎｂ×Ｌ、Ｎｃ×Ｌ、Ｎｄ×Ｌ、Ｎｅ×Ｌ、Ｎｆ×Ｌ、Ｎｇ×Ｌ、Ｎｈ×Ｌである。
【００３９】
従って、フレネルレンズの輪環４１のマルチレベルバイナリのａ部〜ｈ部の８段階の光路長の比に対し、透過性基板１１に構成された集合周期構造体３１の部分周期構造体Ａ部〜Ｈ部の光路長の比を、ｎ×ｌａ：ｎ×ｌｂ：ｎ×ｌｃ：ｎ×ｌｄ：ｎ×ｌｅ：ｎ×ｌｆ：ｎ×ｌｇ：ｎ×ｌｈ＝Ｎａ×Ｌ：Ｎｂ×Ｌ：Ｎｃ×Ｌ：Ｎｄ×Ｌ：Ｎｅ×Ｌ：Ｎｆ×Ｌ：Ｎｇ×Ｌ：Ｎｈ×Ｌとすることで、フレネルレンズの輪環４１の曲率と透過性基板１１の集合周期構造体３１の曲率が同じくなる。
【００４０】
すなわち、ｎ×ｌａ：ｎ×ｌｂ：ｎ×ｌｃ：ｎ×ｌｄ：ｎ×ｌｅ：ｎ×ｌｆ：ｎ×ｌｇ：ｎ×ｌｈ＝Ｎａ：Ｎｂ：Ｎｃ：Ｎｄ：Ｎｅ：Ｎｆ：Ｎｇ：Ｎｈとなるように透過性基板１１のそれぞれの部分周期構造体Ａ部〜Ｈ部の溝部２１（図３参照）の溝幅を調整して、部分周期構造体Ａ部〜Ｈ部の屈折率をＮａ〜Ｎｈに設定することでレンズとしての曲率がフレネルレンズの輪環４１と同一に形成される。
【００４１】
シリコン基板である透過性基板１１の屈折率は約３．５であるから屈折率Ｎａ〜Ｎｈは１〜３．５まで設定させることが可能である。故に、光路長の比率が１〜３．５の割合で設計されたマルチレベルバイナリ型フレネルレンズの輪環４１に対応して部分周期構造体Ａ部〜Ｈ部の溝部の溝幅を調整し屈折率を設定するだけで、集合周期構造体３１を屈折型レンズとして形成することが可能となる。
【００４２】
すなわち、シリコン基板からなる透過性基板の表面に、検知する赤外線の波長以下のピッチで溝部を形成した複数の部分周期構造体に、それぞれ異なった溝幅を設定して、段階的に異なる屈折率を有する部分周期構造体を順に配設し、集合周期構造体を形成することで、フレネルレンズと同様の機能を有する屈折型レンズ、すなわち、波長依存型平面光学素子を、形成することが可能となる。
【００４３】
更に、Ｎａ×Ｌ：Ｎｂ×Ｌ：Ｎｃ×Ｌ：Ｎｄ×Ｌ：Ｎｅ×Ｌ：Ｎｆ×Ｌ：Ｎｇ×Ｌ：Ｎｈ×Ｌの比は変えずに、溝深さＬによりＮａ×Ｌ〜Ｎｈ×Ｌの光路長の値（振幅）から焦点距離を設定することが可能となる。すなわち、溝深さＬをより深くすることで、より短い焦点距離の屈折型レンズを形成することが可能となる。
【００４４】
部分周期構造体の溝部のピッチは、人の発する赤外線が溝として感じ得ない赤外線の波長１０μｍ以下で形成することが必須であるが、実用上では、溝部のピッチのバラツキおよび溝幅のバラツキが加工上必ず存在するから、部分周期構造体としての効果を明確に発揮するのは半波長の５μｍ程度が良好であり、また、そのピッチの最小値は、溝部を形成するアクセプト比の実用値からおのずと限界があることは自明のことである。
【００４５】
図５に示すように、図４（ｂ）に示した波長依存型平面光学素子２０は、その表面に、中心点Ｏを中心として、集合周期構造体３１〜３７が同心円で形成されている。
すなわち、マルチレベルバイナリ型フレネルレンズの輪環４１〜４７それぞれの光路長の比に対して、上述した輪環４１と集合周期構造体３１の対比と同様な手法で、集合周期構造体３１〜３７それぞれの曲率と振幅を設定することによって、透過性基板１１に波長依存型平面光学素子２０を形成し、焦電素子の中央部に赤外線を集光することが可能となる。
【００４６】
上記説明から明らかなように、透過性基板１１に形成された集合周期構造体３１〜３７は赤外線には屈折型レンズとしての機能を有するが、赤外線の波長より短い可視光線は、部分周期構造体の溝部、矩形部を認識するから、透過し、屈折せず集光することはない。従って、透過性基板に形成された屈折型光学素子の屈折型レンズは、赤外線に対してだけ集光作用を有する赤外線透過フィルタとしての機能も有する波長依存型平面光学素子２０を形成している。
【００４７】
故、本発明の実施例１における透過性基板は、波長依存型平面光学素子として、赤外線透過フィルタと屈折型レンズの２つの機能を有して、焦電素子に赤外線を集光する焦電型赤外線センサを形成することが可能であるから、小型で、低価格の、光利用効率の高い、高感度の焦電型赤外線センサを提供することが可能となる。
【００４８】
［実施例２］
次に、本発明に係る波長依存型平面光学素子を用いた焦電型赤外線センサの実施例２について説明する。
実施例２は、実施例１に対して、透過性基板の表面又は裏面に形成する集合周期構造体の配置が異なるだけで、それ以外の構成については、実施例１と構造、材質、機能は同じである、従って、波長依存型平面光学素子だけを示して説明する。
【００４９】
［実施例２の波長依存型平面光学素子の構成：図６］
図６は、本発明の実施例２における波長依存型平面光学素子は、透過性基板の表面又は裏面に形成された屈折型レンズが、放射状に複数個形成された屈折型レンズアレイの構成を説明するための平面図である。
【００５０】
図６に示すように、透過性基板１１上のＯ、Ｏ１、Ｏ２それぞれを中心点として同心円状の集合周期構造体の５１〜５４により屈折型レンズが形成されている。そして、中心点Ｏ１、Ｏ２の屈折型レンズそれぞれは中心点Ｏを中心として同心円上に放射状に形成されている。集合周期構造体５１〜５４は、前述したように、部分周期集合体の屈折率を設定することで、屈折レンズと赤外線透過フィルタの２つの機能を有した波長依存型平面光学素子２０として、焦電素子の複数個所に赤外線を集光するように形成されている。
【００５１】
このように赤外線を焦電素子の複数個所に集光することで、赤外線を検知する領域範囲内で、その赤外線の視野を複数に分離することになる。従って、検知する領域範囲内で検知対象物のわずかな動きであっても、複数領域の集光の差分が大きくなり、センサ出力が大きくなって、検知対象物を確実に検知することが可能であり、特に、検知対象物が移動する場合に最適となる機能を有する焦電型赤外線センサが提供可能となる。
【００５２】
［実施例３］
次に、本発明に係る焦電型赤外線センサの実施例３について説明する。
実施例３は、実施例１に対して、透過性基板の表面又は裏面に形成する部分周期構造体の形状が異なるだけで、それ以外の構成については、実施例１と構造、材質、機能は同じである、従って、透過性基板の部分周期構造体の一部を示して説明する。
【００５３】
［実施例３の部分周期構造体の構成：図７］
図７は、本発明の実施例３における透過性基板に形成された部分周期構造体の一部を拡大して示す図であり、実施例１に説明した溝部の替わりに穴部を形成した部分周期構造体の一部分の図である。
【００５４】
図７（ａ）は、透過性基板の表面に穴部で形成された部分周期構造体の一部を抜き出して模式的に示す部分的な斜視図であり、実際は、この斜視図の周囲に同様の構造体が連続して形成されている。図７（ｂ）は、この部分周期構造体の一部を更に拡大して示した平面図でる。
【００５５】
図７（ａ）に示すように、透過性基板１１の表面に形成された部分周期構造体２４は、凹部として、実施例１の溝部に相当する六角柱形状の穴部２５が、赤外線の波長以下のピッチで連続して形成され、そして、穴部２５の周囲の壁部２６と共に、いわゆる、ハニカム構造の形状で構成されている。穴部２５の周囲の壁部２６は、実施例１で説明した矩形部２２に相当し凸部を形成している。
【００５６】
図７（ｂ）に示すように、部分周期構造体２４は、穴部２５とその周囲の六角形の壁部２６（二点差線で示す）からなるセル２７の集合体により形成される。隣り合った六角形のセル２７は、赤外線の波長以下の一定ピッチＰで配列している。従って、この部分周期構造体２４の屈折率Ｎｘは、平面図上の穴部２５の表面積をＳ１、壁部２６の表面積をＳ２、および、透過性基板の屈折率をＮ、穴部の屈折率をｎとすると、Ｎｘ＝（ｎ×Ｓ１＋Ｎ×Ｓ２）／（Ｓ１＋Ｓ２）で表される。
【００５７】
上記の式により、部分周期構造体２４の屈折率Ｎｘは、一定ピッチで形成された穴部２５の表面積Ｓ１をパラメータとすることで、すなわち、壁部２６の外形形状を一定にして穴部の形状をパラメータとして、所定の屈折率を形成することが可能であり、他方、一定表面積で形成された穴部２５のピッチを、赤外線の波長以下の値で、パラメータとすること、すなわち、壁部２６の外形形状をパラメータとして、所定の屈折率を形成することも可能である。
【００５８】
故に、図３で説明したと同様に、一定ピッチで形成された穴部２５の、その表面積Ｓ１の異なる複数の部分周期構造体２４を配列して、表面積Ｓ１を順にそれぞれ段階的に減少すると、それぞれの部分周期構造体２４の屈折率Ｎｘがその配列順に応じて段階的に増加する。すなわち、屈折率の異なる複数の部分周期構造体２４を配設して、集合体をなした集合周期構造体を形成することで、平板の本来均一な屈折率を有する透過性基板に屈折率分布を形成し、実施例１と同様に波長依存型平面光学素子を形成することが可能となる。
【００５９】
また、上記とは逆に、穴部２５の表面積Ｓ１を一定にして、穴部２５の配列のピッチの異なる部分周期構造体２４を配列することより集合周期構造体を形成して、透過性基板に屈折率分布を形成し、透過性基板に屈折型光学素子である屈折型レンズを形成することも可能となる。更に、この穴部２５と壁部２６は、ハニカム構造を形成するから、壁部２６が非常に薄く形成されたとしても構造が安定で強度に優れた屈折型レンズの提供が可能となる。
【００６０】
［波長依存型平面光学素子の製造方法：図８、図９］
次に、波長依存型平面光学素子の製造方法として、透過性基板に赤外線の無反射周期構造体を有する部分周期構造体を製造する方法を、図８と図９を用いて説明する。
無反射周期構造体は、部分周期構造体を形成する凹凸の矩形の構造体を、更に先の尖った錐形にすることで形成される。すなわち、この錐形構造の反射率は、空気と物質間との屈折率が穏やかに変化するようになるので、更に低下することがよく知られている。
【００６１】
図８は、本発明の焦電型赤外線センサの透過性基板に赤外線の無反射周期構造体の製造工程を模式的に示して説明するための工程図である。図９は、図８の続きの工程で、集合周期構造体を形成する複数の部分周期構造体の一部を模式的に示して製造方法を説明するための工程図である。各図において、同一の構成部材には同一の番号を付して重複する説明は省略する。
【００６２】
図８に示すように、製造工程ＳＴ―０１において、透過性基板を用意する工程であって、シリコン基板からなる透過性基板１１を製造装置に投入し、セットする。
【００６３】
次に、製造工程ＳＴ−０２から製造工程ＳＴ−０４は無反射構造体マスク工程であって、初めの製造工程ＳＴ−０２（拡散工程）において、透過性基板１１の表面にＳｉＯ２の酸化皮膜６１を形成する。
【００６４】
次に、製造工程ＳＴ−０３（レジスト形成）において、透過性基板１１のＳｉＯ２酸化皮膜６１表面に、ネガ型レジストを塗布後、露光、エッチングをして、無反射周期構造体を形成するマスクパターン、すなわち、赤外線の１／４波長以下のピッチで形成されたネガ型レジストの無反射用マスク６２を形成する。
【００６５】
次に、製造工程ＳＴ−０４（異方性エッチング）において、ネガ型レジストの無反射用マスク６２によりＳｉＯ２をドライエッチングで除去し、透過性基板１１にＳｉＯ２の無反射用ＳｉＯ２マスク６３を形成する。
【００６６】
次に、製造工程ＳＴ−０５から製造工程ＳＴ−０６は、ドライエッチング加工工程であって、製造工程ＳＴ−０５（等方性エッチング）において、ネガ型レジストの無反射用マスク６２の剥離を行い、無反射用ＳｉＯ２マスク６３によって、透過性基板１１にドライ又はウェットエッチングでＳｉにオーバーエッチングを行い、尖った先端が形成された無反射周期構造体２８を形成する。
【００６７】
次に、製造工程ＳＴ−０６（ＳｉＯ２の除去）において、透過性基板１１の無反射周期構造体２８の形成に用いた無反射用ＳｉＯ２マスク６３を、反応性薬液（希フッ酸）を用いて溶解する。
【００６８】
続いて、部分周期構造体及び集合周期構造体を形成する製造工程に移行し、図９に示す製造工程ＳＴ−０７から製造工程ＳＴ−１０は、構造体マスク工程であって、初めに、製造工程ＳＴ−０７（ＳｉＯ２再形成）において、透過性基板１１の無反射周期構造体２８の上にＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、ＳｉＯ２６４を再び形成する。
【００６９】
次に、製造工程ＳＴ−０８（表面研磨）において、再形成されたＳｉＯ２６４の表面をフォトリソによるエッチングが可能な平面を形成するため、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈ）により、凹凸面を平滑にする。
【００７０】
次に、製造工程ＳＴ−０９（レジスト形成）において、再形成されたＳｉＯ２６４の表面にポジ型レジストを塗布後、露光、エッチングをして、赤外線の波長以下のピッチの凹部、すなわち、溝部を有する部分周期構造体を形成するため、部分周期構造体用マスク６５を形成する。
【００７１】
次に、製造工程ＳＴ−１０（異方性エッチング）において、ポジ型レジストの部分周期構造体用マスク６５でＳｉＯ２をドライエッチングして除去し、透過性基板１１にＳｉＯ２の部分周期構造体用ＳｉＯ２マスク６６を形成する。
【００７２】
次に、製造工程ＳＴ−１１から製造工程ＳＴ−１２は、ドライエッチング加工工程であって、製造工程ＳＴ−１１（反応性イオンエッチング）において、ポジ型レジストの部分周期構造体用マスク６５の剥離を行った後、ＳｉＯ２の部分周期構造体用ＳｉＯ２マスク６６を用いて、透過性基板１１に、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりアクセプト比の大きい、すなわち、深さのある溝部２１と、矩形部２２を形成する。
【００７３】
次に、製造工程ＳＴ−１２（ＳｉＯ２の除去）において、透過性基板１１に形成されていたＳｉＯ２酸化皮膜６１と部分周期構造体用ＳｉＯ２マスク６６をＨＦ−Ｅｔｃｈｉｎｇ（フッ酸エッチング）により除去し、透過性基板１１に部分周期構造体が形成される。
【００７４】
上記製造工程によって、同一のドライエッチングの製造装置を用いながら、透過性基板１１に無反射周期構造体２８と部分周期構造体である溝部２１、矩形部２２を形成する波長依存型平面光学素子の製造方法は、単に平板に溝部をドライエッチングで形成するだけの２レベルの容易な加工であり、製造工数も掛からず安価に製造することが可能となる。なお、穴部を形成する製造方法も、同一の製造装置で同一の製造工程であることは言うまでもない。
【００７５】
［実施例４］
次に、本発明に係る波長依存型平面光学素子の実施例４について説明する。
実施例４は、上記製造工程によって透過性基板に形成された波長依存型平面光学素子であって、実施例１と異なる点は、透過性基板に形成された部分周期構造体の表面に無反射周期構造体が形成されているだけで、それ以外の構成については、実施例１と構造、材質、機能は同じである。
【００７６】
［実施例４の波長依存型平面光学素子の構成：図１０］
図１０は、透過性基板に形成した集合周期構造体の模式的な断面図とその部分拡大図であり、上述した製造工程により無反射周期構造体を形成した透過性基板１１を説明するための模式的な断面図である。図において、同一の構成部材には同一の番号を付して重複する説明は省略する。
【００７７】
図１０（ａ）に示すように、実施例１の図４（ｃ）の下段の図と同様に、透過性基板１１の表面に形成された部分周期構造体Ａ部、Ｂ部、Ｃ部、Ｄ部、Ｅ部、Ｆ部、Ｇ部、Ｈ部のそれぞれは、赤外線の波長以下のピッチで溝部が形成され、段階的に溝幅が変えられ、その溝幅に応じた屈折率を有している。従って、平板の透過性基板１１は、部分周期構造体Ａ部〜Ｈ部からなる屈折率分布を形成して、集合周期構造体３１をなし、赤外線を集光する屈折型光学素子の屈折型レンズの機能を備えている。
【００７８】
そして、部分拡大図の図１０（ｂ）の部分周期構造体Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の上面に示すように、図８で説明した製造工程ＳＴ０１〜ＳＴ０６で形成された無反射周期構造体２８が赤外線の１／４波長以下のピッチで形成されている。この無反射周期構造体２８を分かり易く示すため、部分周期構造体Ａ、Ｂ、Ｃの部分を拡大図にしたが、集合周期構造体の全体に無反射周期構造体２８が形成されていることは言うまでもない。従って、透過性基板１１に形成された集合周期構造体、更には、波長依存型平面光学素子が、赤外線を無反射で入射が可能な機能を有している。
【００７９】
この無反射周期構造体２８のピッチは、部分周期構造体で説明したように赤外線の半波長においても機能を有するが、実用上、無反射の機能を確実に有するには、赤外線の４分の一波長でより好ましい結果を得ている。
【００８０】
従って、本実施例４に示す透過性基板は、赤外線だけが無反射で入射可能な、そして、赤外線だけが焦電素子に集光可能であって、赤外線透過フィルタの機能も有する波長依存型平面光学素子を形成することが可能となっている。
【００８１】
すなわち、シリコン基板からなる透過性基板の均質な平板に、ドライエッチング製造装置を用いた製造工程によって、透過性基板が、赤外線に対して透過フィルタ及び屈折型レンズの二つの機能を有する、波長依存型平面光学素子を形成するから、小型でありながら赤外線利用効率の高い、高感度で、安価な焦電型赤外線センサを提供することが可能となる。
【００８２】
以上、本発明の好ましい実施の態様を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、シリコン基板からなる透過性基板は、ゲルマニュウム基板であっても同様の製造工程で、赤外線に対して透過フィルタ及び屈折型レンズの二つの機能を有する波長依存型平面光学素子が形成可能となる。
【００８３】
更に、透過性基板に形成される集合周期構造体は、部分周期構造体の凹部の形成が、一定ピッチで形成される部分周期構造体の部分と、凹部の溝部および穴部が一定形状で、異なるピッチで形成される部分周期構造体の部分と、混成して形成し、屈折型レンズの形成が可能であることは言うまでもない。そして、穴部の形状を六角形形状で説明したが、円形であっても同等の効果があることは言うまでもない。
【００８４】
［実施例５］
次に、本発明に係る波長依存型平面光学素子の実施例５について説明する。
実施例５は、上述した焦電型赤外線センサにおける人の赤外線の波長約１０μｍに対し、ほぼ同等の波長である炭酸ガスレーザの波長１０．６μｍを有する炭酸ガスレーザ装置に、集光レンズとして適用した波長依存型平面光学素子であって、その波長依存型平面光学素子は、上述した実施例と同様な製造方法で形成されており、そして、同様な機能を有するものである。
【００８５】
［炭酸ガスレーザ装置の構成：図１１］
図１１は、実施例５の炭酸ガスレーザ装置の全体構成を説明するための模式的な図である。
炭酸ガスレーザ装置は、電子部品が高密度に集積化して実装された集積回路基板等を切断して分離する切断装置として広く用いられている。そして、もともと小型軽量な炭酸ガスレーザ装置は、ロボットに装着し素早い動作で集積回路基板を切断する量産性の優れた装置であるが、更なる量産性の向上に、炭酸ガスレーザ装置の小型化と軽量化が要望されている。
【００８６】
図１１の模式的な図で示すように、炭酸ガスレーザ装置７は、炭酸ガスレーザ本体７１、筒状筐体７２、全反射ミラー７３、波長依存型平面光学素子（屈折型レンズ）２０、ステージ７４からなり、切断加工される被加工物の集積回路基板７５が、ステージ７４に真空吸着等で位置決め載置されている。
【００８７】
そして、炭酸ガスレーザ本体７１から出射したレーザビームＬaは、全反射ミラー７３で直角方向に光路を変更して波長依存型平面光学素子２０で集積回路基板７５上の切断部Ｐに集光される。切断加工に際しては、アシストガスＧa（Ｎ２、Ａｒ、Ｏ２、空気等）が、矢印方向から筒状筐体７２に流入し、波長依存型平面光学素子２０で絞られるレーザビームに沿って切断部Ｐに排気され、気化した基板材料に微粉末の付着、基板の熱変形、マイクロクラックの発生を押える機能を有している。
【００８８】
すなわち、レーザビームＬａを集光するための波長依存型平面光学素子２０は、実施例４と同様に炭酸ガスレーザ光に無反射の機能と屈折型レンズの機能を有し、かつ、薄い平板で形成されているから、レンズ系の薄型、軽量化が可能となる。従って、炭酸ガスレーザ装置の軽量化小型化を図ることが可能となる。
【００８９】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されることはなく、それらの全てを行う必要もなく、特許請求の範囲の各請求項に記載した内容の範囲で種々変更や省略をすることが出来ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９０】
１：焦電型赤外線センサ
７：炭酸ガスレーザ装置
１０：焦電素子
１１：透過性基板
１２：ケース
１３：スペーサ基板
１４：回路基板
１５：固定抵抗素子
１６：電界効果トランジスタ
１７：赤外線
２０：波長依存型平面光学素子
２１：溝部
２２：矩形部
２３、２４：部分周期構造体
２５：穴部
２６：壁部
２７：セル
２８：無反射周期構造体
３１〜３７：集合周期構造体
４０：フレネルレンズ
４１〜４７：輪環
５１〜５４：集合周期構造体
６１：ＳｉＯ２酸化皮膜
６２：無反射用マスク
６３：無反射用ＳｉＯ２マスク
６４：ＳｉＯ２
６５：部分周期構造体用マスク
６６：部分周期構造体用ＳｉＯ２マスク
７１：炭酸ガスレーザ本体
７２：筒状筐体
７３：全反射ミラー
７４：ステージ
７５：基板
１１１：赤外線透過フィルタ
１２１：ケース窓
Ａ〜Ｈ：部分周期構造体
【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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