(57)【要約】  【課題】透過または反射スペクトルが測定可能であり、上述の制約を受けない波長分光装置を提供する。  【解決手段】本発明は、基板上に、スペーサ膜によって離間された２つのミラーで構成されるフィルタ・セルＣＦを備え、該フィルタ・セルが複数の干渉フィルタで構成される波長分光装置に関する。さらに、上記装置は複数の放射源を備える放射セルＣＥをさらに備え、上記放射源が各々上記干渉フィルタの１つと関連付けられる。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にスペーサ膜（３３;ＳＰ）によって離間された２つのミラー（３１、３２;ＭＩＲ１、ＭＩＲ２;Ｍ１、Ｍ２）で構成されるフィルタ・セル（ＣＦ）を備え、該フィルタ・セル（ＣＦ）が複数の干渉フィルタ（ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３;ＩＦ１１〜IＦ４４）で構成された波長分光装置であって、複数の放射源（ＬＥＤ）を備える放射セル（ＣＥ）をさらに備え、前記放射源が各々前記干渉フィルタの１つと関連付けられることを特徴とする波長分光装置。
【請求項２】
前記放射セル（ＣＥ）が、前記基板と幾何学的に類似した平面状の支持体の形をしており、前記放射源（ＬＥＤ）および前記干渉フィルタ（ＩＦ１１〜ＩＦ４４）が、前記支持体と前記基板の共通法線に沿ってアライメントがとれていることを特徴とする、請求項１に記載の波長分光装置。
【請求項３】
複数のレンズ（ＬＥＮ）を備える少なくとも１つの整合セル（ＣＡ）を含み、前記レンズが各々前記干渉フィルタ（ＩＦ１１〜ＩＦ４４）の１つと関連付けられることを特徴とする、請求項２に記載の波長分光装置。
【請求項４】
前記フィルタ・セル（ＣＦ）が、前記放射セル（ＣＥ）と前記整合セル（ＣＡ）の間に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の波長分光装置。
【請求項５】
前記フィルタ（ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３;ＩＦ１１〜ＩＦ１４）の少なくとも幾つかが、第１のストリップにおいて整列していることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長分光装置。
【請求項６】
前記フィルタ（ＩＦ２１〜ＩＦ２４）の少なくとも幾つかが、前記第１のストリップと平行かつ独立した第２のストリップにおいて整列していることを特徴とする、請求項５に記載の波長分光装置。
【請求項７】
前記フィルタ（ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３;ＩＦ１１〜ＩＦ４４）の隣接する少なくとも２つが、クロストークバリアによって隔離されていることを特徴とする、請求項５または請求項６に記載の波長分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の放射源を含んだ光学分光装置に関する。特に、本発明は、光源を使用して固体、液体、または気体である媒質の組成に含まれている化学成分を検出しようとする分光分析に用いる光学分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光分析は、反射または透過の際における媒質の吸収スペクトルを記録することを目的としている。媒質と相互作用する光は、特定の波長帯で吸収される。この選択的吸収は、その媒質に含まれる一部または全ての成分の特性になる。測定すべきスペクトルの放射は、紫外線および／または可視光および／または赤外線（近赤外線、中赤外線、遠赤外線）のうちの１つまたは複数の波長範囲内にすることができる。
【０００３】
第１の既知の解決法は、回折格子分光計を利用することである。こうした装置の場合、フィルタとして機能する回折格子が、検出器からかなりの距離をあけて配置される。この距離が増すにつれて分解能が向上する。したがって、許容可能な分解能を保ちたい場合には、この装置を小型化することはできない。さらに、その装置の調整は複雑であり、正確な光学的アライメントが必要とされるので、安定した状態に保つのは困難である。
【０００４】
他の分光計の大半は、少なくとも１つのファブリ・ペローフィルタを使用する。
【０００５】
確認であるが、各フィルタは、スペーサ膜または単に「スペーサ」と呼ばれる１つの材料（通常は空気やシリカ等の低い屈折率を有する材料）からなる平行面を有するプレートであり、この膜は２つのミラーの間に位置する。上記フィルタは、真空下で薄層を蒸着させることによって製造されることが多い。従って、λを中心波長とする通過帯域を有するフィルタの場合、第１のミラーは、光学的厚みがλ／４である高屈折率材料Ｈと低屈折率材料Ｂによるｎ個の交互層を含んでいる。スペーサ膜は、λ／４の光学的厚みを有する２層の低屈折率材料Ｂからなる場合が多い。一般に、第２のミラーは、第１のミラーと対称をなす。スペーサ膜の幾何学的厚みを修正することによって、光学的厚みがλ／２の倍数に等しくなる中心波長にフィルタを調整することが可能になる。
【０００６】
特定の状況下において、有限数の比較的細かい通過帯域（すなわち、連続したスペクトルに対して離散的なスペクトルを使用）で所望の成分を識別するのに足りる事があり、この場合に上述の第１の解決法は最適とは言えない。
【０００７】
第２の既知の解決法によれば、分析すべき帯域毎に１つのフィルタを有するフィルタ・セルが提供される。帯域数がｎ個の場合、ｎ個のフィルタの製造には、真空成膜を伴うｎ回の個別製造作業が必要になる。これによって、コストは、少量生産の場合に（帯域数ｎにほぼ比例して）極めて高くなり、大量生産の場合に限って真に有利になる。さらに、小型化の可能性は依然として非常に制限され、多数のフィルタを設置しようとする事を困難にしている。
【０００８】
第３の既知の解決法は、基板に対して垂直な平面において楔形状を呈するファブリ・ペローフィルタを実装する。このタイプの輪郭を有するスペクトラム・アナライザは、例えば特許文献１に開示されている。軸ＯｘおよびＯｙが各々基板に対して平行、垂直である上記基準平面Ｏｘｙにおいて、ミラーおよびスペーサ膜のＯｙに沿った厚みは、該厚みが測定される位置Ｏｘの関数として線形に変化する。この厚みに沿って、実質的に単色光フィルタである複数の個別フィルタを備える、直線構造（一次元）またはマトリックス構造（二次元）を有するフィルタ・セルが画成される。検出は、各フィルタ・セル上に重ねられた組込み検出セルによって行われる。この検出セルは、複数の個別フィルタと重なる複数の個別検出器を備える。
【０００９】
こうした構造では、まず第１に、フィルタ・セルの作製において「薄膜」法の制御が極めて厄介である。第２に、共通ウェハ上に複数のフィルタをまとめて作製すると、フィルタ同士の同一性再現が非常に困難になる。第３に、特定の状況下においては利点を示すであろう厚みの連続変化は、極めて正確な波長合わせが必要な検出器には不適当である。検出器のサイズとは、同調により全波長が検出される両端波長間の幅を意味している。やはりまた、低コストの大量生産はあまり現実的ではない。
【００１０】
こうした構造では、検出セルは複数の個別検出器を伴うように見えるはずである。第１に、こうした構造はこれらの検出器を集積化することが可能な場合に限り有利であり、それは常に可能とは限らない。第２に、分析のための帯域がシリコンなど産業的に普及した材料の吸収スペクトルの範囲内にない場合、こうした検出器は高価な部品になる可能性がある。
【００１１】
特許文献２および特許文献３にそれぞれ、フィルタ・セルおよび放射セルを備える分光装置が記載されている。この両文献では、フィルタ・セルは単一のフィルタであり、それのみで放射源全体を覆う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第２００６／０２０９４１３号公報
【特許文献２】米国特許第２００７／０１８８７６４号公報
【特許文献３】米国特許第２００７／００７０３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
よって本発明の目的は、透過または反射スペクトルが測定可能であり、上述の制約を受けない波長分光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の波長分光装置は、基板上に、スペーサ膜によって離間された２つのミラーで構成されるフィルタ・セルを備え、該フィルタ・セルが複数の干渉フィルタで構成されており、さらに、複数の放射源を有する放射セルをさらに備え、上記放射源がそれぞれ上記干渉フィルタの１つと関連付けられることを特徴とする。
【００１５】
この複数の放射源により、単一の検出器の使用が可能になる。本発明は、放射源の数を増やす方が検出器の数を増やすよりコストがかからない場合は常に、決定的に有利になる。
【００１６】
また、上記波長分光装置において、上記放射セルが、上記基板と幾何学的に類似した平面状の支持体の形をしており、上記放射源（ＬＥＤ）および上記干渉フィルタが、上記支持体と上記基板の共通法線に沿ってアライメントがとれていると有利である。
【００１７】
また、上記波長分光装置が、複数のレンズを備える少なくとも１つの整合セルを含み、上記レンズがそれぞれ上記干渉フィルタの１つと関連付けられると好ましい。
【００１８】
また、上記波長分光装置において、上記検出器の効果を最適化するために、上記フィルタ・セルが、上記放射セルと上記整合セルの間に配置されると適切である。これは、フィルタのサイズを検出器のサイズに整合する働きをする。
【００１９】
また、上記波長分光装置において、上記フィルタ・セルにおける上記フィルタの少なくとも幾つかが、第１のストリップにおいて整列していることが好ましい。
【００２０】
さらに、上記フィルタの少なくとも幾つかが、上記第１のストリップと平行かつ独立した第２のストリップにおいて整列していることが好ましい。
【００２１】
このような特徴を有する上記波長分光装置において、上記フィルタの隣接する少なくとも２つが、クロストークバリアによって隔離されていることが好ましい。
【００２２】
本発明の更なる詳細は、例証を通じて示される実施形態の下記説明および添付の図面を参照する事により明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】検出器に関連づけられた分光装置の図である。
【図２】放射セルの図である。
【図３】フィルタ・セルの第１のバージョンの概略図である。
【図４】直線構造（一次元）を有するフィルタ・セルの第２のバージョンの概略図である。より詳細には、図４ａはセルの平面図であり、図４ｂはセルの断面図である。
【図５】図５ａ〜５ｃは、このフィルタ・セルの第１の実施形態の作製における３つのステップを示す図である。
【図６】図６a〜６ｆは、このフィルタ・セルの第２の実施形態の作製における６つのステップを示す図である。
【図７】マトリックス構造（二次元）を有するフィルタ・セルの概略図である。
【図８】図８ａ〜８ｆは、エッチング・ステップ中の使用に適した各々のマスクを示す図である。
【図９】整合セルの図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
複数の図面に現れる要素は、各図において同一の参照番号が付与されている。
【００２５】
図１を参照すると、本発明の装置が、任意の媒質ＭＥＤの透過分析を行うよう設計されている。上記装置は、フィルタ・セルＣＦに重ね合わせられた放射セルＣＥを基本的に備える放射モジュールと、この例ではただ１つの検出器ＤＥＴである検出モジュールとを備える。当然ながら、分析すべき媒質ＭＥＤは放射モジュールと検出器の間に位置する。
【００２６】
任意選択で、放射モジュールを検出器に光学的に整合するための少なくとも１つの整合セルＣＡが設けられる。この例では、整合セルＣＡは検出器ＤＥＴに面するフィルタ・セルＣＦと並置されられる。
【００２７】
あるいは、整合セルは放射セルＣＥとフィルタ・セルＣＦの間にあってもよい。２つの整合セルを有し、一方が放射セルＣＥとフィルタ・セルＣＦの間にあり、もう一方が検出器ＤＥＴに面するフィルタ・セルＣＦと並置されることを想定することも可能である。
【００２８】
図２を参照すると、放射セルＣＥは、支持体上に４×４マトリックスに配置された個々の放射源ＤＥＬの配列を備えている。この例では、上記放射源は支持体上にハイブリッド化によって設けられた発光ダイオードである。この配置は、同心円配置や六角配置などその他多数の解決法が利用可能であることから、１つの目安として示されている。同様に、放射源の数も本発明の実施についてあまり大きな意味はない。
【００２９】
図３を参照すると、第１のバージョンでは、フィルタ・セルは上述の特許文献１に記載されているものに類似している。これは、スペーサ膜３３によって隔離された２枚の平面ミラー３１、３２の形をしており、ミラー３２の一方がもう一方のミラー３１に対して傾斜している。
【００３０】
第２のバージョンでは、フィルタ・セルは異なる形状を採用している。その原理について、ストリップを形成するように連続して整列された３つのファブリ・ペロー干渉フィルタＦＰ１、ＦＰ２およびＦＰ３を用いて、図４ａおよび４ｂを参照して説明する。
【００３１】
このセルは、ガラスまたはシリカ製の基板ＳＵＢ上のスタックにより構成され、該スタックは、例えば第１のミラーＭ１Ｒ１、スペーサ膜ＳＰおよび第２のミラーＭＩＲ２を含んでいる。
【００３２】
よって各フィルタの中心波長を決めるスペーサ膜ＳＰは、ある特定のフィルタについては一定であるが、別のフィルタ同士の間では異なる。各フィルタはほぼ矩形の表面を備えているので、その輪郭は階段形状である。
【００３３】
薄層技術を利用してフィルタ・セルを作製する第１の方法を例示する。
【００３４】
図５ａを参照すると、この方法ではまず、第１のミラーＭＩＲ１を基板ＳＵＢに成膜する。このミラーＭＩＲ１は、誘電体層、金属層、または両タイプの層の組合せのスタックからなる。次いでスペーサ膜ＳＰを形成するために誘電体層セットの誘電体層ＴＦを成膜する。
【００３５】
図５ｂを参照すると、この誘電体ＴＦは、
・まず第２のフィルタＦＰ２におけるスペーサ膜ＳＰの厚みを定めるべく、第２および第３のフィルタＦＰ２、ＦＰ３の部分がエッチングされ、
・次いで第３のフィルタＦＰ３がその高さに膜厚を定めるようにエッチングされる。
【００３６】
第１のフィルタＦＰ１におけるスペーサ膜ＳＰは、成膜時の厚みを有している。
【００３７】
図５ｃを参照すると、３つのフィルタを完成させるため、スペーサ膜ＳＰ上に第２のミラーＭＩＲ２を成膜している。
【００３８】
スペーサ膜ＳＰは、誘電体層ＴＦを成膜してから上述の連続エッチング処理を実施することによって得られるが、薄膜を複数回連続して成膜する作業によって得ることも可能である。
【００３９】
例えば、スペーサ膜の光学的厚みを修正することによって３７００ナノメートル（ｎｍ）〜４３００ｎｍの波長範囲を走査することが可能になる。
【００４０】
ここで、探査領域において唯一の透過帯域を得るためにはスペーサ膜の厚みは十分小さい必要がある点に注視されたい。この厚みｅが増すほどに条件［ｎｅ＝ｋλ／２]を満たす波長λの数ｎは増す。
【００４１】
フィルタ・セルを作製する第２の方法を以下に説明する。
【００４２】
図６ａを参照すると、この方法では最初に、シリコン基板ＳＩＬの底面ＯＸ１および上面ＯＸ２に対して熱酸化が施される。
【００４３】
図６ｂを参照すると、底面ＯＸ１および上面ＯＸ２は、各々、感光性樹脂の底層ＰＨＲ１および上層ＰＨＲ２によって被覆される。その後、フォトリソグラフィによって底層ＰＨＲ１に矩形の開口が形成される。
【００４４】
図６ｃを参照すると、底層ＰＨＲ１に形成された矩形の開口に合わせて底面ＯＸ１の熱酸化物にエッチングが施される。その後、底層ＰＨＲ１および上層ＰＨＲ２が除去される。
【００４５】
図６ｄを参照すると、上記矩形開口に合わせて基板ＳＩＬに異方性エッチングが施される（例えば結晶方向１−０−０で）。底面ＯＸ１の熱酸化物はマスクとして働き、上面ＯＸ２の熱酸化物はエッチングの停止層として働く。水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液またはトリメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）溶液によるウェットエッチングを施すことも、プラズマによってドライエッチングを施すことも可能である。この処理によって矩形開口の底部だけが酸化物の膜として残留する。
【００４６】
図６ｅを参照すると、この酸化物は、
・まず第２のフィルタＦＰ２および第３のフィルタＦＰ３の部分を、第２のフィルタＦＰ２の部分におけるスペーサ膜ＳＰの厚みを定めるようにエッチングされ、
・次いで第３のフィルタＦＰ３の部分において、その膜ＳＰの厚みを定めるようにエッチングされる。
【００４７】
図６ｆを参照すると、第１のミラーＭ１Ｒ１および第２のミラーＭ２Ｒ２が基板ＳＩＬの底面ＯＸ１および上面ＯＸ２上に成膜されている。
【００４８】
このフィルタ・セルの準備は任意選択で、底面ＯＸ１および上面ＯＸ２の少なくとも一方に保護層（図示せず）を成膜して仕上げを行ってもよい。
【００４９】
よって本発明によれば、アライメントのとれたフィルタセットを作製することが可能である。したがってこれらのフィルタは一次元空間で参照するのに適している。
【００５０】
図７を参照すると、本発明によれば、二次元空間においてこうしたフィルタをマトリックスの形で構成するのも可能である。
【００５１】
４つの水平同列ストリップの各々が４つの干渉フィルタを備えている。図の上部に示される第１のストリップは、マトリックスの第１行に相当し、フィルタＩＦ１１〜ＩＦ１４を備えている。第２、第３および第４のストリップには、各々、フィルタＩＦ２１〜ＩＦ２４、フィルタＩＦ３１〜ＩＦ３４およびフィルタＩＦ４１〜ＩＦ４４が含まれている。
【００５２】
フィルタＩＦｊｋが、ｊ番目の水平列ストリップに属し、フィルタＩＦ１ｋ、ＩＦ２ｋ、．．．、ＩＦ４ｋを含むｋ番目の垂直列ストリップにも属しているので、この構成はマトリックスといわれている。
【００５３】
このフィルタ・モジュールを作製する方法は、上述の２つの方法のいずれかと類似していてよい。
【００５４】
従ってこの方法では、まず基板上に第１のミラーＭ１Ｒ１を成膜し、次いで誘電体を成膜する。この誘電体は、
・図８ａを参照すると、第１の２つの水平列ストリップＩＦ１１〜ＩＦ１４およびＩＦ２１〜ＩＦ２４を隠す第１のマスクＭＡ１を用いてエッチングされ、
・図８ｂを参照すると、第１および第３の水平列ストリップＩＦ１１〜ＩＦ１４およびＩＦ３１〜ＩＦ３４を隠す第２のマスクＭＡ２を用いてエッチングされ、
・図８ｃを参照すると、第１および第２の垂直列ストリップＩＦ１１〜ＩＦ４１およびＩＦ１２〜ＩＦ４２を隠す第３のマスクＭＡ３を用いてエッチングされ、
・図８ｄを参照すると、第１および第３の垂直列ストリップＩＦ１１〜ＩＦ４１およびＩＦ１３〜ＩＦ４３を隠す第４のマスクＭＡ４を用いてエッチングされる。
【００５５】
その後、４×４マトリックスの１６個のフィルタを仕上げるため、こうしてエッチングを施したスペーサ膜上に第２のミラーＭ１Ｒ２が成膜される。
【００５６】
様々なマスクの各々について同じ深さまでエッチングを施すことは拘る必要は無い。しかしながら、フィルタ厚を規則的に増すようにしたい場合は下記のように処理を進めることが可能である。
・第４のマスクＭＡ４を用いて深さｐまでエッチングし、
・第３のマスクＭＡ３を用いて深さ２ｐまでエッチングし、
・第２のマスクＭＡ２を用いて深さ４ｐまでエッチングし、
・第１のマスクＭＡ１を用いて深さ８ｐまでエッチングする。
【００５７】
フィルタ・セル内の各フィルタは、隣接するフィルタ同士の部分的重なりを回避するため、また潜在的なクロストーク問題を最小限に抑えるため、十分に隔離するのが望ましい。これを行うには、全てのフィルタを画定するためにフィルタ・セル上にグリッドを追加し、クロストークバリアを構成することが可能である。グリッドは、モジュールが反射型において用いられる場合には吸収性であり、透過型において用いられる場合には反射性であるべきである。一例として、吸収性グリッドは黒色クロム（クロムに酸化クロムを加えたもの）を成膜してエッチングを施すことによって形成可能であり、一方、反射性グリッドはクロムを成膜してエッチングを施すことによって形成可能である。
【００５８】
１つの目安として、フィルタの寸法は、５００×５００平方マイクロメータ（μｍ２）程度である。他の寸法をとることも当然可能であるが、過剰な回折現象を回避するのに十分な寸法でなければならない。
【００５９】
従って、フィルタ・セルＣＦは、各放射源がフィルタとアライメントされるように放射セルＣＥと関連付けられるように設計される。
【００６０】
図９を参照すると、整合セルＣＡが、透明なプレート上に同様に４×４マトリックスに配置されたマイクロレンズＬＥＮの配列を含んでいる。
【００６１】
従って、放射セルＣＥ、フィルタ・セルＣＦ、および整合セルＣＡは、支持体、基板、およびプレートに垂直な軸に沿って、各放射源ＤＥＬの次にフィルタＩＦ、マイクロレンズＬＥＮが続くように重ね合わせられる。
【００６２】
検出器は標準的な構成部品である。例えば、紫外線で動作させたい場合はガリウム砒素製である。
【００６３】
ここで、光学部品がほとんど無く、可動部品が無いため、機械的な組み立てが非常に簡単である点に注視されたい。従って、測定が非常に安定し、極めて再現性が高い。
【００６４】
本発明の装置は様々な方法、すなわち
・全スペクトルを得るために、放射源の全てを同時にオンにしたり、
・関連フィルタに対応した様々なスペクトルを得るために、各種放射源を順次オンにしたり、
・放射源グループを順次オンにしたりして使用することができる。
【００６５】
以上、本発明の各実施形態を具体的な特徴について説明したが、本発明に含まれる可能性のある全ての実施形態を余すところなく列挙することはできない。とりわけ、既述の手段はいずれも本発明の範囲を超えることなく同等の手段と置き換えることが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
ＭＥＤ  媒質
ＣＦ  フィルタ・セル
ＣＥ  放射セル
ＤＥＴ  検出器
ＣＡ  整合セル
ＤＥＬ  放射源
ＦＰ１  干渉フィルタ
ＦＰ２  干渉フィルタ
ＦＰ３  干渉フィルタ
ＳＵＢ  基板
３１、Ｍ１、ＭＩＲ１  第１のミラー
３２、Ｍ２、ＭＩＲ２  第２のミラー
３３、ＳＰ  スペーサ膜
ＴＦ  誘電体層
ＳＩＬ  シリコン基板
ＯＸ１  シリコン基板の底面
ＯＸ２  シリコン基板の上面
ＰＨＲ１  感光性樹脂の底層
ＰＨＲ２  感光性樹脂の上層
ＩＦ１１〜ＩＦ４４  干渉フィルタ
ＭＡ１〜４  第１〜４のマスク
ＬＥＮ  マイクロレンズ
【図１】
2012511709.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
2012511709.tif 000009
【図５ｃ】
2012511709.tif 000010
【図６ａ】
2012511709.tif 000011
【図６ｂ】
2012511709.tif 000012
【図６ｃ】
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【図６ｄ】
2012511709.tif 000014
【図６ｅ】
2012511709.tif 000015
【図６ｆ】
2012511709.tif 000016
【図７】
2012511709.tif 000017
【図８ａ】
2012511709.tif 000018
【図８ｂ】
2012511709.tif 000019
【図８ｃ】
2012511709.tif 000020
【図８ｄ】
2012511709.tif 000021
【図８ｅ】
2012511709.tif 000022
【図８ｆ】
2012511709.tif 000023
【図９】
2012511709.tif 000024
【国際調査報告】
2012511709.tif 000025
2012511709.tif 000026
2012511709.tif 000027
2012511709.tif 000028