光學單元的制作方法

專利名稱：光學單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于對來自物體的透射光或反射光進行光譜分析的光學單元。
技術背景
近年來，分光光度計已經活躍地用于各種領域。分光光度計是用不同波長的光照射待測量的物體，并且測量被測量物體的光譜分布的裝置。
一般而言，分光光度計具有光學單元和控制單元。該光學單元主要由分光器和光探測器構成。除了用于接收光的光學單元之外，分光光度計也可以具有用作光源的光學單兀。
在該光學單元中，分光器將來自物體的透射光或反射光分成特定波長的光。光探測器檢測該被分光的光，并且根據該檢測出的光的量輸出信號。這時，對于檢測出的光的每個波長進行輸出。然后在控制單元中，對每個輸出信號計算該檢測出的光的亮度。結果得到光譜分布。
順便提及，利用棱鏡作為構成光學單元的分光器在此前是已知的。然而，當采用棱鏡作為分光器時，光學單元的尺寸，并且相應地，分光光度計的尺寸趨于增大，使得難以減少分光光度計的成本。為了解決這些問題，已經提出其中將僅僅允許特定波長的光通過的帶通濾光片用作為分光器的分光光度計(見專利文獻1)。
專利文獻1公開了一種光學單元，其具有透射波長不同的三個薄片狀的帶通濾光片、和對應于該帶通濾光片的三個光接收元件。用這種光學單元，該帶通濾光片的形狀是薄片狀的，并且設置成使得它們的主表面一致。光接收元件每個都被設置成接收透過對應的帶通濾光片的光。因此，對應的光接收元件根據所接收的光的波長輸出信號。
用專利文獻1中所公開的光學單元，該三個薄片狀的帶通濾光片因而起到分光器的作用。因此，利用專利文獻1中所公開的光學單元使得能夠用簡單的結構來測量具有不同波長的三種類型的光。在專利文獻2中也公開與專利文獻1公開的光學單元類似的光學單元。
引用列表
專利文獻
專利文獻1 JP 05-249032A
專利文獻2 JP2002-296116A發明內容
本發明要解決的問題
順便說，雖然一般的帶通濾光片是通過在玻璃基板上形成金屬膜或氧化物膜而做成的，但是用這種帶通濾光片使透射波長帶寬變窄是有問題的。因此，用專利文獻1和2中公開的光學單元，存在被測量波長的種類增加困難，并且不能改進光譜分析精度的問題。
而且，用專利文獻1和2中公開的光學單元，分別做成多個帶通濾光片，而后需要被連接。因而，即使在使用專利文獻1和2中公開的光學單元的情況下，減少分光光度計的成本的效果也被認為是最小的，并且難以減少分光器的制造成本。
本發明示例性的目的是通過以低成本提供能夠檢測具有不同波長的許多類型的光的光學單元來解決上述問題。
解決問題的手段
為了實現上述目的，本發明的一方面提供一種光學單元，該光學單元具有將透射光分光的濾光片部件和具有多個光接收元件的光探測器，該濾光片部件具有光能夠透射的基板、在該基板的一個表面上用第一金屬材料形成的多個凸部、和用具有比該第一金屬材料高的折射率的第二金屬材料形成的金屬膜，以便將所述基板的一個表面連同所述多個凸部一起覆蓋，該多個凸部設置成使得位于相鄰凸部之間的金屬膜用作衍射光柵，而該凸部用作波導。設定所述衍射光柵的柵距、所述凸部的高度和所述金屬膜的厚度的其中至少一個，使得透過該濾光片部件的光的波長對于每個部分變化，而對于每個所述部分為不同的值，并且光探測器設置成使得該多個光接收元件的每個接收透過該濾光片部件的光。
本發明的效果
上述特征使本發明的光學單元能夠以低成本檢測具有不同波長的許多類型的光。


圖1是示出了本發明實施例中的光學單元的示意結構的剖視圖。
圖2是示出了圖1所示的濾光片部件的結構的放大的剖視圖。
圖3是用于示出圖1所示的濾光片部件的結構的透視圖。
圖4是用于示出圖1所示的濾光片部件的功能的剖視圖。
圖5示出了表示圖1所示的濾光片部件各部分與透射光的頻率之間的關系的示意圖。圖5A是示出了圖1所示的濾光片部件的各部分的示意圖，而圖5B是示出了入射在該濾光片部件上的混合光的例子的示意圖。
圖6是示出了本發明實施例中的光學單元的另一個實例的示意結構的剖視圖。
附圖標記列表
1濾光片部件
2光探測器
3 基板
4光闌部件
5瞄準儀物鏡
10光學單元
11 基板
12 凸部
13金屬膜
14 波導
15衍射光柵
21半導體基板
22光接收元件具體實施方式
實施例
在下文中，參考圖1至圖6來描述本發明的實施例中的光學單元。起初，利用圖1 至圖3來描述本實施例中的光學單元的結構。
圖1是示出了本發明實施例中的光學單元的示意結構的剖視圖。圖2是示出了圖 1所示的濾光片部件的結構的放大剖視圖。圖3是用于示出圖1所示的濾光片部件的結構的透視圖。應當指出，圖2中只有凸部的剖面畫有陰影線。
如圖1所示，本實施例中的光學單元10具有用于將透射光分光的濾光片部件1和具有多個光接收元件22的光探測器2。在圖1中，附圖標記3表示用作該光學單元10的構架的基板。雖然用夾具將濾光片部件1固定于該基板3，但是在圖1中沒有示出該夾具。
如圖2所示，該濾光片部件1具有透光性的基板11、形成在該基板11的一個表面上的多個凸部12、以及將基板11的一個表面連同多個凸部12 —起覆蓋的金屬膜13。
每個凸部12由第一金屬材料形成，而金屬膜13由具有比第一金屬材料高的折射率的第二金屬材料形成。而且，如圖2和圖3所示，多個凸部12設置成使得位于相鄰凸部 12之間的金屬膜13用作衍射光柵15，而每個凸部12用作波導14。
在濾光片部件1中，設定所述衍射光柵的柵距、所述凸部的高度和所述金屬膜的厚度的其中至少一個，使得透過該濾光片部件的光的波長對于每個部分變化，而對于每個所述部分為不同的值。換句話說，該濾光片部件1形成為使得透射光的波長對于其每個部分不同。應當指出，如圖2所示，衍射光柵15的柵距ρ實質上是從一個凸部12的一側上的側面到另一個凸部12的相同側上的側面的相鄰凸部12之間的距離。
在這里，除了圖1至圖3之外，還利用圖4進一步具體描述在本實施例中使用的濾光片部件1的作用。圖4是用于示出圖1所示的濾光片部件的功能的剖視圖。應當指出， 為了說明的目的在圖4中省去了陰影線。
正如上面所提到的，位于凸部12之間金屬膜13形成衍射光柵15(見圖4)。這時， 為了使金屬膜13起到衍射光柵的作用，對于透射不同波長的光的每個部分，該衍射光柵的柵距P設定成比需要透過該部分的光的波長短。而且，依據衍射光柵15的性能，優選多個凸部12每個形成為矩形的柱，并進而如圖3所示以矩陣形式設置。
凸部12用作子波長光柵，從而起到波導14的作用，并且如圖4所示，入射在濾光片部件1上的入射光Ll作為衰減波在凸部12中傳播。但是，在包含在入射光Ll中的各種類型的光之中，只有設定頻率的光到達基板11并且透過該基板11。其他頻率的光被基板11 反射。在圖4的實例中，入射光Ll是混合光，包括波長λ 1的光、波長λ 2的光和波長λ 3 的光，其中只有波長λ 1的光透過該濾光片部件1。
用圖2至圖4所示的濾光片部件1，通過適當地設定衍射光柵15的形狀、構成該濾光片部件1的每個部件的折射率以及該凸部12的衰減系數，能夠選擇透射光的波長。其中，通過該衍射光柵15的柵距P、凸部12的高度h和金屬膜13的厚度t，能夠設定衍射光柵15的形狀。凸部12的衰減系數的值取決于凸部12的高度h。
因此，對于每個部分，改變衍射光柵15的柵距P、凸部12的高度h、金屬膜13的厚度t以及各部件的折射率中的任何一個，都能獲得對于每個部分透射光的波長不同的濾光片部件1。具體說，如果凸部12的高度h增加，透射光的波長趨于變長。同樣，在衍射光柵 15的柵距ρ變寬或基板11的折射率增大的情況下，透射光的波長也趨于變長。
但是實際上，在每部分上，難以改變各部件的折射率，所以在本實施例中，通過衍射光柵15的柵距ρ、凸部12的高度h和金屬膜13的厚度t來設定每部分的透射光的波長。 而且，透射光實際上具有窄帶寬的波長，并且對于變窄的光的中心波長設定透射光的波長。
而且，用于基板11、凸部12和金屬膜13的材料能夠適當地設定，以便于目標波長的光的透射。例如，在光是在紅外范圍中的透射光的情況下，用于基板11的材料的例子包括二氧化硅(SiO2)。在這種情況下，基板11是所謂的石英基板。而且，用于凸部12的第一金屬材料的例子包括金(Au)或包含金的合金。而且，用于金屬膜13的材料的例子包括氧化鈦(TiO2)。
在這里，在光是在紅外范圍中的透射光的情況下，描述透射光的中心波長例如設定為1. 48 μ m的例子。形成金屬膜13的氧化鈦的折射率是“1.904”，形成基板11的氧化硅的折射率是“1. 465”，而金的反射率是“0. 944”。而且，假定凸部12的高度h設定為 “62 μ m”。盡管金的折射率和衰減系數可以取無數的值，但是在上面的例子中金的折射率和衰減系數分別假定為“0. 50”和“7. 1”。在這樣的例子中，衍射光柵15的柵距ρ設定為 “ 1064. 7 μ m”，而金屬膜13的厚度t可以設定為“ 134 μ m”。
用這種結構，當混合光入射在濾光片部件1上時，由于上面提到的功能，包括在該混合光中的多種類型的光被該濾光片部件1的各個部分分光。利用圖5來說明這一點。圖 5示出了表示圖1所示的濾光片部件的各個部分和透射光的頻率之間的關系的示意圖。圖 5A是示出了圖1所示的濾光片部件的各部分的示意圖，而圖5B是示出了入射在該濾光片部件上的混合光的例子的示意圖。
如圖5A所示，該濾光片部件1具有透射不同波長的光的8個部分Al至A8。因此， 當圖5B中所示的混合光作為入射光入射在濾光片部件1上時，該光的每種類型的光將僅僅透過能夠使那個波長的光透射的部分，并且將被其他部分反射。例如，在圖5B中具有最短波長的光透過部分Al。
而且，在石英基板用作基板11的情況下，凸部12由金形成，而金屬膜13由氧化鈦形成，該濾光片部件能夠通過下述制造工藝生產。
首先，為了在下一個工序中增強與金膜的粘合力，對將作為基板11的石英基板進行預處理。其次，通過在該石英基板的一個表面上噴射等來形成金膜。
接下來，在該金膜上形成抗蝕圖形以便將該膜形成在凸部12中。具體說，電子束 (EB)抗蝕層首先涂覆在該金膜上，并且該EB抗蝕層隨后通過電子束描繪裝置處理成該圖形的設定形狀。相鄰凸部12之間的柵距ρ通過這種抗蝕圖形對于每個部分可以設定成不同的值。
接下來，利用抗蝕圖形作為掩膜來進行蝕刻，并且當去掉該抗蝕圖形時得到圖3 所示的狀態。當在圖3所示的狀態中減少一些凸部12的高度h時，在做成了僅僅覆蓋其高度不需要減少的凸部12的掩膜之后進行蝕刻。
其后，通過氣相沉積來形成將覆蓋包括凸部12的基板的一個表面的氧化鈦金屬膜13。而且，當減少部分金屬膜13的厚度t時，在做成僅僅覆蓋其厚度不會減少的部分的掩膜之后進行蝕刻。通過上述工序完成濾光片部件1。
如圖1所示，光探測器2設置成使得該多個光接收元件22的每個接收透過該濾光片部件1的光。透射光因此被用于濾光片部件1的每個部分的不同的光接收元件接收并且檢測。
在本實施例中，光探測器2優選是具有其上以矩陣形式形成多個光接收元件22的半導體基板21的固態成像裝置，例如，諸如CCD(電荷耦合器件)成像裝置，或MOS成像裝置。在使用固態成像裝置的情況下，由于多個光接收元件22能夠設置在濾光片部件1的一部分上，所以能夠可靠地檢測透射光。
如上所述，利用在本實施例中使用的濾光片部件1，能夠利用精細衍射光柵來選擇被透射的光的類型，與上述專利文獻1和2中所示的濾光片部件相比，能夠減少透射波長帶寬。從而，本實施例的光學單元能夠檢測具有不同波長的多種類型的光并且提高光譜分析的精度。
而且，利用在本實施例中使用的濾光片部件1，透射相互不同波長的光的各部分在同時一體地制造，與上述專利文獻1和2中所示的濾光片部件相比，能夠減少生產成本。從而，能夠實現本實施例的光學單元10的成本減少，并且相應地，還能夠實現使用這種光學單元的分光光度計的成本減少。
在本實施例中，光學單元10還能夠進一步構造成如圖6所示。圖6是示出了本發明實施例中的光學單元的另一個實例的示意結構的剖視圖。在圖6所示的例子中，光學單元10具有光闌(slit)部件4和瞄準儀物鏡5。
因此，根據圖6所示的例子，在來自物體的光是漫射光的情況下，這種漫射光由瞄準儀物鏡5轉換成平行光。只有通過光闌部件4的平行光入射在濾光片部件1上。利用光學單元10，在采用圖6所示的例子的情況下，能夠使來自物體的光有效地入射在濾光片部件1上，利用光學單元10能夠提高光檢測的精度。
雖然上面參考實施例描述了本發明，但是本發明不限于上述實施例。本領域的技術人員明白在不脫離本發明的精神實質和范圍的情況下能夠對本發明的結構和細節進行各種修改。
本申請基于2009年8月25日提交的在先日本專利申請No. 2009-194369，并且要求其優先權，其整體內容通過引用結合于此。
本發明的光學單元具有如下特征。
(1)該光學單元具有將透射光分光的濾光片部件和具有多個光接收元件的光探測器，該濾光片部件具有透光性的基板、在該基板的一個表面上用第一金屬材料形成的多個凸部、用具有比第一金屬材料高的折射系數的第二金屬材料形成金屬膜，以便將該多個凸部連同該基板的一個表面一起覆蓋，該多個凸部設置成使得位于相鄰凸部之間的金屬膜用作衍射光柵，而該凸部用作波導，設定所述衍射光柵的柵距、所述凸部的高度和所述金屬膜的厚度的其中至少一個，使得透過該濾光片部件的光的波長對于每個部分變化，而對于每個所述部分為不同的值，并且光探測器設置成使得該多個光接收元件的每個都接收透過該濾光片部件的光。
(2)在根據上述(1)的光學單元中，對于每個所述部分，該衍射光柵的柵距形成為比需要透光該部分的光的波長短。
(3)在根據上述(1)的光學單元中，用于該基板的材料包括氧化硅，該第一金屬材料包括金(Au)，而第二金屬材料包括氧化鈦。
(4)在根據上述(1)的光學單元中，該多個凸部形成為矩形柱并且以矩陣形式設置。
(5)在根據上述(1)的光學單元中，該光探測器是具有半導體基板的固態成像裝置，多個光接收元件以矩陣形式形成在該半導體基板上。
工業實用性
根據本發明，如上所述，以低成本提供能夠檢測具有不同波長的各種類型的光的光學單元。本發明在對來自物體的透射光或反射光進行光譜分析的裝置中是有用的。
權利要求
1.一種光學單元，包括 將透射光分光的濾光片部件；以及具有多個光接收元件的光探測器， 其中，該濾光片部件包括 透光性的基板；在該基板的一個表面上用第一金屬材料形成的多個凸部；以及用具有比所述第一金屬材料高的折射率的第二金屬材料形成的金屬膜，以便將所述基板的一個表面連同所述多個凸部一起覆蓋，所述多個凸部設置成使得位于相鄰凸部之間的金屬膜用作衍射光柵，并且所述凸部用作波導，設定所述衍射光柵的柵距、所述凸部的高度和所述金屬膜的厚度的其中至少一個，使得透過該濾光片部件的光的波長對于每個部分變化，而對于每個所述部分為不同的值，并且所述光探測器設置成使得所述多個光接收元件的每個都接收透過所述濾光片部件的光。
2.根據權利要求1所述的光學單元，其中，對于每個所述部分，該衍射光柵的柵距形成為比需要透過該部分的光的波長短。
3.根據權利要求1或2所述的光學單元，其中，用于所述基板的材料包括氧化硅，所述第一金屬材料包括金(Au)，而所述第二金屬材料包括氧化鈦。
4.根據權利要求1至3的任何一項所述的光學單元， 其中，所述多個凸部形成為矩形柱并且以矩陣形式設置。
5.根據權利要求1至4的任何一項所述的光學單元，其中，所述光探測器是具有半導體基板的固態成像裝置，所述多個光接收元件以矩陣形式形成在該基板上。
全文摘要
本發明公開一種光學單元，該光學單元具有將透射光分光的濾光片部件(1)和具有多個光接收元件的光檢測器(2)。該濾光片部件(1)具有透光性的基板、包括第一金屬材料并且形成在該基板的一個表面上的多個凸部、和包括具有比第一金屬材料高的折射系數的第二金屬材料，并且形成為覆蓋該多個凸部以及該基板的一個表面的金屬膜。該多個凸部設置成使得位于相鄰凸部之間的金屬膜用作衍射光柵，而該凸部用作波導。設定所述衍射光柵的光柵周期、所述凸部的高度和所述金屬膜的厚度的其中至少一個，使得透過該濾光片部件的光的波長對于每個部分變化，而對于每個所述部分為不同的值。光探測器(2)設置成使得該多個光接收元件(21)的每個接收透過該濾光片部件(1)的光。
文檔編號G01J3/51GK102498374SQ20108003814
公開日2012年6月13日 申請日期2010年7月28日 優先權日2009年8月25日
發明者上村一平 申請人:Nec軟件系統科技有限公司