JP6188743B2 - 複数の光学機能面を有する光学素子、分光装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に天文観測分野などにおける分光用光学素子およびそれを用いた分光装置において所定の波長の光を計測する際に好適なものである。さらに、面分光光学系を有する分光装置において、イメージスライサータイプに使用される光学素子に関するものである。

面分光とは、天文観測分野の観測手法として知られており、一度の露出で取得する２次元の空間情報を同時にスペクトル観測することが可能である。観測装置は３つのタイプ、マイクロレンズアレイ、ファイバーアレイ、イメージスライサータイプに大別される。非特許文献１のように、イメージスライサータイプの光学系は複雑であるが、空間情報の損失が少なく、狭い視野でも高い空間分解能を持つことが知られている。

イメージスライサータイプには代表的な幾つかの光学素子がある。例えば、スライサーミラーアレイ（Ｓｌｉｃｅｒ Ｍｉｒｒｏｒ Ａｒｒａｙ）、瞳ミラーアレイ（Ｐｕｐｉｌｓ Ｍｉｒｒｏｒ Ａｒｒａｙ）、スリットミラーアレイ（Ｓｌｉｔｓ Ｍｉｒｒｏｒ ａｒｒａｙ）、反射型回折格子などがある。非特許文献１では、基材をアルミとして、表面に直接切削加工により光学機能面を形成する方法が示されている。非特許文献２では、基材をガラスとして、ガラス表面を直接研磨加工により光学機能面を形成し、反射膜を付与する方法が提案されている。

Ｅｉｋｅｎｂｅｒｒｙ ｅｔ ａｌ． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．６２６９ ６２６９４Ｌ（２００６／６／２８ Ｐ．８） Ｖｉｖｅｓ ｅｔ ａｌ． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．７０１８ ７０１８２Ｎ（２００８／７／１４ Ｐ．１０）

非特許文献１では、基材をＡｌのバルク材にすることで、複数の光学機能面を単一の基材に対して切削加工することを可能にし、複数の光学機能面の相対位置関係を高精度に実現していることが示されている。しかしＡｌの熱膨張率はおよそ２３×１０−６と金属の中でも大きく、使用環境によっては基材そのものの熱膨張、熱収縮の影響が大きく、支持機構との整合性を十分に考慮しなければならない。また、Ａｌのダイヤモンド工具による切削性は必ずしも良好では無いため、面粗さは５ｎｍＲｍｓ程度に留まり、可視光領域の観測への適用は困難である。

非特許文献２では、可視光領域の波長を観測対象としているため、良好な面粗さを得るため、ガラスを基材として研磨加工の方法が示されている。しかしミラーアレイの一体研磨は製法上困難であり、ミラーの相対位置は組み立て精度によるため、位置精度は一体加工ほどの精度を得ることは難しい。また特定の波長の反射率を高くするため、図１１に示すように、ガラス基材１０１に、Ａｌの金属反射膜１０２を付与する素子構成になっている。このため、熱膨張率差によるＡｌ金属反射膜の剥離、クラックが発生する可能性があり、さらにガラス基材が割れる可能性も払拭できない。天文観測分野における特殊環境（例えば宇宙空間など極限環境、砂漠や山岳地帯といった厳しい自然環境）下に光学素子が置かれる場合、その熱的影響は大きい。そのため、剥離、クラック等の素子を構成する材料の破壊、変形現象、加えて素子全体の形状精度維持が困難になる等の問題が引き起こる可能性が高くなる。

本発明は、上記課題に鑑み、単一の基材における複数の光学機能面の相対位置関係を高精度に保ちつつ、可視光領域の観測にも適用可能な高品位な面粗さを同時に成立させる。それと共に、極限環境下においても熱的影響による素子を構成する材料の剥離、クラック発生の抑制、また形状精度を維持できる光学素子の提供を目的とする。

本発明の光学素子は、複数の光学機能形状を有する光学素子であって、基材と反射層との間に、厚さが１０μｍ以上３０００μｍ以下である中間層を備え、前記中間層は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数を有するとともに、前記複数の光学機能形状が形成され、前記光学機能形状の表面に前記反射層が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の光学素子は、複数の光学機能形状を有する光学素子であって、基材と反射層との間に中間層を備え、前記中間層は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数を有するとともに、前記複数の光学機能形状が形成され、前記光学機能形状の表面に前記反射層が形成され、前記複数の光学機能形状は曲面であり、前記各曲面の法線が複数方向に配置されていることを特徴とする。

本発明の分光装置は、基材と反射層との間に中間層を備え、前記中間層は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数を有するとともに、複数の光学機能形状が形成され、前記光学機能形状の表面に前記反射層が形成されている光学素子を有する。

本発明の光学素子の製造方法は、複数の光学機能形状を有する光学素子の製造方法であって、基材を加工する工程と、前記基材上にメッキによる中間層を形成する工程と、前記中間層に光学機能形状を形成する工程と、前記光学機能形状が形成された中間層の上に反射層を形成する工程と、を有し、前記中間層は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数を有し、厚さが１０μｍ以上３０００μｍ以下であることを特徴とする。
また、本発明の光学素子の製造方法は、複数の光学機能形状を有する光学素子の製造方法であって、基材を加工する工程と、前記基材上にメッキによる中間層を形成する工程と、
前記中間層に光学機能形状を形成する工程と、前記光学機能形状が形成された中間層の上に反射層を形成する工程と、を有し、前記中間層は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数を有し、前記基材を加工する工程は、複数の凸形状を加工することを含み、前記凸形状上に形成された中間層それぞれに、前記光学機能形状が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、単一の基材に複数の光学機能面を中間層に形成することで、高品位の面粗さと、複数の光学機能面の高精度な相対位置関係を有すると共に、極限環境の使用においても、熱的な影響による光学機能面の剥離、クラックも抑制することができる。

本発明の面分光光学素子の材料構成を示した模式図である。 本発明の面分光光学素子の素子形状の一例を示した模式図である。 本発明の実施形態１における素子構成を実現するための素子作成過程を示した模式図である。 本発明の実施形態２における光学素子を示した模式図である。 本発明の実施形態２における素子構成を実現するための素子作成過程を示した模式図である。 本発明の実施形態１における光学機能曲面の１断面形状をプロットした図の一例である。 本発明の実施形態２における光学機能平面の１断面形状をプロットした図の一例である。 本発明の実施形態３における回折光学素子の素子形状の一例を示した模式図である。 本発明の実施形態３における回折光学素子の素子構成を実現するための素子作成過程を示した模式図である。 本発明の実施形態４における分光装置の一例を示した模式図である。 従来例の光学素子の材料構成示した模式図である。

本発明の複数の光学機能面を有する光学素子である面分光光学素子は、素子の土台となる基材と、基材に積層した少なくとも一層の中間層に光学機能を有する形状を形成する。さらに観測する光線の波長に応じた反射特性を有する光学機能面である反射層を積層した構成をとる。

上記基材は、材料に限定されないが、とくに基材と反射膜との熱膨張係数の差が小さい材料を選択することが望ましい。また温度変化の大きい環境下で使用することを考慮し、一般的に低熱膨張材料と呼ばれる材料を選択してもよい。

上記中間層に使用する材料は、光学機能形状を加工しやすい材料を選択することが望ましい。特に面分光光学素子の機能上、微細に並ぶ複数の光学機能面の相対位置関係を高精度に形成すること、観測対象の光が必要以上に散乱しないように平滑な鏡面を形成することが重要となる。そのため、ダイヤモンド工具を用いた切削加工において鏡面性の優れた材料を選択することが望ましい。また上述した課題の、温度変化の大きい環境下における基材と反射層の熱膨張係数差によるクラックや剥離といった破壊、変形現象を緩和するために、中間層は、基材と反射層の中間の熱膨張係数を有する材料を選択する。

反射層に使用する材料は、観測対象の光の波長が反射可能であり、一定の反射効率を得られる材料を選択する。とくに中間層に形成した光学機能形状を崩すことなく反射機能を有する為に薄膜として形成しやすい蒸着に適した金属材料を選択してもよい。

いずれも基材と中間層と反射層に必要な機能を有していれば制限は無く、種々の材料を選択してもよい。

（第一の実施形態）
次に、本発明の第一の実施形態として複数の光学機能面を有する光学素子について説明する。図１は光学素子の形状の一例を示した図である。

図２は、図１のＡ−Ａ断面を示した図である。図１、図２において、１は基材、２は中間層、３は反射層である。４は、基材の上部に形成された下地である。５は光学機能面である。光学機能面５は平面もしくは曲面であり、且つ平滑な鏡面を有する。また複数の光学機能面は基材上に複数配列されており、各面の法線が複数方向に向くように配置されている。複数の光学機能面同士の位置関係および面形状は所望の光学特性を発揮するために高精度に形成される。

温度変化の大きい環境下においては、中間層および反射層の厚さを一定値以下にすることが好ましい。中間層および反射層の厚さを一定値以下にするために下地４を設ける。これは光学機能面の形状にできるだけ近い形状に形成される。この下地４は、基材の上面を加工することによって形成してもよいし、全く別の部材で形成してもよい。

基材はＳＵＳ４２０Ｊ２に相当するプリハードン鋼、低熱膨張材料、石英、ガラスのいずれかであることが好ましい。中間層は、鏡面性に優れたＣｕまたはＮｉを主成分としたメッキ被膜であることが好ましい。また、中間層は、複数の材料を積層させてもよい。その場合は、前記複数の材料のうち、前記基材に直接接触する層の材料は、前記基材の熱膨張率との差が最も小さく、前記反射層と直接接触する層の材料は、前記反射層の熱膨張率との差が最も小さいことが好ましい。

反射層は、可視光域（可視光の波長帯域）において優れた反射特性を有するＡｕ、Ａｇ、Ａｌのいずれかを主成分とする金属膜であることが好ましい。また、反射層は、誘電体多層膜を積層した層であってもよい。基材として例えば、ＳＵＳ、ＢＫ７、インバ−（登録商標）、ＵＬＥ（登録商標）、ゼロデュア（登録商標）、クリアセラム（登録商標）が候補材料として挙げられる。

特に、基材はＳＵＳ４２０Ｊ２に相当するプリハードン鋼、中間層はＣｕを主成分とするメッキ被膜、反射層はＡｇを主成分とする金属膜であることが好ましい。これらの材料は表１に示すとおり、中間層の熱膨張係数は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数である。つまり、各材料の熱膨張係数が、基材＜中間層＜反射層の関係である。中間層の熱膨張係数が、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数であるとは、言い換えれば基材の熱膨張係数をＴｂ、中間層の熱膨張係数をＴｉ、反射層の熱膨張係数をＴｒとした時、Ｔｂ＜Ｔｉ＜Ｔｒの関係を有しているということである。これにより、基材と反射層の熱膨張係数差による破壊、変形現象を緩和することが可能となる。

次に光学素子の製造方法について説明する。

図３は光学素子の製造過程を示した断面図である。図３において、１は基材、２は中間層、３は反射層、４は下地、５は光学機能面である。

まず基材として例えばＳＵＳ４２０Ｊ２相当のプリハードン鋼を選定し、バルク材から例えばおよそ７０ｍｍ×７０ｍｍ×１６０ｍｍの立方体を切出す。少なくとも光学素子を加工する際の設置基準となる部分（例えば角部）の平面度および直交度を、高い精度で加工しておくことが望ましい。

次に、所望の光学特性を得るために設計配置された面分光光学系における光学機能面を形成するための下地４として、先ほどの設置基準からの位置関係を考慮して立方体上部を光学機能面に沿った形状となるように追加加工を施す。

次に、反射層３と基材１との間に発生する応力を緩和させる機能と微細に並ぶ複数の光学機能面の相対位置関係を高精度に形成することが可能な機能を両立する中間層２を積層する。特に鏡面加工性に優れた材料として例えば硫酸銅メッキを選択する。硫酸銅メッキは銅を主成分とする電解メッキ被膜であり、ウェットプロセスにより緻密な層状被膜を形成する。メッキ層の厚みは、極限環境下においても熱的影響による光学機能面の剥離、クラックを抑制するためと精密な切削加工を行うためには中間層の厚みは、例えば３００μｍとする。しかしこれに限ることはなく、１０μｍ以上３０００μｍ以下であればよい。中間層の膜厚の下限値はおよそ切削加工における加工上の誤差及び一定の除去量を確保する数値であれば制限は無く、１０μｍ程度が一般的である。さらに中間層の膜厚の上限値は平滑な鏡面を創成するための緻密なメッキ被膜が形成できれば制限は無く、メッキの内部応力の増大を抑制する観点からも３０００μｍ程度が一般的である。

次に、上述した設置基準に対する位置関係を考慮しながら、例えば、切れ刃に曲線部を有するダイヤモンド工具を用いた精密切削加工により中間層を除去することで曲面を有する光学機能面形状を形成する。精密切削加工において、観測対象の光が必要以上に散乱しないように、０．５ｎｍＲＭＳ以上２ｎｍＲＭＳ以下、より好ましくは、１ｎｍＲＭＳ以下の平滑な鏡面を形成する必要があり、その際の加工条件として除去厚さを極力薄くすることが望ましい。例えば工具の曲線部をＲ２０ｍｍ、狙いとするカスプハイトをＰＶ２ｎｍ以下となるように設定する。

最後に、例えば可視光域において優れた反射特性を有する銀を含む反射層を形成する。反射層は中間層に形成した光学機能面形状を極力崩すことのないように、一定厚さの薄膜とする必要がるため、スパッタリングにより成膜することが好ましいがこれに限ることはない。所定の材料を一定膜厚の薄膜に成膜可能なプロセスであれば、その他物理気相成長法や、化学気相成長法など一般的にドライプロセスと呼ばれる様々な製法を用いてもよい。反射層の膜厚は被膜の膜厚安定性と観測対象の波長を反射可能とする、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の膜を形成する。例えば２５０ｎｍの膜を形成する。

本実施形態においては下地４を形成する例を示すが、下地４を形成することなく、直接基材１に中間層を積層し、光学機能面を加工してもよい。

本実施形態によって得られる複数の光学機能面を有する面分光光学素子は、観測対象の光が必要以上に散乱しないように、平滑な鏡面を形成することが可能である。図６に本実施形態における光学機能曲面の１断面を抜き出し機能面形状からの差分をプロットしたプロファイルの一例を示す。図に示す通り、本実施例における光学機能曲面の平滑度はおよそＲＭＳ１ｎｍとなり、先行例として挙げたＡｌの切削面ＲＭＳ５ｎｍに比べより平滑化が可能なため、所望の光学性能を発揮できる平滑面が形成できる。

また、平滑度の高い複数の光学機能面を一体加工することが可能となり、微細に並ぶ複数の光学機能面の相対位置関係を超高精度な加工装置の運動精度に応じた高い精度で形成できる。

（第二の実施形態）
第一の実施形態では、光学機能面が曲面の例を説明したが、本実施形態では、光学機能面が平面を有する面分光光学素子について説明する。図４は本実施形態の光学素子を示した模式図である。図５は本実施形態の光学素子の製造過程を示した断面図である。図４において、３は反射層である。６は光学機能面である。本実施形態において、複数の光学機能面は複数のユニット（図４においては３つのユニット）に分かれており、各ユニット内に配置される複数の光学機能面の各面の法線が複数方向に向くように配置されている。具体的には、複数の光学機能面の各面の法線が所定の角度差を有しており、θｘの角度範囲で配置される。ユニット間の角度差は各ユニット内に配置される光学機能面の法線により定義される。本実施形態においてユニット１とユニット３の角度差は各ユニット内の法線によって定義されるθｙの範囲内で配置する。

図５において、１は基材、２は中間層、３は反射層、４は下地、６は光学機能平面である。第一の実施形態と同様の機能を有する構成は同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態では、第一の実施形態同様、まず基材として例えばＳＵＳ４２０Ｊ２相当のプリハードン鋼を選定し、バルク材から例えば２５ｍｍ×２５ｍｍ×１０ｍｍの立方体を切出す。少なくとも光学素子を加工する際の設置基準となる部分（例えば角部）の平面度および直交度を、高い精度で加工しておくことが望ましい。

次に、所望の光学特性を得るために設計配置された面分光光学系における光学機能面群を土台にのせるための下地４として、設置基準からの位置関係を考慮して立方体上部を光学機能面に沿った形状となるように追加加工を施す。本実施形態においては下地４を形成する例を示すが、下地４を形成せず、直接基材１に中間層、光学機能面群を形成してもよい。

次に、反射層３と基材１との間に発生する応力を緩和させる機能と微細に並ぶ複数の光学機能面の相対位置関係を高精度に形成することが可能な機能を両立する中間層２を積層する。特に鏡面加工性に優れた材料として例えば硫酸銅メッキを選択する。硫酸銅メッキは銅を主成分とする電解メッキ被膜であり、ウェットプロセスにより緻密な層状被膜を形成する。メッキ層の厚みは極限環境下においても熱的影響による光学機能面の剥離、クラックを抑制するためと光学機能面の高い凹凸と微細な配置を精密な切削加工で形成可能とするため例えば６００マイクロメートルとする。しかしこれに限ることはなく、１０μｍ以上３０００μｍ以下であればよい。

次に、上述した設置基準に対する位置関係を考慮しながら、例えば、切れ刃に直線部を有するダイヤモンド工具を用いた精密切削加工により中間層を除去することで平面を有する光学機能面形状を形成する。精密切削加工において、観測対象の光が必要以上に散乱しないように、０．５ｎｍＲＭＳ以上２ｎｍＲＭＳ以下、より好ましくは、１ｎｍＲＭＳ以下の平滑な鏡面を形成する必要があり、その際の加工条件として除去厚さを極力薄くすることが望ましい。本実施例においては切れ刃の直線部の真直度が２０ｎｍ以下の工具を用い、移動軸真直度を１０ｎｍ以下とする超高精度加工装置の運動精度を転写し総型削りを行った。

最後に、例えば可視光の波長帯域において優れた反射特性を有する銀を含む反射層を形成する。これにより可視光波長帯域の入射光を分光することができる分光装置に適用可能となる。反射層は中間層に形成した光学機能面形状を極力崩すことのないように、一定厚さの薄膜とする必要がるため、スパッタリングにより成膜することが好ましいがこれに限ることはない。所定の材料を一定膜厚の薄膜に成膜可能なプロセスであれば、その他物理気相成長法や、化学気相成長法など一般的にドライプロセスと呼ばれる様々な製法を用いてもよい。

反射層の膜厚は被膜の膜厚安定性と観測対象の波長を反射可能とする、例えば２５０ｎｍと設定する。しかしこれに限るものではない。

本実施形態においては下地４を形成する例を示すが、下地４を形成することなく、直接基材１に中間層を積層し、光学機能面を加工してもよい。

本実施形態によって得られる複数の光学機能面を有する面分光光学素子は、観測対象の光が必要以上に散乱しないように、１ｎｍＲＭＳ程度の平滑な鏡面を形成することが可能である。図７に本実施形態における光学機能平面の１断面を抜き出したプロファイルの一例を示す。図７に示す通り、本実施例における光学機能曲面の平滑度はおよそＲＭＳ１ｎｍ以下となり、先行例として挙げたＡｌの切削面ＲＭＳ５ｎｍに比べより平滑化が可能なため、所望の光学性能を発揮できる平滑面が形成できる。

（第三の実施形態）
本実施形態では、回折光学素子について説明する。図８は本実施形態の光学素子を示した模式図である。図９は本実施形態の光学素子の製造過程を示した模式図である。図８、図９において、１は基材、２は中間層、３は反射層、７は格子面である。第一および第二の実施形態と同様の機能を有する構成は同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態において光学機能面は断面形状が周期的な鋸歯状の格子形状を有しており、格子面に所定の角度を設けて配置される。格子の周期性および格子面の角度は所望の次数と波長に対して高い回折効率を得られるよう設計することが望ましい。本実施形態では、格子形状の周期性はおよそ９０μｍ、格子面の角度はおよそ８０度に設定した。

本実施形態では、まず基材として例えば低熱膨張ガラスを選定し、バルク材から２００ｍｍ×６０ｍｍ×６０ｍｍの立方体を切出す。これは、厳しい温度環境下においても、素子全体の形状精度を定常的に維持するために、線膨張係数の低い基材を選定する。前述のとおり、素子構成における材料には制限が無く、ＳＵＳ４２０Ｊ２に相当するプリハードン鋼、低熱膨張材料、石英、ガラスなどを用いても良い。

次に第一第二の実施形態と同様に、反射層３と基材１との間に発生する応力を緩和させる機能と微細に並ぶ複数の光学機能面の相対位置関係を高精度に形成することが可能な機能を両立する中間層２を積層する。特に鏡面加工性に優れた材料として例えば硫酸銅メッキを選択する。硫酸銅メッキは銅を主成分とする電解メッキ被膜であり、ウェットプロセスにより微密な層状被膜を形成する。メッキ層の厚みは極限環境下においても熱的影響による光学機能面の剥離、クラックを抑制するためと光学機能面の高い凹凸と微細な配置を精密な切削加工で形成可能とするため例えば５０マイクロメートルとする。しかしこれに限ることはなく、１０μｍ以上３０００μｍ以下であればよい。

次に、例えば、切れ刃に直線部を有するダイヤモンド工具を用いた精密切削加工により中間層を除去することで断面形状が周期的な鋸歯状の格子形状を有する光学機能面を形成する。つまり格子面７が光学機能面となる。精密切削加工において、観測対象の光が必要以上に散乱しないように、０．５ｎｍＲＭＳ以上２ｎｍＲＭＳ以下、より好ましくは、１ｎｍＲＭＳ以下の平滑な鏡面を形成する必要があり、その際の加工条件として除去厚さを極力薄くすることが望ましい。本実施例においては切れ刃の直線部の真直度が２０ｎｍ以下の工具を用い、移動軸真直度を１０ｎｍ以下とする超高精度加工装置の運動精度を転写し総型削りを行った。

最後に、例えば赤外線の波長帯域において優れた反射特性を有する金を含む反射層を形成する。これにより赤外線の波長帯域の入射光を分光することができる分光装置に適用可能となる。反射層は中間層に形成した光学機能面形状を極力崩すことのないように、一定厚さの薄膜とする必要がるため、スパッタリングにより成膜することが好ましいがこれに限ることはない。所定の材料を一定膜厚の薄膜に成膜可能なプロセスであれば、その他物理気相成長法や、化学気相成長法など一般的にドライプロセスと呼ばれる様々な製法を用いてもよい。

反射層の膜厚は被膜の膜厚安定性と観測対象の波長を反射可能とする、例えば２５０ｎｍと設定する。しかしこれに限るものではない。

本実施形態によって得られる回折光学素子は、観測対象の光が必要以上に散乱しないように、２ｎｍＲＭＳ程度の平滑な鏡面を形成することが可能である。すなわち、入射光に対する回折光の強度比率が高く優れた分光性能を有することができる。また基材に低熱膨張ガラスを選定したことにより、熱的影響による素子全体の形状変化を抑制できる。

（第四の実施形態）
本実施形態では、第三の実施形態の回折光学素子を含む分光装置について説明する。図１０は本実施形態における分光装置の一例を示した模式図である。図１０において、８は入射スリット、９は第一凹面鏡、１０は回折光学素子、１１は第二凹面鏡、１２は出射スリット、１３は光線である。本実施形態における分光装置の構成は一例であり、例えば請求項１および１ａに記載の複数の光学機能面を有する光学素子や回折光学素子を含む構成であればその他の構成に制限はなく、種々の構成要素を組み合わせてもよい。図９において光線は入射スリットを通過し、集光作用のある第一凹面鏡で集光され、回折光学素子にて波長毎に分散される。特定波長に分散された光線は第二凹面鏡にて集光し、出射スリットを通過する。本実施形態に係る分光装置の性能を決める要素として回折光学素子の製作精度がある。例えば回折光学素子の光学機能面の面粗さを平滑にできるため、散乱しにくくなる。すなわち、特定波長以外の光の総量が抑えられることで分光装置全体の迷光が少なくなり効率のよい分光性能が得られる。また本実施形態によって得られる分光装置に含まれる回折光学素子は、ナノメートルオーダーのピッチ精度および形状精度をもつ格子面を形成することが可能であるため、高い回折効率を有する分光装置を提供することができる。また熱的影響による光学素子の形状変化を抑制できるため、耐環境性能に優れた分光装置を提供することができる。

１ 基材
２ 中間層
３ 反射層
４ 下地
５ 光学機能面
６ 光学機能面

Claims (35)

1. 複数の光学機能形状を有する光学素子であって、
   基材と反射層との間に、厚さが１０μｍ以上３０００μｍ以下である中間層を備え、
   前記中間層は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数を有するとともに、前記複数の光学機能形状が形成され、前記光学機能形状の表面に前記反射層が形成されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記中間層は、ＣｕまたはＮｉを主成分とすることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記反射層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌのいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１または２記載の光学素子。
4. 前記反射層は、誘電体多層膜が積層されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項記載の光学素子。
5. 前記反射層は、金を含むことを特徴とする請求項２記載の光学素子。
6. 前記中間層は、複数の材料が積層されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項記載の光学素子。
7. 前記複数の材料のうち、前記基材に直接接触する層の材料は、前記基材の熱膨張率との差が最も小さく、前記反射層と直接接触する層の材料は、前記反射層の熱膨張率との差が最も小さいことを特徴とする請求項６記載の光学素子。
8. 前記光学機能形状は曲面であり、前記各曲面の法線が複数方向に配置されることを特徴とする請求項１乃至７いずれか一項記載の光学素子。
9. 前記光学機能形状は平面であり、前記各平面の法線が複数方向に配置されることを特徴とする請求項１乃至７いずれか一項記載の光学素子。
10. 前記光学機能形状は回折格子の格子面であることを特徴とする請求項１乃至７いずれか一項記載の光学素子。
11. 複数の光学機能形状を有する光学素子であって、
    基材と反射層との間に中間層を備え、
    前記中間層は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数を有するとともに、前記複数の光学機能形状が形成され、前記光学機能形状の表面に前記反射層が形成され、前記複数の光学機能形状は曲面であり、前記各曲面の法線が複数方向に配置されていることを特徴とする光学素子。
12. 前記中間層は、ＣｕまたはＮｉを主成分とすることを特徴とする請求項１１記載の光学素子。
13. 前記反射層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌのいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１１または１２記載の光学素子。
14. 前記反射層は、誘電体多層膜が積層されていることを特徴とする請求項１１乃至１３いずれか一項記載の光学素子。
15. 前記反射層は、金を含むことを特徴とする請求項１２記載の光学素子。
16. 前記中間層は、複数の材料が積層されていることを特徴とする請求項１１乃至１５いずれか一項記載の光学素子。
17. 前記複数の材料のうち、前記基材に直接接触する層の材料は、前記基材の熱膨張率との差が最も小さく、前記反射層と直接接触する層の材料は、前記反射層の熱膨張率との差が最も小さいことを特徴とする請求項１６記載の光学素子。
18. 基材と反射層との間に中間層を備え、前記中間層は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数を有するとともに、複数の光学機能形状が形成され、前記光学機能形状の表面に前記反射層が形成されている光学素子を有する分光装置。
19. 前記中間層は、ＣｕまたはＮｉを主成分とすることを特徴とする請求項１８記載の分光装置。
20. 前記反射層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌのいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１８または１９記載の分光装置。
21. 前記反射層は、誘電体多層膜が積層されていることを特徴とする請求項１８乃至２０いずれか一項記載の分光装置。
22. 前記反射層は、金を含むことを特徴とする請求項１９記載の分光装置。
23. 前記中間層の厚さが、１０μｍ以上３０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１８乃至２２いずれか一項記載の分光装置。
24. 前記中間層は、複数の材料が積層されていることを特徴とする請求項１８乃至２３いずれか一項記載の分光装置。
25. 前記複数の材料のうち、前記基材に直接接触する層の材料は、前記基材の熱膨張率との差が最も小さく、前記反射層と直接接触する層の材料は、前記反射層の熱膨張率との差が最も小さいことを特徴とする請求項２４記載の分光装置。
26. 前記光学機能形状は曲面であり、前記各曲面の法線が複数方向に配置されることを特徴とする請求項１８乃至２５いずれか一項記載の分光装置。
27. 前記光学機能形状は平面であり、前記各平面の法線が複数方向に配置されることを特徴とする請求項１８乃至２５いずれか一項記載の分光装置。
28. 前記光学機能形状は回折格子の格子面であることを特徴とする請求項１８乃至２５いずれか一項記載の分光装置。
29. 前記光学素子で赤外線の波長帯域の入射光を分光することを特徴とする請求項１８乃至２８いずれか一項記載の分光装置。
30. 前記光学素子で可視光の波長帯域の入射光を分光することを特徴とする請求項１８乃至２８いずれか一項記載の分光装置。
31. 複数の光学機能形状を有する光学素子の製造方法であって、
    基材を加工する工程と、
    前記基材上にメッキによる中間層を形成する工程と、
    前記中間層に光学機能形状を形成する工程と、
    前記光学機能形状が形成された中間層の上に反射層を形成する工程と、
    を有し、
    前記中間層は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数を有し、厚さが１０μｍ以上３０００μｍ以下であることを特徴とする光学素子の製造方法。
32. 複数の光学機能形状を有する光学素子の製造方法であって、
    基材を加工する工程と、
    前記基材上にメッキによる中間層を形成する工程と、
    前記中間層に光学機能形状を形成する工程と、
    前記光学機能形状が形成された中間層の上に反射層を形成する工程と、
    を有し、
    前記中間層は、前記基材と前記反射層の中間の熱膨張係数を有し、
    前記基材を加工する工程は、複数の凸形状を加工することを含み、前記凸形状上に形成された中間層それぞれに、前記光学機能形状が形成されることを特徴とする光学素子の製造方法。
33. 前記中間層は、ＣｕまたはＮｉを主成分とすることを特徴とする請求項３１または３２記載の光学素子の製造方法。
34. 前記中間層は、硫酸銅メッキであることを特徴とする請求項３３記載の光学素子の製造方法。
35. 前記反射層は、スパッタリングによって形成されることを特徴とする請求項３１乃至３４いずれか一項記載の光学素子の製造方法。

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