衍射器件、分光装置和衍射器件的制造方法

技术领域

本发明涉及衍射器件、分光装置和衍射器件的制造方法。

背景技术

相位衍射光栅是这样一种衍射光栅，即，各光栅槽的形状形成为锯齿形(闪耀(blazed)形)、正弦波形或矩形波形等，以在光栅的一个周期内为入射光提供相位差，使得可以根据应用选择衍射光强度特性。闪耀衍射光栅是包括分别具有三角形截面的光栅槽的相位衍射光栅。借助于用于转印(transfer)工具形状的刻划(ruling)、通过定向束的刻蚀、使用研磨石的研磨或使用金刚石刀(diamond bite)的切削，形成分别具有预定截面形状的光栅槽，来制造闪耀衍射光栅。

在许多情况下，由晶体材料制成并通过切削制造的闪耀衍射光栅是被设计为使用高阶衍射光的衍射光栅。因此，为了获得良好的光学性能，需要执行机械加工从而以延性模式形成光栅槽。在延性模式与脆性模式之间的边界处存在临界切削厚度。临界切削厚度取决于晶体滑动面的晶体取向与加工面之间的关系、晶轴与切削方向之间的关系以及晶轴与切削力方向之间的关系(取决于工具前角(tool rake angle)和切削方向)。例如，日本专利公开No.2003-075622描述了通过在使用单晶金刚石刀的同时对由Si或Ge制成的晶体材料执行超精密切削来形成光栅槽。

当通过使用金刚石工具的机械加工制造由半导体材料制成的衍射光栅(诸如闪耀衍射光栅)时，材料特有的脆性模式加工面趋于在加工中占主导地位。为了获得衍射光栅所需的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度，必须在延性模式的加工条件下实现加工。此外，衍射光栅的结构体具有根据所使用的波长的尺寸。可用于某个应用中的衍射光栅具有非常长的光栅长度，这导致需要加工的距离非常长。这导致工具磨损，并使得难以获得希望形状的衍射光栅。由于难以获得大的单晶，因此，大的ZnS和ZnSe材料中的每一个一般具有多晶结构体。多晶结构体是精细的单晶结构体的集合，因此在多晶结构体中无法与单晶中一样定义独特的晶体取向关系，但在适当的条件下仍存在临界切削厚度。

已知存在整形方法，在该整形方法中，具有与衍射光栅的槽面的分散方向(与槽延伸方向正交的方向)上的截面形状相同的截面形状的金刚石刀在与分散方向正交的方向(槽延伸方向)上平移，以将其形状转印到材料。在整形方法中，当在衍射光栅中形成分别具有约200nm～200μm的深度的槽时，为了获得良好的光学表面，需要设定等于或小于临界切削厚度的最大切削厚度，并重复加工几十到几百次。因此，需要切削的总距离不仅仅是光栅的总长度，而是光栅长度的几十到几百倍。因此，可以说，通过使用导致不可忽略的工具磨损的材料获得实用的衍射器件是极其困难的。在旋转金刚石工具以执行加工的飞切方法中，通过根据旋转速度调整槽方向上的行进速度，设定等于或小于临界切削厚度的最大切削厚度。因此，金刚石工具的尖端部分被迫与材料有许多接触，这也导致磨损问题。

在更换磨损工具的同时继续材料的加工是常见的方法。然而，为了获得优异的衍射效率，必须具有使得衍射光栅的间距或形状为几纳米到几微米的精度。因此，在加工过程中更换和调整工具，存在许多困难且需要长的时间。

在加工ZnS(硫化锌)时，金刚石工具磨损严重。因此，即使使用临界切削厚度作为参数，也不能避免由工具磨损导致的形状误差和缺陷，并且也不能避免由加工引起的衍射光栅的光学性能的劣化。另一方面，在加工ZnSe(硒化锌)时，金刚石工具的磨损小，使得可以在使用临界切削厚度作为参数的同时加工具有稳定的光学性能的衍射光栅。

另一方面，从光学特性的观点看，ZnS即使在近红外区域(750nm)附近也具有高透射率，但ZnSe在近红外区域附近具有大的光吸收。在由ZnSe形成的衍射光栅中，厚度大于10mm的器件难以实现高效率。

发明内容

本发明提供有利于促进衍射光栅制造的技术。

本发明的第一方面提供一种包括ZnS构件和耦合到ZnS构件的ZnSe构件的衍射器件，其中，衍射光栅被设置在ZnSe构件上。

本发明的第二方面提供一种包括光学系统的分光装置，该光学系统包括在第一方面中限定的衍射器件。

本发明的第三方面提供一种制造衍射器件的制造方法，该方法包括：形成其中ZnS构件和ZnSe构件彼此耦合的结构体；以及加工以在该结构体中的ZnSe构件上形成衍射光栅。

从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1是示意性地示出根据实施例的衍射器件的布置的示图；

图2是示出可以用于制造根据实施例的衍射器件的加工装置的布置的示图；

图3是示意性地示出如何通过加工装置加工ZnSe构件的示图；

图4是示意性地示出根据实施例的衍射器件的应用示例的布置的示图；

图5是示出根据实施例的分光装置的布置的示图；以及

图6是示出根据另一实施例的分光装置的布置的示图。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述实施例。注意，以下的实施例无意限制所要求保护的发明的范围。在实施例中描述了多个特征，但是不限制发明需要所有这样的特征，并且可以适当地组合多个这样的特征。此外，在附图中，相同的附图标记被赋予相同或类似的配置，并且省略其冗余描述。

图1示意性地示出根据本发明的实施例的衍射器件1的布置。衍射器件1包括ZnS构件11和耦合到ZnS构件11的ZnSe构件12。ZnSe构件12耦合到ZnS构件11的第一面S1。衍射光栅17被设置在ZnSe构件12上。ZnS构件11由ZnS形成。ZnS在包括近红外区域的红外区域中具有良好的透射率。ZnS构件11可以具有棱柱形状。ZnSe构件12由ZnSe形成。ZnSe构件12的最大厚度(在与第一面S1正交的方向上的最大厚度)可以在例如150μm(包括)到1000μm(包括)的范围内。ZnSe构件12可以通过例如光学接触结合(optical contact bonding)耦合到ZnS构件11。替代地，通过用沉积方法在ZnS构件11上沉积ZnSe材料来形成ZnSe构件12，使得可以形成耦合到ZnS构件11的ZnSe构件12。

衍射器件1可以被配置为浸没式衍射器件或透射式衍射器件。衍射光栅17可以被配置为闪耀衍射光栅。可以在衍射光栅17的表面上设置膜13。在浸没式衍射器件1中，反射膜可以被设置为膜13。这种反射膜可以是对红外区域中的光具有高反射率的膜，例如，基于金属的膜。在透射式衍射器件1中，防反射膜可以被设置为膜13。可以在ZnS构件11的第二面S2上设置防反射膜14。ZnS构件11的第二面S2可以是光从外部进入的入射面。在浸没式衍射器件1的布置中，第二面S2也可以是出射面。在这种情况下，已经进入第二面S2的光透过ZnS构件11的内部以到达衍射光栅17，被衍射光栅17衍射，再次透过ZnS构件11的内部，并通过出射面以射出到外部。防反射膜14减少当光进入第二面S2时产生的反射损耗和当光从第二面S2射出时产生的反射损耗。

用于制造衍射器件1的制造方法可以包括：形成其中ZnS构件11和ZnSe构件12相互耦合的结构体ST的形成步骤，以及在结构体ST中的ZnSe构件12上形成衍射光栅17的加工步骤。在形成步骤中，制备具有棱柱形状的ZnS构件11和具有平板形状的ZnSe构件12，并且可以通过光学接触结合将ZnSe构件12耦合到ZnS构件11来形成结构体ST。替代地，在形成步骤中，制备具有棱柱形状的ZnS构件11，并且可以通过用沉积方法在ZnS构件11上沉积ZnSe材料以形成ZnSe构件12，从而形成结构体ST。沉积方法可以是例如CVD方法。在形成步骤中所形成的结构体ST中，ZnSe构件12可以具有在例如150μm(包括)到1000μm(包括)的范围内的厚度(在与第一面S1正交的方向上的厚度)。

在加工步骤中，可以通过使用诸如金刚石工具的工具在形成步骤中所形成的结构体ST中的ZnSe构件12上形成衍射光栅17。其上形成有衍射光栅17的ZnSe构件12的最大厚度(在与第一面S1正交的方向上的最大厚度)可以在例如150μm(包括)到1000μm(包括)的范围内。这里，如果使用诸如金刚石工具的工具来加工ZnS构件，则如以上已描述的那样存在由于工具的磨损而出现形状误差或缺陷的问题。另一方面，在加工ZnSe构件时，工具的磨损小于加工ZnS构件时工具的磨损。因此，在根据本实施例的加工步骤中，可以通过用等于或小于临界切削厚度的切削厚度加工ZnSe构件12来使脆性破坏最小化。因此，可以获得质量良好的衍射光栅17。

此外，可以执行在衍射光栅17的表面上形成膜13(反射膜或防反射膜)的步骤。此外，可以执行在ZnS构件11的第二面S2上形成防反射膜14的步骤。

图2示意性地示出可用于在加工步骤中加工结构体ST中的ZnSe构件12的加工装置20。例如，加工装置20是能够以几十纳米的量级数控切削加工的高精度加工机器，并且，在加工装置20中使用的工具包括具有锋利尖端并且能够获得高度精确的加工转印特性的金刚石刀22。

加工装置20包括布置在强烈抵抗外部振动的高刚性的壳体21中的X-Y台架。X-Y台架由可在X方向上移动的X台架25和可在Y方向上移动的Y台架26形成，并且控制作为工件的结构体ST的位置。另外，在外壳21中，布置在保持金刚石刀22的同时可在Z方向上移动的Z台架27。Z台架27可以具有用于旋转金刚石刀22的旋转机构。

图3示意性地示出加工装置20如何加工结构体ST的ZnSe构件12。加工装置20包括限定要转印到ZnSe构件12的截面形状的棱线切削刃(ridgeline cutting edges)23和24，并且由棱线切削刃23和24的尖端形成的角θ2几乎等于形成衍射光栅17的槽的开口角θ1，该开口角θ1为例如85°～90°。棱线切削刃23和24的尖端中的每一个的圆度(roundness)应尽可能小。棱线切削刃23和24的棱线中的每一个的直线精度在尖端部分处非常高。

在金刚石刀22降低到结构体ST上的状态下，结构体ST可由X-Y台架驱动，使得深度方向(Z方向)上的切削量在金刚石刀22和作为工件的结构体ST相互面对的位置处为例如0.1μm。结构体ST的ZnSe构件12以基于金刚石刀22和结构体ST的相对移动的切削速度经受切削。可以通过移动金刚石刀22执行所述相对移动。为了防止对金刚石刀22的过载，可以分割Z方向上的总切削量，并且可以重复以分割切削量的切削。此外，金刚石刀22可以根据切削条件旋转。在这种情况下，由于切削量由旋转速度和相对移动速度决定，因此可以降低相对移动速度以抑制对金刚石刀22的载荷。在加工时，优选从刀前倾面(bite rake face)的背侧喷洒油雾，以除去加工热并使切屑平滑流动。

根据本实施例，制备其中ZnS构件11和ZnSe构件12彼此耦合的结构体ST，并且对结构体ST的ZnSe构件12进行加工以在ZnSe构件12上形成衍射光栅17。利用这种方法，能够制造具有优良光学特性的衍射器件1。由于ZnS在包括近红外范围的红外范围内具有高透射率，因此优选可以将衍射器件1并入可以使红外范围中的光光谱分散的分光装置的光学系统中。

图4示意性地示出作为上述实施例的应用示例的衍射器件1′。关于衍射器件1′未提及的事项可遵循关于衍射器件1的描述。衍射器件1′包括结构体ST′，该结构体ST′包括ZnS构件11和耦合到ZnS构件11的ZnSe构件12和ZnSe构件18。第一ZnSe构件12耦合到ZnS构件11的第一面S1。衍射光栅17被设置在ZnSe构件12上。第二ZnSe构件18耦合到ZnS构件11的第二面S2。第二衍射光栅19被设置在第二ZnSe构件18上。第一衍射光栅17和第二衍射光栅19可以被布置为使得第一衍射光栅17的周期方向和第二衍射光栅19的周期方向彼此正交。根据这种布置，当第一衍射光栅17的衍射阶在多个衍射阶彼此重叠的状态下被输出时，第二衍射光栅19可以在阶方向(order direction)上将它们分离。第二衍射光栅19的光栅间距可以被设定为小于第一衍射光栅17的光栅间距。反过来，第一衍射光栅17的光栅间距可以被设定为大于第二衍射光栅19的光栅间距。

在浸没式衍射器件中，在具有比一般反射式衍射器件(衍射光栅)的折射率高的折射率(n)的材料中执行衍射，使得在材料中分光波长与折射率(n)成反比地缩短。因此，如果浸没式衍射器件具有与反射式衍射器件相同的尺寸，则可以获得与折射率(n)成比例的高分辨率。反过来，如果浸没式衍射器件具有与反射式衍射器件相同的分辨率，则其尺寸可减小至1/n。

包括根据上述方法制造的浸入式衍射器件的分光装置可以由于浸没效果而具有优异的分辨率或紧凑性，并且由于良好的材料透射率和良好的衍射光栅而具有优异的效率。图5示出根据本发明的实施例的分光装置100的布置。分光装置100可以被称为浸没式分光装置。从可以由要被光谱分散的光进入的狭缝(slit)或光纤形成的导光单元51扩散的光束由准直器52准直，并且可以被浸没式光栅53(对应于浸没式衍射器件1)光谱分散。浸没式光栅53可以被配置为高阶衍射器件。为了使重叠的阶彼此分离，可以在浸没式光栅53的下游布置交叉分散器54(在与浸没式光栅53的衍射方向正交的方向上使光衍射的衍射器件)。来自交叉分散器54的衍射光针对每个波长部署在二维空间中、通过会聚光学系统55和56在光学传感器57的光接收面上成像、并由光学传感器57捕获。

通过使用浸没式衍射器件1作为浸没式光栅53，由于上述浸没效果，能够实现例如传统分辨率的两倍以上的分辨率，或者在相同的分辨率的情况下尺寸缩小到1/2。此外，在浸没式衍射器件中，根据形成浸没式衍射器件的材料中的折射率抑制衍射角。因此，与在面内产生期望的衍射角以扩散光的反射式衍射器件不同，光的扩散在出射部分之前被相对抑制，并且光在出射部分处被扩散到期望的发散角。这样的优点有用于实现紧凑和优异的分光装置。

图6示出根据本发明的另一实施例的分光装置100'的布置。分光镜装置100′作为图5所示的分光装置100中的浸没式光栅53和交叉分散器54采用图4所示的浸没式衍射器件1′。即，浸没式衍射器件1′可以具有浸没式光栅53和交叉分散器54的功能。注意，当采用反射式衍射器件时，浸没式衍射器件1′不能具有交叉分散器的功能。

图5和图6中的每一个所示的分光装置仅仅是示例性分光装置，使得诸如镜子数量之类的细节取决于设计，并且本发明的分光装置不限于此。光学传感器57可以是图像传感器、线传感器或单个光接收器件。如果衍射器件是一阶衍射器件，则不需要交叉分散器。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。