JP5590036B2

JP5590036B2 - 干渉光学系およびそれを備えた分光器

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Publication number: JP5590036B2
Application number: JP2011532958A
Authority: JP
Inventors: 滋人大森
Original assignee: Konica Minolta Inc
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Filing date: 2010-09-09
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Description

本発明は、マイケルソン干渉計を構成する干渉光学系と、その干渉光学系を備えた分光器とに関するものである。

従来から、試料に光を照射して、そこを透過または反射した光を集めて分光し、スペクトルを得る装置が分光器として知られている。分光器は、分光プリズムや回折格子を用いた分散型の分光器と、マイケルソン干渉計などの干渉光学系を用いた時間的フーリエ変換分光器（以下、ＦＴ分光器とも称する）とに大別される。ＦＴ分光器では、マイケルソン干渉計の移動鏡を移動させながら時間的インターフェログラム（干渉パターン）を形成し、その時間的インターフェログラムをフーリエ変換することにより、入射光のスペクトル分布を求めることができる。

このような分光器に適用可能なマイケルソン干渉計は、例えば非特許文献１〜３に開示されている。これらの光学系は、いずれも、光源から出射された光をＢＳ（ビームスプリッタ）にて分離して固定鏡および移動鏡に導き、固定鏡および移動鏡にて反射された各光を再度ＢＳに入射させて合成し、干渉させた後、その干渉光を検出器に導く構成である。

南光智昭、外２名、「近赤外分光分析計 InfraSpec NR800」、横河技報、横河電機株式会社、2001年7月31日、Vol.45、No.3、p.179-182 Wilfried Noell et al., "Applications of SOI-based optical MEMS", the IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics(JSTQE), 2002-08-07, Volume 8, Issue 1, Jan/Feb 2002, page(s):148-154 Omar Manzardo, "Micro-sized Fourier Spectrometers", Neuch^atel, janvier 2002, p.87

ところで、マイケルソン干渉計においては、少なくとも上記したＢＳと、固定鏡と、移動鏡と、その移動鏡の駆動機構とが１つの筐体内に収められている。このとき、移動鏡の駆動機構が第１の支持部材によって筐体内で支持されており、ＢＳおよび固定鏡がそれぞれ第２および第３の支持部材によって支持されているとする。このように、移動鏡の駆動機構、ＢＳおよび固定鏡が別々の支持部材によって支持されていると、移動鏡の駆動に起因して第１の支持部材が振動したときでも、これが単独で（第２および第３の支持部材とは独立して）振動する。このため、ＢＳ−固定鏡間の光路と、ＢＳ−移動鏡間の光路とで、本来の移動鏡の駆動（反射光の光路長を変化させる駆動）によって生じる光路差以外に、第１の支持部材の振動に起因する光路差が生じ、これがノイズとなる。その結果、高精度な干渉を実現することができなくなる。

なお、非特許文献３の光学系では、静電アクチュエータを構成する移動鏡およびその駆動機構と固定鏡とを同一のＬ字形基板に搭載し、このＬ字形基板とＢＳとを支持部材にて支持している。しかし、Ｌ字形基板と支持部材とが別体である以上、Ｌ字形基板と支持部材とで振動の仕方が異なるため、上記と同様に、移動鏡の駆動時の振動に起因して、上記両光路間でノイズとなる光路差が生じる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、移動鏡の駆動時の振動に起因して、ＢＳ−固定鏡間の光路と、ＢＳ−移動鏡間の光路とでノイズとなる光路差が生じるのを抑えることができ、これによって高精度な干渉を実現できる干渉光学系と、その干渉光学系を備えた分光器とを提供することにある。

本発明の干渉光学系は、固定鏡と、移動鏡と、入射光を分離して前記固定鏡および前記移動鏡に導くとともに、前記固定鏡および前記移動鏡にて反射された各光を合成し、干渉光として出射するビームスプリッタと、前記移動鏡にて反射される光の光路長が変化するように、前記移動鏡を平行移動させる駆動機構と、前記固定鏡、前記ビームスプリッタおよび前記駆動機構を一体的に、かつ、直接支持する支持部とを備えていることを特徴としている。

本発明の干渉光学系において、前記支持部は、以下の条件式を満足する線膨張係数Ｋ（１／℃）を有していることが望ましい。すなわち、
Ｎλ＝λ／１０＞ｄ・ｔ・Ｋ
ただし、
ｄ：前記固定鏡と前記ビームスプリッタとの間の光路長（ｍｍ）
ｔ：前記固定鏡と前記ビームスプリッタとの間の光路と、
前記移動鏡と前記ビームスプリッタとの間の光路との間の温度
較差（℃）
λ ：測定波長（ｎｍ）
Ｎλ：温度較差に起因する光路差誤差（ｎｍ）
である。

本発明の干渉光学系において、前記支持部の線膨張係数は、５×１０^-6／℃未満であってもよい。

本発明の干渉光学系において、前記支持部の線膨張係数は、４．５×１０^-6／℃未満であってもよい。

本発明の干渉光学系において、前記支持部は、シリコンまたはガラスで構成されていてもよい。

本発明の干渉光学系において、前記駆動機構は、一端部に対して他端部を振動させる平行板ばねで構成されており、前記移動鏡は、前記平行板ばねの前記他端部に設けられており、前記支持部は、前記平行板ばねの振動振幅よりも大きい厚さを有し、前記平行板ばねの前記一端部を支持する支持ブロックと、前記駆動機構を前記支持ブロックを介して支持するとともに、前記固定鏡および前記ビームスプリッタを支持する支持基板とで構成されていてもよい。

本発明の干渉光学系において、前記支持ブロックは、前記支持基板と同じ材料で構成されていてもよい。

本発明の干渉光学系において、前記支持ブロックは、シリコンまたはガラスで構成されていてもよい。

本発明の干渉光学系において、前記支持基板は、シリコンまたはガラスで構成されていてもよい。

本発明の干渉光学系において、前記駆動機構は、剛体を介して互いに対向配置される２つの板ばね部を有しており、前記２つの板ばね部は、ＳＯＩ基板を用いて形成されていてもよい。

本発明の干渉光学系において、前記駆動機構は、剛体を介して互いに対向配置される２つの板ばね部を有しており、前記２つの板ばね部は、シリコン基板またはガラス基板で形成されていてもよい。

本発明の分光器は、上述した本発明の干渉光学系と、演算部とを備え、前記干渉光学系は、前記干渉光を検出する検出器を有しており、前記演算部は、前記検出器から出力される信号に基づいてスペクトルを生成してもよい。

本発明によれば、固定鏡、ＢＳ（ビームスプリッタ）および駆動機構が支持部によって一体的に、かつ、直接支持されるので、移動鏡の駆動時に、駆動機構および支持部が振動しても、その振動は同じ支持部を介して固定鏡およびＢＳに同じように伝播する。これにより、ＢＳ−固定鏡間の光路とＢＳ−移動鏡間の光路とにおいて、移動鏡の駆動時の支持部の振動に起因する光路差（位相差）、すなわち、移動鏡の平行移動によって生じる本来の光路差以外にノイズとなる光路差が生じるのを抑えることができ、高精度な干渉を実現することができる。

本発明の実施の一形態の分光器に適用される干渉光学系の主要部の構成を模式的に示す斜視図である。上記分光器の概略の構成を示す説明図である。上記干渉光学系の駆動機構の概略の構成を示す斜視図である。上記駆動機構の断面図である。上記駆動機構の駆動部の概略の構成を示すとともに、板ばね部の変位の様子を示す断面図である。上記駆動機構を製造する際の大まかな流れを示すフローチャートである。（ａ）〜（ｄ）は、上記駆動機構の製造工程を示す断面図である。複数の板ばね部をシート状に綴った基板の斜視図である。２枚の上記基板で挟まれる剛体ブロックの斜視図である。移動鏡を支持片から切り離す前の、上記基板および上記剛体ブロックからなる接合体の斜視図である。上記移動鏡を支持片から切り離した後の、上記接合体の斜視図である。（ａ）〜（ｆ）は、図８のＡ−Ａ’線矢視断面で見た駆動機構の板ばね部の作製工程をそれぞれ示す断面図である。上記駆動機構の他の構成を示す断面図である。上記駆動機構のさらに他の構成を示す断面図である。上記駆動機構のさらに他の構成を示す断面図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（干渉光学系および分光器について）
図２は、本実施形態の分光器１の概略の構成を模式的に示す説明図である。分光器１は、フーリエ変換分光器であり、干渉光学系２と、演算部３と、出力部４とを有している。

干渉光学系２は、マイケルソン干渉計で構成されているが、その詳細については後述する。演算部３は、干渉光学系２から出力される信号をＡ／Ｄ変換およびフーリエ変換することにより、各波長（波数（＝１／波長））の光の強度を示すスペクトルを生成する。出力部４は、演算部３にて生成されたスペクトルを出力（例えば表示）する。以下、干渉光学系２の詳細について説明する。

干渉光学系２は、光源１１と、コリメータ光学系１２と、ＢＳ（ビームスプリッタ）１３と、固定鏡１４と、移動鏡１５と、集光光学系１６と、検出器１７と、駆動機構２１と、支持部２２とを備えている。なお、移動鏡１５と固定鏡１４の位置は逆であってもよい。

光源１１は、例えば赤外光を出射する。コリメータ光学系１２は、光源１１からの光を平行光に変換してＢＳ１３に導く。ＢＳ１３は、入射光、すなわち、光源１１から出射された光を２つの光に分離して、それぞれを固定鏡１４および移動鏡１５に導くとともに、固定鏡１４および移動鏡１５にて反射された各光を合成し、干渉光として出射するものであり、例えばハーフミラーで構成されている。集光光学系１６は、ＢＳ１３にて合成されて出射された光を集光して検出器１７に導く。検出器１７は、ＢＳ１３から集光光学系１６を介して入射する上記光を検出し、演算部３に出力する。

駆動機構２１は、移動鏡１５にて反射される光の光路長（ＢＳ１３と移動鏡１５との間の光路長）が変化するように、移動鏡１５を平行移動させる移動機構である。ここで、図１は、干渉光学系２の主要部の構成を模式的に示す斜視図である。駆動機構２１は、例えば、一端部２１ａに対して他端部２１ｂを振動させる平行板ばねで構成されている。なお、駆動機構２１の詳細な構成については後述する。

移動鏡１５は、駆動機構２１の上記他端部２１ｂに設けられている。一方、駆動機構２１の上記一端部２１ａには、例えば圧電素子からなる駆動部３５が設けられている。したがって、駆動機構２１を駆動部３５によって振動（共振）させることにより、図１で上下方向に移動鏡１５を平行移動させて光路長を変化させることができる。なお、駆動部３５として、圧電素子の代わりにＶＣＭ（ボイスコイルモータ）を用いてもよい。また、例えば静電アクチュエータや、磁石とコイルとを用いた電磁式アクチュエータによって移動鏡１５を平行移動させる構成としてもよい。

支持部２２は、固定鏡１４、ＢＳ１３および駆動機構２１を一体的に、かつ、直接支持するものであるが、その詳細については後述する。

上記の構成において、光源１１から出射された光は、コリメータ光学系１２によって平行光に変換された後、ＢＳ１３での透過および反射によって２光束に分離される。分離された一方の光束は移動鏡１５で反射され、他方の光束は固定鏡１４で反射され、それぞれ元の光路を逆戻りしてＢＳ１３で重ね合わせられ、干渉光として試料Ｓ（図２参照）に照射される。このとき、駆動機構２１によって移動鏡１５を連続的に移動させながら試料Ｓに光が照射されるが、ＢＳ１３から各ミラー（移動鏡１５、固定鏡１４）までの光路長の差が波長の整数倍のときは、重ね合わされた光の強度は最大となる。一方、移動鏡１５の移動によって２つの光路長に差が生じている場合には、重ね合わされた光の強度に変化が生じる。試料Ｓを透過した光は、集光光学系１６にて集光されて検出器１７に入射し、そこで時間的インターフェログラムとして検出される。

干渉光学系２の検出器１７から出力される信号は、演算部３にてＡ／Ｄ変換およびフーリエ変換され、スペクトルとして出力部４で出力される。したがって、このスペクトルに基づき、試料Ｓの特性（材料、構造、成分量など）を知ることができる。

（支持部について）
次に、支持部２２の詳細について説明する。図１に示すように、支持部２２は、支持ブロック２３（支持部材）と、支持基板２４とで構成されている。支持ブロック２３は、駆動機構２１（平行板ばね）の振動振幅Ｐ（図５参照）よりも大きい厚さｔ（ｍｍ）を有し、駆動機構２１の一端部２１ａを支持するブロックである。支持基板２４は、駆動機構２１を支持ブロック２３を介して支持するとともに、固定鏡１４およびＢＳ１３を支持する平板状の基板である。

また、本実施形態では、支持基板２４は、ＢＳ１３から固定鏡１４に至る光路を反射面で折り曲げる光路折り曲げ部材２５と、ＢＳ１３から移動鏡１５に至る光路を反射面で折り曲げる光路折り曲げ部材２６とをさらに支持している。このような光路折り曲げ部材２５・２６を設けることにより、支持基板２４上にＢＳ１３、固定鏡１４、および駆動機構２１をコンパクトに載置することができる。

ここで、支持部２２、すなわち支持ブロック２３および支持基板２４は、線膨張係数が５×１０^-6／℃未満の高剛性の材料で構成されている。このような支持部２２は、例えば、シリコン（線膨張係数；２．４×１０^-6／℃）、テンパックスガラス（線膨張係数；３×１０^-6／℃）、インバー（線膨張係数；１×１０^-6／℃）、ノビナイト（登録商標）ＣＦ−５（線膨張係数；２．５〜３．５×１０^-6／℃）で構成することが可能である。なお、上記のテンパックスガラスはアルカリガラスの一種であり、インバーはＦｅとＮｉの合金であり、ノビナイトＣＦ−５はオーステナイト系鋳鉄である。本実施形態では、後述するように、駆動機構２１の平行板ばねをＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、シリコン基板またはガラス基板を用いて構成していることから、支持部２２をシリコンまたはガラスで構成している。

なお、支持ブロック２３および支持基板２４は、同一材料で構成されることが望ましいが、２つの材料の線膨張係数の差が小さく、後述する光路差誤差への影響が小さい場合には、異種材料で構成されてもよい。

このように線膨張係数が５×１０^-6／℃未満の材料で支持部２２を構成するのは、以下の理由による。小型の分光器１の場合、ＢＳ１３と固定鏡１４との間の光路長およびＢＳ１３と移動鏡１５との間の光路長は、それぞれ例えば２０ｍｍ程度である。また、干渉光学系２の各構成部材を収容する図示しない筐体内では、光源１１の位置によって温度分布に偏りが生じ、上記両光路間で温度較差は１℃程度発生する。このような温度較差に起因する光路差誤差（ノイズ）が波長（９００〜２５００ｎｍ）の１０分の１以下であるためには、Ｋを線膨張係数（１／℃）として、
１００ｎｍ（≒（９００／１０））＞２０ｍｍ×１℃×Ｋ
を満足する必要が生ずる。この条件式より、Ｋ＜５×１０^-6が導き出される。なお、（９００／１０）＞２０ｍｍ×１℃×Ｋより、Ｋ＜４．５×１０^-6であることがより望ましく、上述した支持部２２の構成材料は全て、Ｋ＜４．５×１０^-6を満足している。

以上のように支持部２２を構成することにより、以下の効果を得ることができる。まず、固定鏡１４、ＢＳ１３および駆動機構２１が支持部２２によって一体的に、かつ、直接支持されており、固定鏡１４、ＢＳ１３および駆動機構２１と支持部２２との間に介在する部材が何もないので、移動鏡１５の駆動時に、駆動機構２１およびそれを支持する支持部２２が振動しても、その振動は同じ支持部２２を介して固定鏡１４およびＢＳ１３に同じように伝播する。これにより、ＢＳ１３と固定鏡１４との間の光路と、ＢＳ１３と移動鏡１５との間の光路とにおいて、移動鏡１５の平行移動によって生じる本来の光路差以外に、支持部２２の振動に起因する、ノイズとなる光路差が生じるのを抑えることができ、高精度な干渉を実現することができる。

加えて、支持部２２の線膨張係数は、５×１０^-6／℃未満と小さいので、支持部２２の熱膨張自体を抑えることができる。これにより、光源１１の位置に起因して上記両光路間で温度較差が生じる場合でも、その温度較差に起因してノイズとなる光路差が生じるのを抑えることができる。特に、温度較差に起因する光路差を、用いる波長の１０分の１以下に十分抑えることができる。

したがって、本実施形態の構成によれば、移動鏡１５の駆動時の支持部２２の振動および温度較差の両者に起因して、上記両光路間でノイズとなる光路差が生じるのを抑えることができるので、高精度な干渉を確実に実現することができる。

また、平行板ばねからなる駆動機構２１の一端部２１ａが支持ブロック２３を介して支持基板２４に支持されており、その支持ブロック２３が駆動機構２１の振動振幅Ｐよりも大きい厚さｔを有しているので、支持基板２４上で駆動機構２１の他端部２１ｂが振動する空間を確保することができる。つまり、駆動機構２１が振動しても、駆動機構２１の他端部２１ｂが支持基板２４の表面に接触するのを回避することができる。これにより、駆動機構２１の周期的な振動を確実に実現することができる。

なお、図示はしないが、支持基板２４に貫通孔または凹部を設けておき、他端部２１ｂが貫通孔または凹部に出入りするように駆動機構２１を振動させてもよい。この場合は、支持ブロック２３の厚さを、駆動機構２１の振動振幅Ｐ以下の厚さとすることが可能となる。

また、支持部２２は、線膨張係数が５×１０^-6／℃未満であるシリコンまたはガラスで構成されているので、温度による影響を確実に低減できる。すなわち、支持部２２の熱膨張および上記両光路間での温度較差に起因してノイズとなる光路差が生じるのを確実に抑えることができる。

また、支持部２２がシリコンまたはガラスで構成されていれば、後述するように、駆動機構２１を、ＳＯＩ基板を用いた平行板ばねで構成したり、シリコン基板やガラス基板を用いた平行板ばねで構成した場合には、例えば陽極接合、オプティカルコンタクト、拡散接合などの手法を用いて、駆動機構２１と支持部２２とを接着剤を用いずに連結（接合）することができる。これにより、接着剤に起因する製造誤差（接着剤の収縮の影響）を排除することができ、さらに高精度な干渉を実現することができる。

なお、陽極接合とは、シリコンおよびガラスに数百℃の温度下で数百Ｖの直流電圧を印加し、Ｓｉ−Ｏの共有結合を生じさせることによって両者を直接、接合する手法である。オプティカルコンタクトとは、平滑な面同士を密着させ、分子の引力によって２部材を連結する方法である。拡散接合とは、母材を溶融させることなく加熱、加圧保持し、接合面を横切って接合界面の原子を拡散させて接合部を得る方法である。例えば、支持部２２（特に支持ブロック２３）と、駆動機構２１における支持部２２との接合部との材料の組み合わせが、シリコン−ガラスの場合には陽極接合を用いることができ、シリコン−シリコンまたはガラス−ガラスの場合にはオプティカルコンタクトまたは拡散接合を用いることができる。

ところで、本実施形態では、固定鏡１４とＢＳ１３との間の光路と、移動鏡１５とＢＳ１３との間の光路との間の温度較差が１℃程度発生するものとして線膨張係数Ｋの範囲を規定したが、上記両光路間での温度較差がｔ℃発生する場合は、支持部２２として、以下の条件式（１）を満足する線膨張係数Ｋ（１／℃）を有するものを用いればよい。すなわち、
Ｎλ＝λ／１０＞ｄ・ｔ・Ｋ・・・（１）
ただし、
ｄ：固定鏡１４とＢＳ１３との間の光路長（ｍｍ）
（＝静止時の移動鏡１５とＢＳ１３との間の光路長（ｍｍ））
ｔ：固定鏡１４とＢＳ１３との間の光路と、
移動鏡１５とＢＳ１３との間の光路との間の温度較差（℃）
λ ：測定波長（ｎｍ）
Ｎλ：温度較差に起因する光路差誤差（ｎｍ）
である。なお、測定波長とは、光源１１から出射される光の波長のことである。光源１１から出射される光が一定の波長幅を有する場合は、測定波長とは、上記波長幅の光の最短波長を考えることができる。なお、光路差誤差Ｎλは、測定波長の１０分の１以下であることが望ましいことから、Ｎλ＝λ／１０として条件式（１）を規定した。

条件式（１）を満足する線膨張係数Ｋを有する支持部２２を用いることにより、上記両光路間でどのような大きさの温度較差が生じても、その温度較差に起因してノイズとなる光路差が生じるのを抑えることができる。

（駆動機構について）
次に、駆動機構２１の詳細について説明する。図３は、駆動機構２１の概略の構成を示す斜視図であり、図４は、駆動機構２１の断面図である。この駆動機構２１は、２つの板ばね部３１・３２と、２つの剛体３３・３４と、駆動部３５と、上記の移動鏡１５とを有しており、上述したように、一端部２１ａに対して他端部２１ｂを振動（平行移動）させる平行板ばねで構成されている。

板ばね部３１・３２は、剛体（剛体３３・３４）を介して互いに対向配置される第１の板ばね部および第２の板ばね部である。これらの板ばね部３１・３２は、例えばＳＯＩ基板を用いて形成されている。板ばね部３１を形成するためのＳＯＩ基板は、シリコンからなる支持層３１ａと、酸化シリコンからなる絶縁酸化膜層（ＢＯＸ層）３１ｂと、シリコンからなる活性層３１ｃとを積層して構成されている。同様に、板ばね部３２を形成するためのＳＯＩ基板も、シリコンからなる支持層３２ａと、絶縁酸化膜層（ＢＯＸ層）３２ｂと、シリコンからなる活性層３２ｃとを積層して構成されている。そして、支持層３１ａ・３２ａが内側で活性層３１ｃ・３２ｃが外側となるように、つまり、活性層３１ｃ・３２ｃよりも支持層３１ａ・３２ａが剛体３３・３４により近い位置となるように、板ばね部３１・３２が対向配置されている。

支持層３１ａおよび絶縁酸化膜層３１ｂ、支持層３２ａおよび絶縁酸化膜層３２ｂは、それぞれ部分的に除去されている。より詳しくは、支持層３１ａおよび絶縁酸化膜層３１ｂは、剛体３３との対向領域および剛体３４との対向領域が残存し、これら以外の部分が除去されている。なお、支持層３１ａにおける剛体３３との対向領域および剛体３４との対向領域とは、支持層３１ａにおいて剛体３３と直接対向する支持層３１ａ₁、および剛体３４と直接対向する支持層３１ａ₂をそれぞれ指す。また、絶縁酸化膜層３１ｂにおける剛体３３との対向領域および剛体３４との対向領域とは、絶縁酸化膜層３１ｂにおいて、支持層３１ａ₁を介して剛体３３と対向する絶縁酸化膜層３１ｂ₁、および支持層３１ａ₂を介して剛体３４と対向する絶縁酸化膜層３１ｂ₂をそれぞれ指す。

同様に、支持層３２ａおよび絶縁酸化膜層３２ｂは、剛体３３との対向領域および剛体３４との対向領域が残存し、これら以外の部分が除去されている。なお、支持層３２ａにおける剛体３３との対向領域および剛体３４との対向領域とは、支持層３２ａにおいて剛体３３と直接対向する支持層３２ａ₁、および剛体３４と直接対向する支持層３２ａ₂をそれぞれ指す。また、絶縁酸化膜層３２ｂにおける剛体３３との対向領域および剛体３４との対向領域とは、絶縁酸化膜層３２ｂにおいて、支持層３２ａ₁を介して剛体３３と対向する絶縁酸化膜層３２ｂ₁、および支持層３２ａ₂を介して剛体３４と対向する絶縁酸化膜層３２ｂ₂をそれぞれ指す。

このように支持層３１ａ・３２ａおよび絶縁酸化膜層３１ｂ・３２ｂが部分的に除去されている結果、活性層３１ｃのうち、剛体３３との対向領域および剛体３４との対向領域を除く部位と、活性層３２ｃのうち、剛体３３との対向領域および剛体３４との対向領域を除く部位とが、剛体３３と剛体３４との間の空間を介して直接対向している。なお、活性層３１ｃにおける剛体３３との対向領域および剛体３４との対向領域とは、活性層３１ｃにおいて、支持層３１ａ₁および絶縁酸化膜層３１ｂ₁を介して剛体３３と対向する活性層３１ｃ₁と、支持層３１ａ₂および絶縁酸化膜層３１ｂ₂を介して剛体３４と対向する活性層３１ｃ₂とをそれぞれ指す。また、活性層３２ｃにおける剛体３３との対向領域および剛体３４との対向領域とは、活性層３２ｃにおいて、支持層３２ａ₁および絶縁酸化膜層３２ｂ₁を介して剛体３３と対向する活性層３２ｃ₁と、支持層３２ａ₂および絶縁酸化膜層３２ｂ₂を介して剛体３４と対向する活性層３２ｃ₂とをそれぞれ指す。

板ばね部３１・３２において、剛体３３と剛体３４との間の空間を介して対向する部位はそれぞれ平板状であることから、これらの部位を平板部３１ｐ・３２ｐと称すると、各平板部３１ｐ・３２ｐは、各ＳＯＩ基板から、剛体３３との対向領域（支持層３１ａ₁・３２ａ₁、絶縁酸化膜層３１ｂ₁・３２ｂ₁）および剛体３４との対向領域（支持層３１ａ₂・３２ａ₂、絶縁酸化膜層３１ｂ₂・３２ｂ₂）を除いて支持層３１ａ・３２ａおよび絶縁酸化膜層３１ｂ・３２ｂを除去したときに、剛体３３と剛体３４との間の空間を介して対向する活性層３１ｃ・３２ｃでそれぞれ構成されていると言うことができる。

支持層３１ａにおける剛体３３・３４との対向領域（支持層３１ａ₁・３１ａ₂）は、剛体３３・３４とそれぞれ連結されている。同様に、支持層３２ａにおける剛体３３・３４との対向領域（支持層３２ａ₁・３２ａ₂）は、剛体３３・３４とそれぞれ連結されている。

剛体３３・３４は、板ばね部３１・３２の間でそれらが対向する方向とは垂直方向に離間して配置される第１の剛体および第２の剛体である。剛体３３は、板ばね部３１（特に支持層３１ａ₁）と連結されているとともに、板ばね部３２（特に支持層３２ａ₁）と連結されている。同様に、剛体３４は、板ばね部３１（特に支持層３１ａ₂）と連結されているとともに、板ばね部３２（特に支持層３２ａ₂）と連結されている。なお、剛体３４は、平行板ばねの一端部２１ａに対応して設けられており、剛体３３は、平行板ばねの他端部２１ｂに対応して設けられている。

また、剛体３３・３４は両方とも、板ばね部３１・３２の各平板部３１ｐ・３２ｐよりも厚いガラスで構成されている。本実施形態では、上記のガラスとして、例えば酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）や酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）を含むアルカリガラスを用いている。なお、剛体３３・３４は、ガラスの代わりにシリコンで構成されていてもよい。

本実施形態では、剛体３３・３４がガラスで構成され、板ばね部３１の支持層３１ａ₁・３１ａ₂および板ばね部３２の支持層３２ａ₁・３２ａ₂がともにシリコンで構成されているため、剛体３３・３４と板ばね部３１・３２とは、例えば上述した陽極接合により連結されている。

駆動部３５は、板ばね部３１・３２の一方を曲げ変形させることにより、剛体３３・３４の一方を板ばね部３１・３２の対向方向に平行移動させるものである。本実施形態では、駆動部３５は、板ばね部３１における剛体３４の上方で、かつ、剛体３４とは反対側の表面に設けられている。また、上記の移動鏡１５は、板ばね部３１における剛体３３の上方で、かつ、剛体３３とは反対側の表面に設けられている。なお、駆動部３５および移動鏡１５は、板ばね部３２に設けられていてもよい。また、駆動部３５および移動鏡１５の大きさは、適宜設定されればよい。

ここで、駆動部３５は、上述したように例えば圧電素子で構成されている。この圧電素子は、図５に示すように、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）４１を電極４２・４３で挟持した構造となっている。例えば、電極４２・４３への電圧印加によってＰＺＴ４１が伸びたときには、板ばね部３１が上に凸となるように変形するため、剛体３３とともに移動鏡１５が下方に変位する。一方、電極４２・４３への上記とは逆極性の電圧印加によってＰＺＴ４１が縮んだときには、板ばね部３１が下に凸となるように変形するため、剛体３３とともに移動鏡１５が上方に変位する。このように、電極４２・４３に正または負の電圧を印加し、ＰＺＴ４１を水平方向に伸縮させることにより、板ばね部３１を曲げ変形させることができ、剛体３３とともに移動鏡１５を振動振幅Ｐで変位（振動、共振）させることができる。

（駆動機構の製造方法について）
次に、上記した駆動機構２１の製造方法について説明する。図６は、駆動機構２１の製造時の大まかな流れを示すフローチャートである。また、図７（ａ）〜図７（ｄ）は、駆動機構２１の製造工程を示す断面図である。まず、図７（ａ）に示すように、２つの板ばね部３１・３２を作製する（Ｓ１）。なお、板ばね部３１・３２の作製方法の詳細については後述する。

続いて、図７（ｂ）に示すように、剛体３３・３４を互いに離間して配置するとともに、各平板部３１ｐ・３２ｐが剛体３３と剛体３４との間の空間を介して対向するように、剛体３３・３４を介して板ばね部３１・３２を配置する（Ｓ２）。

次に、図７（ｃ）に示すように、板ばね部３１に移動鏡１５を形成するとともに（Ｓ３）、板ばね部３１に駆動部３５を形成する（Ｓ４）。Ｓ３における移動鏡１５の形成は、例えば板ばね部３１に対してＡｕをスパッタすることによって行われる。あるいは、ＡｌやＰｔなどの金属材料を蒸着法や接着によって板ばね部３１上に形成することで移動鏡１５を形成してもよい。また、Ｓ４における駆動部３５の形成は、例えば接着剤を用いて上記した圧電素子を板ばね部３１に接着することによって行われる。

このとき、引き出し電極と固定電極とを金属材料のスパッタ等によって同時に板ばね部３１に形成しておく。なお、上記の引き出し電極とは、圧電素子の下面の電極（図５の電極４３に対応）を引き出すための電極であり、上記の固定電極とは、圧電素子の上面の電極（図５の電極４２に対応）とワイヤーボンディングによって接続される電極であり、図示しない電源と接続される。

なお、Ｓ２〜Ｓ４の順序は、適宜変更してもよい。例えば、Ｓ３よりもＳ４を先に行ってもよいし、Ｓ３およびＳ４の後にＳ２の工程を行ってもよい。

その後、図７（ｄ）に示すように、剛体３３・３４と板ばね部３１・３２とを連結する（Ｓ５）。ただし、このときの連結は、高温高電界下での陽極接合により行われる。そして、圧電素子の上面の電極と固定電極とをワイヤーボンディングによって結線する（Ｓ６）。これにより、駆動機構２１が完成する。

最後に、駆動機構２１を、支持ブロック２３を介して支持基板２４に支持する（図１参照）。このとき、駆動機構２１と支持ブロック２３とは、前述したように、これらの構成材料に応じた手法（陽極接合、オプティカルコンタクト、拡散接合など）で連結（接合）される。

以上では、１個の駆動機構２１を製造する場合について説明したが、複数（例えば４つ）の駆動機構２１を同時に製造することも可能である。その場合は、以下のようにすればよい。

図８は、４枚の板ばね部３１（または４枚の板ばね部３２）をシート状に綴った基板５１の斜視図であって、後述する剛体ブロック５２との対向側から見た斜視図である。４つの駆動機構２１を同時に製造する場合は、このような基板５１を２枚用意する（Ｓ１に対応）。

そして、図９に示すアルカリガラス製の剛体ブロック５２を介して、２つの基板５１・５１を対向配置する（Ｓ２に対応）。上記の剛体ブロック５２は、１個の駆動機構２１を構成する剛体３３と剛体３４との間に空間を設けた状態で、剛体３３・３４を４つずつ設けるとともに、これらを一続きに形成したものである。

続いて、図１０に示すように、基板５１の所定部位に移動鏡１５および圧電素子からなる駆動部３５をそれぞれ形成する（Ｓ３、Ｓ４に対応）。このとき、隣り合う圧電素子の下面の電極に共通して引き出し電極５３を形成するとともに、個々の圧電素子に対応して固定電極５４を形成する。そして、３本の位置決めピン５５によって位置決めを行いながら、各基板５１・５１と剛体ブロック５２とを陽極接合によって接合する（Ｓ５に対応）。その後、接合体（各基板５１・５１、剛体ブロック５２）を太線Ｄ₁・Ｄ₂に沿ってダイサーカットし、支持片５６から移動鏡１５を切り離す。

さらに、図１１に示すように、上記接合体を太線Ｄ₃・Ｄ₄に沿ってダイサーカットし、４台の駆動機構２１に分割する。最後に、不要な部分をさらにダイサーカットした後、個々の圧電素子の上面の電極と固定電極５４とをワイヤーボンディングによって結線する（Ｓ６に対応）。これにより、４つの駆動機構２１が完成する。

（板ばね部の作製方法について）
次に、上述した板ばね部３１・３２の作製方法の詳細について説明する。なお、ここでは、説明の理解をしやすくするために、図８の基板５１を用いて行う板ばね部３１の作製方法の詳細について説明する。なお、板ばね部３２の作製方法についても同様の手法を採用できる。

図１２（ａ）〜図１２（ｆ）は、板ばね部３１の作製工程を、図８のＡ−Ａ’線矢視断面で見た場合の断面図である。なお、説明の便宜上、図８のＡ−Ａ’線上において基板５１を上下に貫通し、板ばね部３１の周囲の空間に対応する部分を貫通部７１・７２とする。また、基板５１において板ばね部３１の平板部３１ｐに対応する部分を領域７３とする。

まず、図１２（ａ）に示すように、図示しないフォトリソ工程によって、ＳＯＩ基板６１上にマスクとなる熱酸化膜６２・６３を順にパターン形成する。なお、ＳＯＩ基板６１は、シリコンからなる支持層３１ａと、酸化シリコンからなる絶縁酸化膜層３１ｂと、シリコンからなる活性層３１ｃとを積層して構成されているものとする。上記の熱酸化膜６２・６３は、ＳＯＩ基板６１における支持層３１ａ側に形成されている。

続いて、図１２（ｂ）に示すように、ドライエッチングにより、熱酸化膜６２をマスクとして、ＳＯＩ基板６１における貫通部７１・７２に位置する支持層３１ａの除去を開始するとともに、熱酸化膜６３をマスクとして、領域７３に位置する熱酸化膜６２の除去を開始する。そして、領域７３の熱酸化膜６２を完全に除去した後は、図１２（ｃ）に示すように、残った熱酸化膜６２をマスクとして、ドライエッチングにより、貫通部７１・７２に位置する支持層３１ａおよび領域７３に位置する支持層３１ａを同時に除去する。このような支持層３１ａの段階的な除去により、貫通部７１・７２に位置する支持層３１ａを完全に除去したときには、領域７３の支持層３１ａが若干残る。

次に、図１２（ｄ）に示すように、ドライエッチングにより、支持層３１ａをマスクとして、貫通部７１・７２に位置する絶縁酸化膜層３１ｂを除去する。その後、図１２（ｅ）に示すように、ドライエッチングにより、熱酸化膜６２をマスクとして、貫通部７１・７２に位置する活性層３１ｃおよび領域７３に位置する支持層３１ａを同時に除去する。最後に、図１２（ｆ）に示すように、ドライエッチングにより、支持層３１ａをマスクとして、領域７３の絶縁酸化膜層３１ｂを除去する。残った熱酸化膜６２を除去することにより、図８の基板５１における板ばね部３１が完成する。

以上のように、駆動機構２１の２つの板ばね部３１・３２を、ＳＯＩ基板６１を用いて形成することにより、上述したように、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術、すなわち、フォトリソグラフィーおよびエッチング等の半導体製造技術と、陽極接合などの接合技術とを複合した技術を用いて、駆動機構２１を製造することができる。つまり、ＭＥＭＳ製の移動鏡（ＭＥＭＳ移動鏡）を実現することが可能となる。また、ＭＥＭＳ技術を用いることにより、リソグラフィーのマスク精度さえ高精度に確保しておけば、１個の駆動機構２１においては２つの平板部３１ｐ・３２ｐの長さがばらつくのを回避することができる。その結果、駆動機構２１の組立時や平行移動時の可動部（剛体３３および移動鏡１５）の傾きを抑えることができる。また、個体差をなくす、すなわち、複数の駆動機構２１の個体ごとに平板部３１ｐ・３２ｐの長さがばらつくことも回避できるので、複数の駆動機構２１を安定して作製することができる。

（駆動機構の他の構成について）
図１３は、駆動機構２１の他の構成を示す断面図である。同図に示すように、駆動機構２１の板ばね部３１の平板部３１ｐは、絶縁酸化膜層３１ｂと活性層３１ｃとの２層で構成されていてもよく、板ばね部３２の平板部３２ｐは、絶縁酸化膜層３２ｂと活性層３２ｃとの２層で構成されていてもよい。

また、図１４は、駆動機構２１のさらに他の構成を示す断面図である。同図に示すように、駆動機構２１の板ばね部３１・３２は、平板状のシリコン基板８１・８１でそれぞれ構成されていてもよい。なお、板ばね部３１・３２（シリコン基板８１・８１）と、ガラスからなる剛体３３・３４との連結には、陽極接合を用いることができる。この構成では、平板状のシリコン基板８１・８１で剛体３３・３４を挟むという簡単な構成で駆動機構２１を容易に実現することができる。また、ＳＯＩ基板６１を用いる場合に比べて、板ばね部３１・３２の作製工程（Ｓ１の工程）を大幅に簡略化することができる。

また、図１５は、駆動機構２１のさらに他の構成を示す断面図である。同図に示すように、駆動機構２１の板ばね部３１・３２は、平板状のガラス基板９１・９１でそれぞれ構成されていてもよい。この場合、例えば厚さ１００μｍ以下のガラス（例えばアルカリガラス）に対してレーザー加工またはダイシング加工を施すことにより、ガラス基板９１・９１を得ることができる。なお、板ばね部３１・３２（ガラス基板９１・９１）と、ガラスからなる剛体３３・３４との連結には、オプティカルコンタクトまたは拡散接合を用いることができる。

このように、板ばね部３１・３２をガラス基板９１・９１でそれぞれ構成することにより、平板状のガラス基板９１・９１で剛体３３・３４を挟むという簡単な構成で駆動機構２１を容易に実現することができる。また、ＳＯＩ基板６１を用いる場合に比べて、板ばね部３１・３２の作製工程（Ｓ１の工程）を大幅に簡略化することができる。さらに、剛体３３・３４および板ばね部３１・３２の構成材料がともにガラスとなるので、温度変化による駆動機構２１の変形を確実に防止することができ、温度変化に起因して可動部（剛体３３および移動鏡１５）が傾くのを確実に防止することができる。

本発明の干渉光学系は、例えばフーリエ変換分光器に利用可能である。

１分光器
２干渉光学系
１３ＢＳ（ビームスプリッタ）
１４固定鏡
１５移動鏡
２１駆動機構
２２支持部
２３支持ブロック（支持部）
２４支持基板（支持部）
３１板ばね部
３２板ばね部
３３剛体
３４剛体
６１ＳＯＩ基板
８１シリコン基板
９１ガラス基板

Claims

固定鏡と、
移動鏡と、
入射光を分離して前記固定鏡および前記移動鏡に導くとともに、前記固定鏡および前記移動鏡にて反射された各光を合成し、干渉光として出射するビームスプリッタと、
前記移動鏡にて反射される光の光路長が変化するように、前記移動鏡を平行移動させる駆動機構と、
前記固定鏡、前記ビームスプリッタおよび前記駆動機構を一体的に、かつ、直接支持する支持部とを備えており、
前記駆動機構は、一端部に対して他端部を振動させる平行板ばねで構成されており、
前記移動鏡は、前記平行板ばねの前記他端部に設けられており、
前記支持部は、
前記平行板ばねの振動振幅よりも大きい厚さを有し、前記平行板ばねの前記一端部を支持する支持ブロックと、
前記駆動機構を前記支持ブロックを介して支持するとともに、前記固定鏡および前記ビームスプリッタを支持する支持基板とで構成されていることを特徴とする干渉光学系。
前記支持ブロックは、前記支持基板と同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の干渉光学系。
前記支持ブロックは、シリコンまたはガラスで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の干渉光学系。
前記支持基板は、シリコンまたはガラスで構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の干渉光学系。
前記駆動機構は、剛体を介して互いに対向配置される２つの板ばね部を有しており、
前記２つの板ばね部は、ＳＯＩ基板を用いて形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の干渉光学系。
前記駆動機構は、剛体を介して互いに対向配置される２つの板ばね部を有しており、
前記２つの板ばね部は、シリコン基板またはガラス基板で形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の干渉光学系。
請求項１から６のいずれかに記載の干渉光学系と、
演算部とを備え、
前記干渉光学系は、前記干渉光を検出する検出器を有しており、
前記演算部は、前記検出器から出力される信号に基づいてスペクトルを生成することを特徴とする分光器。