JP5085101B2

JP5085101B2 - 可変分光素子

Info

Publication number: JP5085101B2
Application number: JP2006311436A
Authority: JP
Inventors: 伸也松本
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-11-17
Also published as: EP2083307A1; WO2008059892A1; US20100027010A1; EP2083307A4; JP2008129149A; US7961335B2

Description

本発明は、可変分光素子に関するものである。

従来、２枚の平板状の光学基板の面間隔を変更して透過する光の波長を変化させるファブリペロー型の可変分光素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この可変分光素子は、各光学基板の対向面に反射膜および容量センサ電極を備え、該容量センサ電極間の静電容量値により光学基板間の間隔寸法を検出し、アクチュエータの駆動電圧を制御することで、面間隔を微調節することができる。

特開２００２−２７７７５８号公報

このようなファブリペロー型の可変分光素子は、光の干渉作用により、式（１）で示すように１対の反射膜の面間隔ｄと共振する波長λにおいて周期的に透過スペクトルピークを選択的に得られる。
２ｎｄｃｏｓθ＝ｍλ … （１）
但し、ｎ：１対の反射膜の面間隔ｄの媒質の屈折率
ｄ：１対の反射膜の面間隔
λ：波長
θ：反射膜への入射角度
ｍ：次数（整数）
また、このときのフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）は式（２）で表される。
ＦＳＲ＝λ^２／２ｎｄ … （２）

このため、このようなファブリペロー型の可変分光素子を可視領域で用いる場合には、フリースペクトルレンジを確保するため、反射膜どうしの間隔が数μｍ以下の範囲で調節されることが望ましいが、組立上の問題や作動中の寸法変化等により、光学基板どうしの高い平行度が達成できない場合には、相対的に傾斜した光学基板の反射膜以外の部分が接触して、光学基板の反射膜どうしの間隔を十分に小さくすることができないという不都合がある。
また、高い平行度が達成できた場合においても、光学基板の反射膜以外の部分に塵埃が付着したり傷による隆起が形成されたりした場合には、やはりそれらが障害となって中央近傍の反射膜どうしの間隔を十分に小さくすることができないと言う問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、反射膜どうしを十分に近接させて所望の分光特性を得ることができる可変分光素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、間隔をあけて対向する一対の光学基板と、該光学基板の対向面にそれぞれ配置され、互いに対向する２つの反射膜と、該反射膜と同じ面にそれぞれ配置され、当該光学基板の間隔を検出する間隔センサを構成する互いに対向する２つのセンサ電極と、前記光学基板を相対的に移動させ、当該光学基板間の間隔を変化させるアクチュエータとを有し、前記光学基板の対向面に前記反射膜を底上げするコーティングが形成され、該コーティングにより前記２つのセンサ電極の対向する表面の間の距離（ｄ１）が前記２つの反射膜の対向する表面間の距離（ｄ２）より大きい可変分光素子を提供する。

上記発明においては、前記間隔センサが、前記２つのセンサ電極間に形成される静電容量を利用して前記光学基板間の間隔を検出する容量センサであることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記センサ電極が、前記反射膜に対し相対的に外側に配置されていることとしてもよい。

また、上記発明においては、前記反射膜の前記間隔側の表面が、前記センサ電極の前記間隔側の表面より、当該反射膜およびセンサ電極が設けられた前記光学基板の表面に対して遠い位置に配置されていることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記アクチュエータは、反射膜の表面どうしの間隔寸法が２μｍ以下となる範囲で前記光学基板間の間隔を変化させることとしてもよい。
特に、バイオ・医薬品等の研究分野で使用されている蛍光剤の分光装置として用いる場合には、可視領域でフリースペクトルレンジを数１０ｎｍ前後に確保するために、反射膜の表面どうしの間隔寸法が２μｍ以下となる範囲で前記光学基板間の間隔を変化させることが好ましい。

また、本発明の参考例としての発明においては、前記センサ電極が、その間隔側の表面にさらに保護膜を備え、前記反射膜の表面が、前記保護膜の表面より、当該反射膜が設けられた前記光学基板の表面に対して遠い位置に配置されていることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記アクチュエータが、周方向に間隔をあけて複数設けられ、各アクチュエータが独立して駆動制御されることとしてもよい。

本発明によれば、反射膜どうしを十分に近接させて所望の分光特性を得ることができるという効果を奏する。

以下、本発明の参考例としての一参考実施形態に係る可変分光素子１について、図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態に係る可変分光素子１は、図１に示されるように、間隔をあけて配置される２枚の光学基板２，３と、これら光学基板２，３間に配置され２枚の光学基板２，３の間隔寸法を調節するよう駆動されるピエゾ素子のようなアクチュエータ４とを備えている。

各光学基板２，３の対向面は、それぞれ高い平面度で平坦に形成されるとともに、その中央近傍の光学有効径Ａ（図２参照。）を含む範囲にわたって円形の誘電体多層膜からなる反射膜５を備えている。また、各光学基板２，３の反射膜の半径方向外方には、周方向に間隔をあけて複数（例えば、４対）の容量センサ電極６が設けられている。各光学基板２，３に設けられた容量センサ電極６は、相互に対向する位置に設けられた金属膜により構成されている。これにより、両容量センサ電極６間に形成される平行平板コンデンサの静電容量を利用して、光学基板２，３間の間隔寸法を検出することができるようになっている。図中、符号７，８は、これら光学基板２，３およびアクチュエータを支持する支持部材である。

アクチュエータ４は、図２に示されるように、例えば、前記容量センサ電極６に対応して、周方向に間隔をあけて４カ所に設けられている。各アクチュエータ４は、加える電圧を変化させることにより独立して伸縮させられて、光学基板２，３の間隔寸法および傾斜角度を変化させるようになっている。この際に、容量センサ電極６により検出した信号に基づいて、アクチュエータ４に加える電圧のフィードバック制御を行うことで、光学基板２，３の間隔寸法および傾斜角度を精度よく調節することができるようになっている。

本実施形態に係る可変分光素子１においては、図３に示されるように、各光学基板２，３に設けられた反射膜５の厚さ寸法が、その半径方向外方に設けられた容量センサ電極６の厚さ寸法より大きくなるように構成されている。例えば、反射膜５は約１μｍ、容量センサ電極６は約４００ｎｍの厚さ寸法を有している。これにより、反射膜５の表面は、容量センサ電極６の表面よりも一段高い位置に配置され、両者間に段差Ｓが形成されている。すなわち、反射膜５の表面は、その反射膜５が設けられた側の光学基板の表面に対して容量センサ電極６の表面より遠い位置に配置され、対向する容量センサ電極６の表面間の距離ｄ１は反射膜５の表面間の距離ｄ２より大きく設定されている。

このように構成された本実施形態に係る可変分光素子１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る可変分光素子１は、反射膜５および容量センサ電極６を対向させて、２枚の光学基板２，３が隙間をあけて対向配置されるように組み立てられる。この場合に、高い分光効率を得るためには、反射膜５どうしを高い平行度を有するように配置する必要があるが、アクチュエータ４や光学基板２，３の寸法公差等により、最初から完全に平行に組み立てるのは困難である。したがって、一般に光学基板２，３は相対的に微少に傾斜した状態で組み立てられる。

本実施形態に係る可変分光素子１によれば、各光学基板２，３において、反射膜５の表面が容量センサ電極６の表面よりも一段高い位置に配置されているので、光学基板２，３の外周縁あるいは外周側に配置されている容量センサ電極６どうしの間隔寸法を反射膜５どうしの間隔寸法よりも大きく設定することができる。その結果、図４（ａ）に示されるように、光学基板２，３どうしが相対的に傾斜しても、光学基板２，３の外周縁あるいは容量センサ電極６どうしの干渉を回避することができ、干渉によって反射膜５どうしが近接できなくなってしまうという不都合の発生を防止できる。

これに対して、反射膜５と容量センサ電極６′の厚さ寸法が同一の場合、図４（ｂ）の比較例に示されるように、反射板５どうしの間隔が大きく開いている状態で、容量センサ電極６′どうしが干渉してしまい、それ以上の近接が阻害されてしまう。

したがって、本実施形態に係る可変分光素子１によれば、反射膜５どうしが相対的に微少に（例えば、傾斜角度約１分程度で）傾斜していても反射膜５どうしが十分に近接する位置までアクチュエータ４を駆動することができる。その結果、反射膜５の間隔寸法が、所望の波長の光のちょうど１波長分（例えば、１μｍ前後）になるように光学基板２，３どうしを近接させることができ、その波長の光のみを選択的に透過させることができる。

また、本実施形態に係る可変分光素子１によれば、周方向に間隔をあけて配置された複数のアクチュエータ４がそれぞれ独立して駆動される。したがって、組立時に光学基板２，３どうしが相対的に微少に傾斜していても、組立後にアクチュエータ４を作動させることにより、光学基板２，３どうしの傾斜を補正して、高い平行度を達成することができ、これにより、分光効率の向上を図ることができる。すなわち、組立時に高い平行度で光学基板２，３を組み付ける必要がなく、組立作業を容易にすることができる。

この場合において、光学基板２，３どうしが微少に傾斜した状態でも、反射膜５どうしを近接させて組み立てることができ、組立後に反射膜５どうしを平行にする動作におけるアクチュエータ４の動作範囲を節約することができる。その結果、可変分光素子１を小型に構成することができる。

また、光学基板２，３どうしが微少に傾斜した状態で、反射膜５どうしを近接させて組み立てても、容量センサ電極６どうしを干渉させずに済むので、容量センサ電極６の損傷を防止できる。
また、本実施形態に係る可変分光素子１によれば、反射膜５どうしが平行に配された状態で、容量センサ電極６間の間隔寸法を比較的大きく確保することができる。その結果、容量センサ電極６に塵埃が付着したり、容量センサ電極６に傷による隆起が形成されたりしても、それによって反射膜５どうしの近接が妨げられるのを防止することができる。

なお、本実施形態に係る可変分光素子１においては、反射膜５を構成する誘電体多層膜および容量センサ電極６を構成する金属膜の厚さ寸法を調節することにより、反射膜５の表面を容量センサ電極６の表面より一段高い位置に配置することとしたが、これに代えて、以下の方法を採用してもよい。
例えば、図５に示されるように、光学基板２，３の対向面に段差１０を設け、ほぼ等しい厚さ寸法の反射膜５および容量センサ電極６をそれぞれ高さの異なる光学基板２，３の表面に形成することにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る可変分光素子としては、光学基板２，３の対向面の中央部に、図６に示されるように、反射膜５を底上げするためのＳｉＯ_２等からなるコーティング１１が形成されている。
さらに、容量センサ電極６の干渉による損傷をより確実に防止するために、図７に示されるように、容量センサ電極６の表面に、例えば、ＳｉＯ_２等からなる保護膜１２を設けてもよい。この場合には、保護膜１２の表面が反射膜５の表面より低い位置に配されるように構成しておくことで、上記と同様の効果を奏することができる。
なお、以上記述した実施の形態においては、光学基板２，３の間隔を検出するためのセンサとして、両光学基板上に形成された容量センサ電極間の静電容量を利用していたが、本発明に係る分光素子はこれに限定されるものではない。たとえば、光学基板２，３の表面上に形成されたそれぞれの電極間における磁気的な相互誘導を利用する、渦電流型のセンサなどを採用することも可能である。

本発明の参考例としての一参考実施形態に係る可変分光素子を示す縦断面図である。図１の可変分光素子に設けられた光学基板の平面図である。図１の可変分光素子に設けられた光学基板を示す縦断面図である。図３の光学基板が相対的に傾斜した状態を示す縦断面図であり、（ａ）本実施形態、（ｂ）比較例をそれぞれ示している。図１の可変分光素子の第１の変形例における光学基板を示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る可変分光素子の光学基板を示す縦断面図である。図１の可変分光素子の第２の変形例における光学基板を示す縦断面図である。

符号の説明

１可変分光素子
２，３光学基板
４アクチュエータ
５反射膜
６容量センサ電極
１２保護膜

Claims

間隔をあけて対向する一対の光学基板と、
該光学基板の対向面にそれぞれ配置され、互いに対向する２つの反射膜と、
該反射膜と同じ面にそれぞれ配置され、当該光学基板の間隔を検出する間隔センサを構成する互いに対向する２つのセンサ電極と、
前記光学基板を相対的に移動させ、当該光学基板間の間隔を変化させるアクチュエータとを有し、
前記光学基板の対向面に前記反射膜を底上げするコーティングが形成され、該コーティングにより前記２つのセンサ電極の対向する表面の間の距離（ｄ１）が前記２つの反射膜の対向する表面間の距離（ｄ２）より大きい可変分光素子。
前記間隔センサが、前記２つのセンサ電極間に形成される静電容量を利用して前記光学基板間の間隔を検出する容量センサである請求項１に記載の可変分光素子。
前記センサ電極が、前記反射膜に対し相対的に外側に配置されている請求項１に記載の可変分光素子。
前記反射膜の前記間隔側の表面が、前記センサ電極の前記間隔側の表面より、当該反射膜およびセンサ電極が設けられた前記光学基板の表面に対して遠い位置に配置されている請求項１に記載の可変分光素子。
前記アクチュエータは、反射膜の表面どうしの間隔寸法が２μｍ以下となる範囲で前記光学基板間の間隔を変化させる請求項１に記載の可変分光素子。
前記アクチュエータが、周方向に間隔をあけて複数設けられ、
各アクチュエータが独立して駆動制御される請求項１に記載の可変分光素子。