JP5845592B2 - 波長可変干渉フィルター、光モジュール、及び光分析装置 - Google Patents
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Description
この特許文献1の波長可変干渉フィルターでは、入射光を一対のミラー間で多重干渉させ、多重干渉により互いに強め合った特定波長の光を透過させる。この際、前記ミラー間のギャップの寸法を変更することで、透過させる光の波長を変化させていた。
に設定され、前記参照波長から前記設定波長の間の波長域の各波長に対する、前記第1反射膜および前記第2反射膜の反射率は、前記金属膜のみで反射膜を構成して前記参照波長の反射率を目標反射率にした場合の、前記参照波長から前記設定波長の間の波長域の各波長に対する反射率よりも低く、前記ギャップ寸法設定手段により設定される前記ギャップの寸法に応じた波長の光を透過させ、前記透過波長範囲の下限値は、380nm又は400nmであり、前記参照波長は、550nmから570nmの範囲にあることを特徴とする。
本発明の波長可変干渉フィルターでは、前記参照波長は、前記透過波長範囲のほぼ中間の波長であることが好ましい。
本発明の波長可変干渉フィルターでは、前記透過波長範囲は可視光領域であることが好ましい。
また、参照波長とは、前記透過波長範囲内で設定される膜厚設定時の参照用の波長であり、たとえば、前記透過波長範囲の中央値などが設定される。
さらに、設定波長とは、透過波長範囲における短波長域に設定される波長であり、たとえば、短波長域の下限値などが設定される。
波長可変干渉フィルターでは、可視光領域(たとえば400〜700nm)において、短波長側(たとえば400〜450nm)の反射率が低く、長波長側(たとえば650〜700nm)の反射率が高い傾向にある。このため、一般的な波長可変干渉フィルターは、下地に干渉膜を用いることで金属膜単膜の場合に比べて短波長域の反射率を高くして、可視光領域における反射率の変化が小さくなるように設定していた。
これに対し、本発明は、従来とは逆に、金属膜単膜の場合に比べて短波長域の反射率を低くし、短波長域での透過光量を増やしている。これにより、短波長域に比べて長波長域の成分が多いタングステン光源などの一般的な光源と、長波長域の感度が高い受光器とを、本発明の波長可変干渉フィルターと組み合わせて光分析装置を構成した場合、短波長側および長波長側の出力の差を10倍未満と従来に比べて小さくできる。従って、本発明の波長可変フィルターを用いて光分析装置を構成すれば、短波長側の出力の増幅比を小さくできてS/N比を高くでき、高精度の測定を行うことができる。
〔1.測色装置の概略構成〕
図1は、本実施形態の測色装置1(光分析装置)の概略構成を示すブロック図である。
測色装置1は、図1に示すように、検査対象Aに光を射出する光源装置2と、測色センサー3(光モジュール)と、測色装置1の全体動作を制御する制御装置4とを備える。
そして、この測色装置1は、光源装置2から射出される光を検査対象Aにて反射させ、反射された検査対象光を測色センサー3にて受光し、測色センサー3から出力される検出信号に基づいて、検査対象光の色度、すなわち検査対象Aの色を分析して測定する装置である。
光源装置2は、光源21、複数のレンズ22(図1には1つのみ記載)を備え、検査対象Aに対して白色光を射出する。光源21は、たとえばタングステンランプである。
また、複数のレンズ22には、コリメーターレンズが含まれてもよく、この場合、光源装置2は、光源21から射出された白色光をコリメーターレンズにより平行光とし、図示しない投射レンズから検査対象Aに向かって射出する。なお、本実施形態では、光源装置2を備える測色装置1を例示するが、例えば検査対象Aが液晶パネルなどの発光部材である場合、光源装置2が設けられない構成としてもよい。
測色センサー3は、図1に示すように、エタロン5(波長可変干渉フィルター)と、エタロン5を透過する光を受光する受光素子31(受光部)と、エタロン5で透過させる光の波長を可変する電圧制御部6とを備える。また、測色センサー3は、エタロン5に対向する位置に、検査対象Aで反射された反射光(検査対象光)を、内部に導光する図示しない入射光学レンズや凹面鏡を備えている。そして、この測色センサー3は、エタロン5により、入射光学レンズから入射した検査対象光のうち、測定波長である所定波長の光を分光し、分光した光を受光素子31にて受光する。
受光素子(ディテクター)31は、複数の光電交換素子(たとえばシリコンフォトダイオード)により構成されており、受光量に応じた電気信号を生成する。そして、受光素子31は、制御装置4に接続されており、生成した電気信号を受光信号として制御装置4に出力する。
図2は、本実施形態におけるエタロン5の概略構成を示す断面図である。
エタロン5は、例えば、平面視略正方形状の板状の光学部材であり、一辺が例えば10mmに形成されている。このエタロン5は、図2に示すように、第1基板51と、第2基板52とを備える。そして、これらの基板51,52は、例えば、プラズマ重合膜を用いたシロキサン接合などにより接合層53を介して互いに接合されて一体的に構成される。
ここで、第1基板51及び第2基板52は、後述する透明膜であるTiO2膜57の屈折率nよりも低い屈折率を有する材料で形成される。具体的には、ソーダガラス、結晶性ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、カリウムガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラスなどの各種ガラスなどが例示できる。
さらに、第1基板51と第2基板52との間には、固定ミラー54及び可動ミラー55の間のギャップGの寸法を調整するための静電アクチュエーター56が設けられている。
そして、電圧制御部6から出力される電圧により、第1電極561及び第2電極562の間に静電引力が働き、ギャップGの寸法が調整され、ギャップGに応じて、エタロン5を透過する光の透過波長が決定される。すなわち、静電アクチュエーター56によりギャップGを適宜調整することで、エタロン5を透過する光が決定されて、エタロン5を透過した光が受光素子31で受光される。
次に、固定ミラー54及び可動ミラー55について説明し、エタロン5の詳細な構成については、後述する。
固定ミラー54及び可動ミラー55は、各基板51,52の基板側から順に、一層の二酸化チタン(TiO2)膜57(透明膜)、及び一層の銀(Ag)合金膜58(金属膜)が積層される2層構造にそれぞれ形成される。
本実施形態のAg合金膜58は、銀(Ag)、サマリウム(Sm)、及び銅(Cu)を含有するAg-Sm-Cu合金膜である。また、図示を省略したが、Ag合金膜58の上には、保護膜として、ケイ素(Si)の酸化膜が覆われている。なお、本実施形態では、保護膜として、ケイ素(Si)の酸化膜を用いたが、アルミニウム(Al)の酸化膜や、マグネシウム(Mg)のフッ化膜などを用いることができる。
単板とは、各基板51,52と同様に、ガラス基板上に、TiO2膜57、Ag合金膜58を積層したものである。なお、この単板のガラス基板の厚さは2mmに設定した。
また、反射率91%は、エタロン5で設定する半値幅に基づいて決めている。すなわち、単板の反射率とエタロン5になったときの半値幅には相関があり、本実施形態では半値幅が約20nmとなるように前記反射率を91%に設定している。従って、反射率の設定値も、本実施形態の91%に限らず、90%や92%等、エタロン5における半値幅の設定に基づいて決定すればよい。
一方、TiO2膜57が積層される場合には、TiO2膜57の膜厚寸法TによってAg合金膜58の膜厚寸法Sも変化する。
たとえば、TiO2膜57の膜厚寸法Tが0.2Qの場合には、Ag合金膜58の膜厚寸法Sは44nmに設定される。同様に、TiO2膜57の膜厚寸法Tが、0.4Q、0.6Q、0.8Q、1.0Q、1.2Q、1.4Q、1.6Q、1.8Q、2.0Q、2.2Q、2.4Q、2.6Q、2.8Q、3.0Q、3.2Q、3.4Qの場合、Ag合金膜58の膜厚寸法Sは、それぞれ、44、48、49、47、44、40、38、37、38、40、43、47、49、48、45、41、38nmに設定される。
これらはいずれも、560nmの参照波長λ0の光が単板に入射した際に、反射率がほぼ91%になるように設定したものである。
図4に示すように、400nmの反射率は、TiO2膜57の膜厚寸法に応じて周期的に変化する。
図4において、左端のAg合金膜58のみに比べて反射率が低くなる部分は、0.2Q部分、1.6Q部分、3.0Q部分である。
本実施形態では、大きく3つの膜厚範囲に設定することができる。第1範囲は、0.2Qを含む範囲である。ただし、膜厚があまりにも小さいと膜厚のコントロールが難しため、本実施形態では第1範囲で最も反射率が低くなる0.2Q=約11nmを下限とし、11〜19nmの範囲を第1範囲とした。
また、第2範囲は、1.6Qを含む範囲であり、具体的には73〜104nmの範囲である。
さらに、第3範囲は、3.0Qを含む範囲であり、具体的には162〜177nmの範囲である。
特に、Ag合金膜58の膜厚寸法Sが30nm未満であると、膜厚寸法Sが小さすぎてAg合金膜58の反射率が低く、さらに、プロセス加工や経時変化による反射率低下も大きくなる。また、Ag合金膜58をスパッタリング法で成膜する場合、Ag合金膜58のスパッタリング速度が速いため、膜厚のコントロールが難しくなり、製造安定性の低下を招くおそれもある。
一方、Ag合金膜58の膜厚寸法Sが60nmを超えると、光透過率が低下し、エタロン5の固定ミラー54及び可動ミラー55としての機能も低下する。
このような観点から、固定ミラー54、及び可動ミラー55を形成するAg合金膜58の膜厚寸法Sは、30nm以上、60nm以下に設定することが好ましい。本実施形態の前記第1〜3範囲はこの範囲内に含まれているため、問題ない。
すなわち、Ag合金膜58としては、銀(Ag)、及び炭素(C)を含有するAg-C合金膜、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、及び銅(Cu)を含有するAg-Pd-Cu合金膜、銀(Ag)、ビスマス(Bi)、及びネオジム(Nd)を含有するAg-Bi-Nd合金膜、銀(Ag)、ガリウム(Ga)、及び銅(Cu)を含有するAg-Ga-Cu合金膜、銀(Ag)、及び金(Au)を含有するAg-Au合金膜、銀(Ag)、インジウム(In)、及びスズ(Sn)を含有するAg-In-Sn合金膜、銀(Ag)、及び銅(Cu)を含有するAg-Cu合金膜等を用いてもよい。
第1基板51は、厚みが例えば500μmのガラス基材をエッチングにより加工することで形成される。この第1基板51には、図2に示すように、電極形成溝511及びミラー固定部512がエッチングにより形成される。
電極形成溝511は、ミラー固定部512の外周縁から、電極形成溝511の内周壁面までの間に、リング状の電極固定面511Aが形成される。この電極固定面511Aには、上述した第1電極561がリング状に形成される。
ミラー固定部512は、上述したように、電極形成溝511と同軸で、かつ電極形成溝511よりも小さい径寸法となる円柱状に形成される。そして、ミラー固定部512の第2基板52に対向するミラー固定面512Aが、電極固定面511Aよりも第2基板52に近接して形成される。このミラー固定面512Aには、上述した固定ミラー54が形成される。
第2基板52は、例えば厚み寸法が200μmのガラス基材をエッチングにより加工することで形成される。
具体的には、第2基板52には、基板厚み方向に見る平面視(以下、エタロン平面視)で、基板中心点を中心とした円形の可動部521と、可動部521と同軸であり、エタロン平面視で円環状に形成されて可動部521を第2基板52の厚み方向に移動可能に保持する連結保持部522とを備える。
可動部521は、連結保持部522よりも厚み寸法が大きく形成され、例えば、本実施形態では、第2基板52の厚み寸法と同一寸法である200μmに形成されている。また、可動部521の第1基板51に対向する側の可動面521Aには、上述した可動ミラー55が形成される。
連結保持部522は、可動部521の周囲を囲うダイヤフラムであり、例えば厚み寸法が50μmに形成されている。この連結保持部522の第1基板51に対向する面には、上述した第2電極562がリング状に形成される。
電圧制御部6は、制御装置4からの入力される制御信号に基づいて、静電アクチュエーター56の第1電極561及び第2電極562に印加する電圧を制御する。
制御装置4は、測色装置1の全体動作を制御する。この制御装置4としては、例えば汎用パーソナルコンピューターや、携帯情報端末、その他、測色専用コンピューターなどを用いることができる。
そして、制御装置4は、図1に示すように、光源制御部41、測色センサー制御部42、及び測色処理部43(分析処理部)などを備えて構成されている。
測色センサー制御部42は、測色センサー3に接続されている。そして、測色センサー制御部42は、例えば利用者の設定入力に基づいて、測色センサー3にて受光させる光の波長を設定し、この波長の光の受光量を検出させる制御信号を測色センサー3に出力する。これにより、測色センサー3の電圧制御部6は、制御信号に基づいて、利用者が所望する光の波長を透過させるよう、静電アクチュエーター56への印加電圧を設定する。
測色処理部43は、測色センサー制御部42を制御して、エタロン5のミラー間ギャップを変動させて、エタロン5を透過する光の波長を変化させる。また、測色処理部43は、受光素子31から入力される受光信号に基づいて、エタロン5を透過した光の光量を取得する。そして、測色処理部43は、上記により得られた各波長の光の受光量に基づいて、検査対象Aにより反射された光の色度を算出する。
本実施形態によれば、各ミラー54,55の透明膜であるTiO2膜57の膜厚および金属膜であるAg合金膜58の膜厚を、設定波長400nmにおける反射率が金属膜単膜よりも低くなる膜厚に設定している。よって、エタロン5において、短波長域での透過光量を増やすことができる。これにより、短波長域に比べて長波長域の成分が多いタングステン光源などの一般的な光源21と、長波長域の感度が高い受光素子31とを、エタロン5と組み合わせて測色装置1を構成した場合、短波長側および長波長側の出力の差を10倍未満と従来に比べて小さくできる。従って、測色装置1において、受光素子31の短波長側の出力の増幅比を小さくできてS/N比を高くでき、高精度の測定を行うことができる。
さらに、Ag合金膜58の膜厚寸法Sが30nm以上60nm以下であるので、Ag合金膜58に入射する光の透過率が低下することなく、十分な透過性を維持できる。
さらに、TiO2膜57は参照波長λ0における反射率が約91%となるように設定しているので、所定の波長可変域において所望の半値幅(たとえば20nm)でほぼ一定にすることができる。これにより、長波長域における透過率の低下を抑制でき、エタロン5の分解能を向上できる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、ギャップ寸法設定手段として、静電アクチュエーター56により、ミラー間ギャップGを調整可能な構成を例示したが、例えば、電磁コイルと永久磁石とを有する電磁アクチュエーターや、電圧印加により伸縮可能な圧電素子を設ける構成としてもよい。
前記実施形態において、各基板51,52は、接合層53により接合されるとしたが、これに限られない。例えば、接合層53が形成されず、各基板51,52の接合面を活性化し、活性化された接合面を重ね合わせて加圧することにより接合する、いわゆる常温活性化接合により接合させる構成などとしてもよく、いかなる接合方法を用いてもよい。
前記実施形態では、第2基板52の厚み寸法を例えば200μmとしたが、第1基板51と同じ500μmとしてもよい。この場合には、可動部521の厚み寸法も500μmとなって厚くなるため、可動ミラー55の撓みを抑制でき、各ミラー54,55をより平行に維持できる。
また、各波長の光の強度を経時的に変化させることで、各波長の光でデータを伝送させることも可能であり、この場合、光モジュールに設けられたエタロン5により特定波長の光を分光し、受光部で受光させることで、特定波長の光により伝送されるデータを抽出することができ、このようなデータ抽出用光モジュールを備えた光分析装置により、各波長の光のデータを処理することで、光通信を実施することもできる。
実施例1は、固定ミラー54、可動ミラー55のTiO2膜57の膜厚を0.2Qとした例である。具体的には、TiO2膜57の膜厚寸法Tを11nm、Ag合金膜(AgSmCu合金膜)58の膜厚寸法Sを44nmに設定してエタロンを製造した。
実施例2は、固定ミラー54、可動ミラー55のTiO2膜57の膜厚を1.6Qとした例である。具体的には、TiO2膜57の膜厚寸法Tを90nm、Ag合金膜(AgSmCu合金膜)58の膜厚寸法Sを37nmに設定してエタロンを製造した。
比較例1は、Ag合金膜58の単膜を形成した例である。すなわち、ガラス基板の上に、Ag−Sm−Cu合金膜の単膜を形成し、その膜厚寸法Sを41nmとしてエタロンを製造した。
比較例2は、従来の反射膜の構成である。すなわち、基板側からTiO2膜及び二酸化ケイ素(SiO2)膜の積層体、及び前記積層体の上にAg−Sm−Cu合金膜を順に形成した例である。この際、TiO2膜の膜厚寸法を23nmとし、SiO2膜の膜厚寸法を37nmとし、Ag−Sm−Cu合金膜の膜厚寸法を41nmとしてエタロンを製造した。
実施例1、2、比較例1、2の各膜構成における光量を図7、400nmの光量を基準とした光量比を図8に示す。
図8に示すように、比較例2では、400nmの光量に比べて700nmの光量比は約21倍と大きく異なる。これに対し、比較例1では約6.9倍、実施例2も約6.9倍に抑えることができ、さらに実施例1では約4.5倍と抑えることができる。
また、実施例1のように、0.2Qの膜厚を用いれば、比較例1に比べても変化割合を小さくでき、ノイズを抑えてより高精度の測定結果を得ることができる。
ただし、実施例2は、400nmにおける光量が図7に示すように多めに確保されている。従って、600nm以上の波長領域では光量調整フィルターを使い、全体の光量差を小さくすることもできる。このようにすれば、可視光領域における光量比の差を、比較例1に比べてもより小さくでき、ノイズを抑えてより高精度の測定結果を得ることができる。
Claims (9)
- 第1基板と、
前記第1基板と互いに対向する第2基板と、
前記第1基板の前記第2基板に対向する面に設けられた第1反射膜と、
前記第2基板に設けられ、前記第1反射膜とギャップを介して対向する第2反射膜と、
前記ギャップの寸法を変化させて、前記ギャップの寸法を設定するギャップ寸法設定手段と、を備え、
前記第1反射膜および前記第2反射膜は、一層の透明膜と、一層の金属膜とが積層されてそれぞれ形成され、
前記透明膜の膜厚および前記金属膜の膜厚は、
透過波長範囲の内であらかじめ設定された参照波長における、前記第1反射膜および前記第2反射膜の反射率が、あらかじめ設定された目標反射率となるとともに、
前記透過波長範囲の下限値に設定される設定波長の反射率が、前記金属膜のみで反射膜を構成して前記参照波長の反射率を目標反射率にした場合の、当該反射膜の前記設定波長における反射率よりも低くなるように設定され、
前記参照波長から前記設定波長の間の波長域の各波長に対する、前記第1反射膜および前記第2反射膜の反射率は、前記金属膜のみで反射膜を構成して前記参照波長の反射率を目標反射率にした場合の、前記参照波長から前記設定波長の間の波長域の各波長に対する反射率よりも低く、
前記ギャップ寸法設定手段により設定される前記ギャップの寸法に応じた波長の光を透過させ、
前記透過波長範囲の下限値は、380nm又は400nmであり、
前記参照波長は、550nmから570nmの範囲にある
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項1に記載の波長可変フィルターにおいて、
前記参照波長は、前記透過波長範囲のほぼ中間の波長であることを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項1又は請求項2に記載の波長干渉フィルターにおいて、
前記透過波長範囲は可視光領域であることを特徴とする波長可変フィルター。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記第1反射膜は、前記第1基板側から順に一層の前記透明膜と、一層の前記金属膜とが積層されて形成され、
前記第2反射膜は、前記第2基板側から順に一層の前記透明膜と、一層の前記金属膜とが積層されて形成された
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記金属膜は、銀(Ag)を主成分とするAg合金膜である
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記透明膜は、二酸化チタン(TiO2)膜である
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項1から請求項6のいずれかに記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記第1基板および前記第2基板はガラス基板であり、
前記透明膜の屈折率は、前記第1基板および前記第2基板の屈折率よりも高い
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項1から請求項7のいずれかに記載の波長可変干渉フィルターと、
前記波長可変干渉フィルターを透過した検査対象光を受光する受光部とを備える
ことを特徴とする光モジュール。 - 請求項8に記載の光モジュールと、
前記光モジュールの前記受光部により受光された光に基づいて、前記検査対象光の光特性を分析する分析処理部とを備える
ことを特徴とする光分析装置。
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