JPH0194312A - 可変干渉装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、各種分光分析器、色識別器、時分割カラーフ
ィルター、カラー表示装置、さらには光通信用可変分波
・合波器等の広範囲に渡って使用することのできるファ
プリーペロー型可変干渉装置に関するものである。

〈従来の技術とその問題点〉 光の波長を選択・分離あるいは識別するための分光装置
としては、従来プリズムあるいは回折格子が用いられて
きた。これらは波長を設定する際にその向きを機械的に
回転させなければならないあるいは光路を曲げるための
設定が複雑である等の欠点を有しているため、その用途
はかなり限定されたものとなっていた。

分光装置としては、そのほかに、ファプリーペロー干渉
計が知られている。これによる分光は、干渉計の向きを
動かす必要がなくかつ光路を曲げることがなく、また高
速応答が可能である等の利点を有している。しかしなが
ら、以下に述べる問題点のため、特殊な光学計測の分野
以外において、ファプリーペロー干渉計が用いられるこ
とはなかった。

問題点の１つは、取扱いに関するものである。

従来のファプリーペロー干渉計は、重い定盤の上に２枚
の反射鏡を超精密に位置合わせしたものであるため、重
く、振動に弱く、大きく、持ち運びに適していなかった
。

もう１つの問題点は、選択波長の精度及び安定性に関す
るものである。プリズム及び回折格子においては、選択
波長はその設定角度によって一意的に定まるため、例え
ば高精度のロータリーエンコーグを用いて選択波長の精
度及び安定性を確保することができる。一方、ファプリ
ーペロー干渉計においては、２枚の反射鏡間隔を制御す
ることにより選択波長を設定するが、その反射鏡間隔は
光の波長よりはるかに高精度に設定され、かつまた安定
でなければならない。ところがこの様な超高精度な間隔
の制御は非常に困難である。各構成要素の熱膨張率の差
に起因する間隔の変化及び反射鏡間隔の変位機構の特性
のヒステリシス等によって反射鏡間隔の精度及び安定性
が制限されてしまう。

本発明は、ファプリーペロー型可変干渉装置において、
選択波長の精度を確保し、不安定性を除去することを目
的としている。

〈発明を解決するための手段〉 本発明は、可変干渉装置の選択波長を高精度に設定しま
た安定化するために、ファプリーペロー干渉装置を構成
する第１及び第２の基板の各々に、互いに対向する電極
を形成し、その２つの電極間の静電容量を検出する。こ
れによって、２つの基板間の空隙、すなわち干渉光路長
を静電容量として測定することができる。この静電容量
値が設定値に等しくなる様に干渉光路長をフィードバッ
ク制御することにより、選択波長を精度よく設定し安定
に保つことが可能となる。

〈実施例１〉 以下、本発明を実施例に基いて詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係る可変干渉装置の構
成図である。図中点線に囲まれた領域は、ファプリーペ
ロー干渉部１の断面図であり、これは、ガラス等の透光
性基板ＩＱ、２０に、使用スペクトル範囲内で高反射率
を有するＡ　ｇ　Ｔ　Ｎ　ｉ　＊　Ｃｏ　ｔＴｉ、Ａｕ
、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ等の半透光性反射膜１１゜２１及びＡ
ｇ、ＡＩ等の各種導電材料よりなる電極１５．２５を真
空蒸着法、スパッタ法あるいはＣＶＤ法等の薄膜形成技
術によって形成し、２枚の基板１０．２０を互いの反射
膜が対向する様に固定したものである。その固定手段は
ホルダー３５によってなされるが、側基板の間隔が変え
られる様ホルダー８５と基板２０との間に圧電素子８５
が挿入されている。この圧電素子は、両面に電極８６．
８７を有し、その両電極間に印加される電圧に応じて伸
縮し、基板１０．２０の間隔をその平行性を保ちながら
変化させる。

対向する反射膜＋１，２＋の領域において、ファプリー
ペロー干渉が生じ、その結果この領域における透過スペ
クトル及び反射スペクトルが顕著な波長依存性をもつ様
になる。透過スペクトルの１例を第２図に示す。図中、
分光透過率が極大となる波長を選択波長と呼ぶことにす
る。この選択波長は反射膜１１，２＋の間隔（ｄと称す
）に依存している。

本実施例に於いて特徴的な点は、選択波長を高精度に設
定しまた安定化するために、基板１０゜２０間の空隙間
隔を電極１５．２５間°の静電容量として検出し、その
値に基いて圧電素子８５に印加するドライブ電圧を制御
する点にある。電極１５゜２５ばそれぞれリード線１６
．２６を介して静電容量検出回路６０に接続されている
。ここで検出した静電容量（Ｃと記す。）は反射膜ＩＩ
、２１の間隔ｄＫはぼ反比例しており、従って選択波長
に対応している。静電容量検出信号６５は、制御回路７
０に送られ、ここで波長設定信号６６と比較される。制
御回路７０は実際の選択波長が設定波長と近づく方向に
印加電圧をフィードバック制御する。印加電圧はソード
線７６．７７を介して圧電素子８５に加えられ、圧電素
子は印加電圧に応じて伸縮し、反射膜間隔ｄの大きさを
調整する。

以下、空隙間隔、選択波長及び静電容量の関係を数式を
用いて説明する。

ファプリーペロー干渉計は、その反射膜間隔ｄに応じて
複数の選択波長λｌ、λ２・・・をもつ。この関係は次
式で与えられる。

２π λ□＝　−ｎ　ｄ　　　　　・・・（１）（ｍ−１）π
＋φ ここにｍは共鳴次数（ｍ＝１，２・・・）、ｎは反射膜
間の屈折率、φは反射膜での反射の際に生ずる位相のと
びである。−の波長依存性を無視すると、λ。はｄに比
例するものとみなせる。

一方、電極１２．２２間の静電容量Ｃは次式で与えられ
る。

ε５ Ｃ＝−・・・（２） ここにεは電極間の誘電率、Ｓは対向する電極の重なり
あう面積である。また電極１２．２２及び反射膜１１．
２＋とも薄い場合、電極間隔は反射膜間隔ｄに等しいも
のとみなせる。

式（１）　、　（２）より、Ｃとλ□の関係はとなる。

（３）式はＣがλ□に反比例していることを示している
。また、本実施例においては空隙が空気であって、はぼ
ｎ＝１．ε＝ε０　（真空の誘電率）と定数で表わされ
、Ｓは幾何学的寸法で決定されるので、Ｃは温度等の条
件の変動に対し安定である。

本実施例の可変干渉装置は、特に可視領域である４００
〜７５０ｎｍの範囲に於いて良好な特性が得られる様に
製作された。

上記スペクトル領域に於いて唯一つの選択波長が含まれ
るためには、その選択波長の共鳴次数はｍ＝１でなけれ
ばならない。そのとき、ｍ＝２．８・・・の選択波長λ
□は、紫外領域（４００ｎｍ以下）に存在する。この高
次選択波長の影響を除去するために、紫外線カツトフィ
ルターを併用するか、あるいはこの領域に感度のない受
光素子を用いるものとする。

選択波長近傍で鋭いピーク透過特性を有するためには、
高反射率の半透光性反射膜を用いる必要がある。全可視
領域で高い反射率を有する材料としては、銀、アルミニ
ウム等が知られているが、本実施例においては銀を真空
蒸着法によって５００λ形成した。このとき、反射率は
約９０％、また反射面における位相のとびは約８π／４
ラジアン（＋３５°）となる。

スペクトル範囲４００〜７５０ｎｍの選択波長を得るた
めに走査しなければならないｄの範囲は、ｍ＝１．ｍ＝
　３π／４　、　ｎ　＝　１（空気の屈折率）を式（１
）に代入して計算すると、およそｄ＝＋５０〜２８１ｎ
ｍとなる。

さて、本実施例に於ける作用効果について述べる。

第３図（Ａ）は、静電容量の検出とそれによる制御を行
なわない時の圧電素子印加電圧対選択波長特性図である
。この図では顕著なヒステリシスが認められるが、これ
は主に圧電素子の特性に起因している。そのほかに、電
圧一定に保持した場合、選択波長にドリフトが認められ
る。

第３図（Ｂ）は、同じ圧電素子を用いた可変干渉装置に
おいて、静電容量の検出とそれによる制御を行った場合
の選択波長特性図である。ただし横軸を静電容量とした
。図より、静電容量に応じて選択波長が一意的に定まり
、ヒステリシスが生じないことがわかる。また、波長設
定信号６６（あるいは設定静電容量）を一定としたとき
、選択波長はドリフトを生じることなく精度↓〈定まる
。

第４図は、選択波長の温度依存性を示す特性図である。

静電容量の検出とそれによる制御を行わない場合を曲線
１１行った場合を曲線すで示すが、これにより、本方式
によって温度依存性がほぼ完全に除去されることがわか
る。

以上のことから、本実施例の可変干渉装置が、選択波長
の高精度化並びに安定化に顕著な効果を上げることが認
められた。

〈実施例２〉 次に、本発明の第２の実施例について述べる。

第５図は、本発明の第２の実施例に係る可変干渉装置の
構成図であり、点線内はファプリーペロー干渉部２の断
面図である。

本実施例において、静電容量の検出からアクチュエータ
への電気信号印加までについては、第１の実施例と同じ
であるので説明は省略する。

本実施例が第１の実施例と異る点について述べる。１つ
は本実施例における基板１０．２０の相対位置の固定が
、外部ホルダー３５でなく基板面上に薄膜プロセスによ
って形成されたスペーサ膜３０によってなされているこ
とである。２つめは空隙間隔を変化させる機構として、
伸縮型圧電素子８５でなく外力Ｆを発生するアクチュエ
ータ８０を用いていることである。８つめは空隙間隔の
変化が基板２０の平行移動によってでなく、基板２０の
外力Ｆによるわん曲によってなされていることである。

以上の変更によって、ファプリーペロー干渉部の作製は
極めて容易になり、複数のファプリーペロー干渉部を同
時に形成する、いわゆるバッチプロセスに適したものと
なった。ただし、利用可能な有効面積は、基板２０のわ
ん曲のために実施例１の場合に比べて減少する。

この構成によれば空隙間隔ｄは、外力Ｆの増加に応じて
直線的に減少する。外力Ｆを発生するアクチュエータ８
０としては電磁石を用いてもよく圧電素子の発生力を利
用してもよい。

本実施例ではまた、反射膜としてＴｉＯ２と５ｉ０２の
交互多層膜１２．２２を用いている。この様な誘電体多
層膜は、金属反射膜に比べ高い反射率が得られ光の損失
が少ないが、高い反射率の得られるスペクトル範囲がや
や制限される。誘電体多層膜に用いられる材料としては
、ＺｎＳ、ＭｇＦ２等もある。本実施例においては、誘
電体多層膜が絶縁体であることからこれを基板１０．２
０の全面に形成した後バターニング工程を省略し、その
上に電極１５．２５を形成している。

なお、本実施例において、反射膜と電極とを一体化する
こともできる。第６図は本実施例におけるファプリーペ
ロー干渉部２の変形例であって、１８．２８は反射膜兼
電極であり、銀、アルミニウム、金等の蒸着薄膜より成
る。この構造は、作製プロセスをさらに単純なものとす
る等の利点を有する。

〈実施例３〉 本発明の第３の実施例になる可変干渉装置を第７図に示
す。

第２の実施例と異なる点は、外部のアクチュエータ８０
がなく、代わりにファプリーペロー干渉部３内に電極１
８．２８が形成されている点である。電極１８．２８は
、制御回路７０から、それぞれリード線’１６．７７を
介して電圧が供給され、その結果画電極１８．２８間に
静電引力Ｆが生じ、反射膜Ｉ＋、２＋の間隔が変化する
。

本実施例によれば、反射膜兼電極１３と電極１８゜２３
と２８はそれぞれ１つの工程で同時に作製することか可
能である。また、アクチュエータが外部にないため、装
置が単純化、小型化され、また振動等に強いものとする
ことができるという利点を有している。

なお、本実施例では静電容量モニタ用電極１８゜２３と
静電力印加用電極１８．２８は独立に配設されているが
、これを一体化し、そこに静電容量モニタ用信号と静電
力印加用信号とを重畳することも可能である。その場合
、静電容量モニタ信号として静電力印加用信号に比べて
十分高周波の信号を用い、カップリングコンデンサを用
いて２信号を分離する等の工夫が必要である。

〈発明の効果〉 以上詳説した如く、本発明に係るファプリーペロー型可
変干渉装置は、その選択波長゛を高精度化、安定化する
ため干渉部を構成する２つの基板に電極を配設して両電
極間静電容量を検出し、その値が設定値に達する様に変
位機構をフィードバック動作させている。その結果、選
択波長が極めて効果的に高精度化、安定化されることが
認められた。

ファプリーペロー干渉部は、極めて狭い空隙部を有する
構造となっているため、その空隙部をコンデンサのギャ
ップとしても利用することができる。従って静電容量を
用いた安定化法は、ファプリーペロー干渉との両立性に
おいて極めて優れている。特に反射膜と電極とを一体化
した場合には、ファプリーペロー干渉部の製造工程を全
く増やすことなく静電容量検出とそれによる制御を実現
することができる。

本発明は以上の様な利点を有しているため、今後、各種
分光分析器、色識別器、時分割カラーフィルター、カラ
ー表示装置、さらには光通信用可変分波・合波器等の広
範囲に渡って利用されることが期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す可変干渉装置の構
成図である。 第２図は第１図に示す可変干渉装置の分光透過率を示す
特性図である。 第３図及び第４図は第１の実施例において、本発明によ
る選択波長安定化の効果を示す説明図である。 第５図は本発明の第２の実施例を示す可変干渉装置の構
成図である。 第６図は本発明の第２の実施例の変形例を示すファプリ
ーペロー干渉部の断面図である。 第７図は本発明の第３の実施例を示す可変干渉装置の構
成図である。 １．２．２’、３・・・ファプリーペロー干渉部１０．
２０・・・透光性基板　１１　、２　ト・・反射膜１３
．２３・・・反射膜兼電極　１５．２５・・・電極３０
・・・スベー１膜　　　　ａｓ・・・ホルダー８５・・
・圧電素子　　８６．８７・・・圧電素子電極代理人　
弁理士　杉　山　毅　至（他１名）第１図 成長　（ｎｍ） 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光半透過性反射膜及び電極を形成した２枚の基板が
   互いに前記反射膜を相対して配置されかつ前記基板を支
   持する支持体を有するファプリーペロー干渉部と、印加
   される電気信号に応じて前記反射膜間の間隔を変化させ
   る変位機構と、前記電極間静電容量を検出し、その値が
   設定値に接近する方向に前記変位機構への印加電気信号
   を制御する電気回路とが具設され、前記変位機構の変化
   に伴なって分光透過率もしくは分光反射率が変化するこ
   とを特徴とするファプリーペロー型可変干渉装置。 ２、前記支持体は、前記基板の少なくとも一方の表面上
   に形成されたスペーサ膜であって、前記２つの基板は、
   前記スペーサ膜を介して接合されている特許請求の範囲
   第１項記載の可変干渉装置。 ３、前記変位機構は、前記基板のうち少なくとも一方の
   前記支持体から離れた領域に力が印加されて前記基板が
   わん曲する機構である特許請求の範囲第１項又は第２項
   記載の可変干渉装置。 ４、前記変位機構は、前記基板のそれぞれに配設された
   １対の変位制御用電極間に印加された電気信号に応じて
   発生する静電力によって変位する機構である特許請求の
   範囲第３項記載の可変干渉装置。 ５、前記電極が前記変位制御用電極を兼ねており、前記
   電極間静電容量を検出するための電気信号と前記静電力
   を発生するための電気信号とが該電極に重畳されて印加
   される特許請求の範囲第４項記載の可変干渉装置。 ６、前記反射膜及び前記電極は、前記基板の同一面上に
   形成されている特許請求の範囲第１項記載の可変干渉装
   置。 ７、前記反射膜は導電性膜であって前記電極を兼ねてい
   る特許請求の範囲第１項又は第６項記載の可変干渉装置
   。 ８、前記反射膜は、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ又はＷ等の
   金属膜あるいはこれらと非金属膜との複合膜である特許
   請求の範囲第１項、第６項又は第７項記載の可変干渉装
   置。 ９、前記反射膜は、ＴｉＯ＿２、ＳｉＯ＿２、ＺｎＳ、
   ＭｇＦ＿２等の誘電体膜あるいはこれらの膜をいくつか
   組合わせた誘電体多層膜よりなる特許請求の範囲第１項
   又は第６項記載の可変干渉装置。