JP7517139B2 - 波長可変光学フィルター - Google Patents
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Description
本発明は、波長可変光学フィルターに関する。
例えば、特許文献１には、対向配置された一対の基板と、一対の基板において互いに対向する面に配置された一対の反射膜と、一対の基板を接合する接合膜と、を備えた波長可変フィルターが開示されている。波長可変フィルターは、一対の反射膜間のギャップに応じた波長の光を選択的に取り出すことができる。
しかしながら、接合膜が波長可変フィルターとして機能した場合、接合膜から所定の波長の光が迷光となって一対の反射膜間に入射する恐れがあり、波長可変フィルターの信頼性が低下するという課題がある。
波長可変光学フィルターは、第１フィルター領域と第１接合領域とを有する第１基板と、第２フィルター領域と第２接合領域とを有する第２基板と、前記第１基板の前記第１接合領域と、前記第２基板の前記第２接合領域と、の間に位置する接合膜と、を備え、前記第１フィルター領域と前記第２フィルター領域とは、波長可変フィルターに対応し、前記第１基板は、第１基体と、少なくとも１つの第１反射膜と、を有し、前記少なくとも１つの第１反射膜は、前記第１フィルター領域内と前記第１接合領域内とで前記第１基体上に位置し、前記第２基板は、第２基体と、少なくとも１つの第２反射膜と、を有し、前記少なくとも１つの第２反射膜は、前記第２フィルター領域内と前記第２接合領域内とで前記第２基体上に位置し、前記接合膜は、前記第１反射膜と前記第２反射膜とに接することで、前記第１基板と前記第２基板とを接合し、前記接合膜は、所定の波長域の光に対し透過性を有し、前記第１反射膜と、前記接合膜と、前記第２反射膜と、を貫く光路は、所定波長域の光に対し透過性を有し、前記波長可変フィルターを用いて計測する波長の範囲に対して透過率のピークを有さない。
第１実施形態の説明をする。
まず、図１及び図２を参照しながら、波長可変光学フィルター１１を有する光学モジュール１の構造を説明する。図１は、光学モジュール１の第１蓋体３側から見た斜視図である。図２は、光学モジュール１の第２蓋体８側から見た斜視図である。
図１に示すように、光学モジュール１は、略直方体の形状となっている。なお、図１において、光学モジュール１の下方向をＺ方向とし、Ｚ方向と直交する２方向をＸ方向及びＹ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、それぞれ光学モジュール１の辺に沿う方向であり、直交する方向となっている。
光学モジュール１は、有底角筒状の筐体２を備えている。筐体２の中央には、円形の第１孔２ａが形成されている。筐体２の上には、第１孔２ａを塞ぐように第１蓋体３が配置されている。筐体２と第１蓋体３とは、第１低融点ガラス４により接合されている。筐体２のＸ方向側には、第１端子５と、第２端子６と、第３端子７と、が設置されている。筐体２のＺ方向側には、第２蓋体８が配置されている。筐体２と第２蓋体８とは、第２低融点ガラス９により接合されている。
第１蓋体３及び第２蓋体８は、光透過性を有するケイ酸ガラスによって形成されている。筐体２の材質は、第１蓋体３及び第２蓋体８と線膨張率が近い材質であれば良く、例えば、セラミックである。
図２に示すように、筐体２のＺ方向側には、四角形の第２孔２ｂが形成されている。第２孔２ｂは、第１孔２ａより大きな孔となっている。筐体２のＺ方向側には、第２孔２ｂを塞ぐように第２蓋体８が配置されている。筐体２、第１蓋体３及び第２蓋体８に囲まれた内部空間１０は、密閉された空間となっている。内部空間１０には、波長可変光学フィルター１１が配置されている。即ち、筐体２と第１蓋体３と第２蓋体８とにより収納部が形成され、収納部の内部に波長可変光学フィルター１１が収納されている。
光学モジュール１の大きさは、例えば、Ｚ方向の厚みが３ｍｍ程度であり、Ｘ方向の幅が１５ｍｍ程度であり、Ｙ方向の幅が１５ｍｍ程度である。第２蓋体８の厚みは、１ｍｍ程度である。波長可変光学フィルター１１の大きさは、例えば、Ｚ方向の厚みが０．７ｍｍ～１．５ｍｍ程度であり、Ｘ方向及びＹ方向の幅が１１ｍｍ～１２ｍｍ程度である。
次に、図３を参照しながら、波長可変光学フィルター１１の構造を説明する。
図３に示すように、波長可変光学フィルター１１は、第１基体１２ａ及び少なくとも１つの第１反射膜１５を有する第１基板１２と、第２基体１３ａ及び少なくとも１つの第２反射膜２１を有する第２基板１３と、第１基板１２と第２基板１３との間に配置された接合膜１４と、を備えている。
具体的には、波長可変光学フィルター１１は、光学フィルターとして機能するフィルター領域４１と、フィルター領域４１の周囲に位置する可動領域４２と、波長可変光学フィルター１１の最外周に位置する接合領域４０と、を有する。
第１基体１２ａの中央部に位置するフィルター領域４１には、－Ｚ方向に突出する円柱状の反射膜設置部１２ｂが設けられている。反射膜設置部１２ｂの周りの可動領域４２には、円環状に凹んだ電極膜設置溝１２ｃが設けられている。電極膜設置溝１２ｃの周りの接合領域４０には、－Ｚ方向に突出する第１接合部１２ｄが設けられている。
なお、第１基板１２において、フィルター領域４１に相当する領域を第１フィルター領域４１ａとする。また、第１基板１２において、接合領域４０に相当する領域を第１接合領域４０ａとする。
また、第２基板１３において、フィルター領域４１に相当する領域を第２フィルター領域４１ｂとする。また、第２基板１３において、接合領域４０に相当する領域を第２接合領域４０ｂとする。
ここでは、接合膜１４は、第１基板１２の第１接合領域４０ａと、第２基板１３の第２接合領域４０ｂと、の間に配置されているとする。また、第１フィルター領域４１ａと第２フィルター領域４１ｂとは、波長可変フィルター１１ａを構成する領域に対応しているとする。
第１基体１２ａの材質は、光Ｌを透過する材質であればよく、例えば、ケイ酸ガラスである。ケイ酸ガラスには、例えば、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、無アルカリガラス等の各種ガラスや、水晶等が含まれる。第１基板１２の厚みは、例えば、５００μｍ～１０００μｍである。
第１基体１２ａの－Ｚ方向側の表面には、表面全体に亘って第１反射膜１５が配置されている。第１反射膜１５についての説明は、後で詳述する。
第１基体１２ａの第１フィルター領域４１ａには、第１反射膜１５を覆うように固定電極３１ａが配置されている。第１基体１２ａの可動領域４２には、第１電極３２ａが配置されている。
第２基体１３ａのＺ方向側の表面には、表面全体に亘って第２反射膜２１が配置されている。第２反射膜２１についての説明は、後で詳述する。
第２基体１３ａにおける第２反射膜２１が配置された側に対し反対側には、フィルター領域４１を囲むように溝１３ｂが設けられている。第２基体１３ａにおいて溝１３ｂに囲まれた部分を可動部１３ｃとする。可動部１３ｃは、第１基板１２の反射膜設置部１２ｂと対向するように配置されている。
このように、第２基板１３における溝１３ｂが形成された部分は、第２基体１３ａの厚みが薄くなっている。よって、可動部１３ｃは、容易にＺ方向に移動することが可能となっている。第２基体１３ａの材質は、光Ｌを透過し強度があれば特に限定されず、例えば、第１基体１２ａと同じ材質である。
第２基体１３ａの第２フィルター領域４１ｂには、第２反射膜２１を覆うように可動電極３１ｂが配置されている。第２基体１３ａの可動領域４２には、第２電極３２ｂが配置されている。
固定電極３１ａ及び可動電極３１ｂの材質は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）である。なお、ＩＴＯに限定されず、ＩＧＯ（Indium Gallium Oxide）、ＩＣＯ（Indium doped Cadmium Oxide）などの透明で導電性のある材質を用いるようにしてもよい。
第１電極３２ａ及び第２電極３２ｂの材質は、導電性を有し成膜し易い材質であればよく、例えば、ＩＴＯである。なお、ＩＴＯに限定されず、窒化タングステン（ＴｉＷ）などの金属膜を用いるようにしてもよい。
次に、図４及び図５を参照しながら、波長可変光学フィルター１１の接合部４５の構成について説明する。
図４に示すように、波長可変光学フィルター１１は、上記したように、第１基体１２ａと、第１反射膜１５と、第２基体１３ａと、第２反射膜２１と、第１基板１２と第２基板１３とを接合する接合膜１４と、を備えている。
図５に示すように、接合部４５は、第１基体１２ａ側に配置された複数の第１反射膜１５と、第２基体１３ａ側に配置された複数の第２反射膜２１と、第１基板１２と第２基板１３とを接合するべく第１反射膜１５と第２反射膜２１とに接する接合膜１４と、を備えている。
複数の第１反射膜１５及び複数の第２反射膜２１は、酸化シリコン（ＳｉＯ2）と酸化チタン（ＴｉＯ2）とが交互に積層された多層膜ミラーになっている。本実施形態では、複数の第１反射膜１５は、例えば、９層で構成されている。複数の第２反射膜２１は、例えば、９層で構成されている。接合膜１４は、例えば、ＰＰＳｉ膜（例えば、ＳｉＯ2を活性化させた膜）である。
ここで、接合膜１４の膜厚をＱとし、接合膜１４において透過させる光Ｌのピーク波長をλとし、接合膜１４の屈折率をｎとする。接合膜１４の膜厚Ｑは、下記の式に基づき、フィルター領域４１において取り出す光Ｌのピーク波長の可変範囲に含まれない波長帯域に波長λの光Ｌのピークを有するように膜厚を設定し、好適には、波長λが波長可変フィルター１１ａを用いて計測する波長の範囲に対して透過率のピークを有さないように、設定する。
Ｑ＝λ／４ｎ。
Ｑ＝λ／４ｎ。
具体的には、例えば、波長可変フィルター１１ａを用いて計測する際に、フィルター領域４１において取り出す光Ｌのピーク波長を１０００ｎｍとする。接合部４５では、１０００ｎｍのピーク波長の光Ｌを透過させたくなくので、接合膜１４で透過させる光Ｌの波長を１０００ｎｍ以外の波長帯域になるように設定する。
次に、図６～図８を参照しながら、接合部４５の接合膜１４の膜厚を求める方法について説明する。図６は、接合膜１４の膜厚を変えたときの、接合部４５における光Ｌの波長と透過率との関係を示すグラフである。図７は、接合膜１４の厚みと透過スペクトルのピークとの関係を示すグラフである。図８は、波長可変光学フィルター１１における光Ｌの透過状態を示す図である。
図６にグラフは、横軸が光Ｌの波長（ｎｍ）を示しており、左側から右側にいくに従って、可視光領域から赤外光領域になっている。また、縦軸が接合部４５の透過率であり、下から上に行くに従って、光Ｌを透過する割合が高くなっている。
具体的には、接合膜１４の厚みを「０」、「０．５Ｑ」、「Ｑ」、「１．５Ｑ」、「２Ｑ」の５種類で変えたときの、接合部４５を透過する光Ｌの波長と透過率との関係を示している。
例えば、波長可変フィルター１１ａの波長帯域が、９００ｎｍ～１１００ｎｍの場合を想定する。この場合の設計波長の中心を１０００ｎｍとする（λ０＝１０００ｎｍ）。接合部４５の構成は、図５に示す通りである。このときの、接合膜１４の厚み毎の透過スペクトルが、図６に示すグラフである。
図６に示すように、接合膜１４の厚みを、例えば、０にすると、波長１０００ｎｍで透過スペクトルのピークになる。例えば、接合膜１４の厚みを、０．５Ｑにすると、波長１１００ｎｍで透過スペクトルのピークとなる。このように、接合膜１４の厚みによっては、分光帯域（９００ｎｍ～１１００ｎｍ）の透過率を大幅に低減することができる。
また、図７に示すように、接合膜１４の厚みＱと透過スペクトルのピークとの関係を見ながら、１次光、２次光、３次光のピークと重ならないように、接合膜１４の厚みを設定することが好ましい。
即ち、接合膜１４の膜厚を、波長可変フィルター１１ａのピーク波長の可変範囲に含まれない波長帯域に光Ｌのピークがくるように膜厚を設定することにより、波長可変フィルター１１ａで計測したい（言い換えれば、取り出したい）波長の光Ｌが、図８に示すように、接合部４５では透過しないようにすることが可能となり、接合領域４０からフィルター領域４１に、波長可変フィルター１１ａで取り出す波長の光Ｌが迷光となって入射することを抑えることができる。即ち、迷光が撮像素子５０に入射することを抑えることができる。加えて、各波長帯域に応じた波長可変光学フィルター１１を最適に設計することができる。
以上述べたように、第１実施形態の波長可変光学フィルター１１は、第１フィルター領域４１ａと第１接合領域４０ａとを有する第１基板１２と、第２フィルター領域４１ｂと第２接合領域４０ｂとを有する第２基板１３と、第１基板１２の第１接合領域４０ａと、第２基板１３の第２接合領域４０ｂと、の間に位置する接合膜１４と、を備え、第１フィルター領域４１ａと第２フィルター領域４１ｂとは、波長可変フィルター１１ａに対応し、第１基板１２は、第１基体１２ａと、少なくとも１つの第１反射膜１５と、を有し、少なくとも１つの第１反射膜１５は、第１フィルター領域４１ａ内と第１接合領域４０ａ内とで第１基体１２ａ上に位置し、第２基板１３は、第２基体１３ａと、少なくとも１つの第２反射膜２１と、を有し、少なくとも１つの第２反射膜２１は、第２フィルター領域４１ｂ内と第２接合領域４０ｂ内とで第２基体１３ａ上に位置し、接合膜１４は、第１反射膜１５と第２反射膜２１とに接することで、第１基板１２と第２基板１３とを接合し、接合膜１４は、所定の波長域の光Ｌに対し透過性を有し、第１反射膜１５と、接合膜１４と、第２反射膜２１と、を貫く光路は、所定波長域の光Ｌに対し透過性を有し、波長可変フィルター１１ａを用いて計測する波長の範囲に対して透過率のピークを有さない。
この構成によれば、第１反射膜１５と接合膜１４と第２反射膜２１とを含む接合領域４０の光路は、波長可変フィルター１１ａを用いて計測する波長の範囲に対して透過率のピークを有さないので、接合領域４０からフィルター領域４１に、波長可変フィルター１１ａで取り出す波長の光Ｌが迷光となって入射することを抑えることができる。よって、信頼性の高い波長可変光学フィルター１１を提供することができる。
また、接合膜１４の膜厚をＱとし、光Ｌのピーク波長をλとし、接合膜１４の屈折率をｎとした場合、接合膜１４の膜厚は、下記の式に基づいて、波長可変フィルター１１ａのピーク波長の可変範囲に含まれない波長帯域に光Ｌのピークを有するように膜厚を設定することが好ましい。Ｑ＝λ／４ｎ。
この構成によれば、上記式に基づいて計算することにより、波長可変フィルター１１ａで取り出す波長の光Ｌが透過しない接合膜１４の厚みにすることが可能となり、接合領域４０からフィルター領域４１に、波長可変フィルター１１ａで取り出す波長の光Ｌが迷光となって入射することを抑えることができる。
次に、図９を参照しながら、第２実施形態の波長可変光学フィルター１１１の構成について説明する。
図９に示すように、第２実施形態の波長可変光学フィルター１１１は、接合領域４０にアライメントマーク５２を視認するための溝１２ａ１を設ける部分が、第１実施形態の波長可変光学フィルター１１と異なっている。その他の構成については概ね同様である。このため第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分について詳細に説明し、その他の重複する部分については適宜説明を省略する。
第２実施形態の波長可変光学フィルター１１１は、アライメント基板５１上に配置されたアライメントマーク５２を基準に位置合わせを行うために、第１基体１２ａにおいてアライメントマーク５２と平面視（図９では、紙面上側から下側に見た方向）で重なる領域に、深く掘り込んだ凹部としての溝１２ａ１が設けられている。第１基体１２ａの表面には、第１反射膜１５が形成されている。具体的には、溝１２ａ１の中には、第１反射膜１５ａが形成されている。第１反射膜１５ａより内側は、例えば、空洞（言い換えれば、空気層）となっている。
第１基体１２ａに溝１２ａ１が設けられ、第１基体１２ａの厚みが設定されていることにより、帯域以外の光Ｌは透過できる、言い換えれば、他の領域と見え方を変えることができるため、目視やカメラでアライメントマーク５２を視認することができる。よって、接合領域４０をアライメントとした位置合わせを行うことができる。溝１２ａ１において透過する光Ｌの波長は、図６に示すように、波長６００ｎｍ～８００ｎｍの可視光領域である。
このように、アライメント時は、可視光を用いてアライメントを行うことができる。これにより、アライメント基板５１と波長可変光学フィルター１１１との位置合わせにおいて、精度が高いアライメントが可能となる。その後は、波長可変光学フィルター１１として可視光（帯域外の光Ｌ）をカットして計測すれば、迷光を低減した計測が可能となる。なお、第２基体１３ａの接合領域に溝１２ａ１を設けるようにしてもよい。
また、図９に示すように、第１基体１２ａにおける溝１２ａ１のフィルター領域４１側に、第１反射膜１５ｂを埋め込んでおくようにしてもよい。これによれば、接合領域４０から入射した光Ｌを、よりフィルター領域４１側に透過しないようにすることができる。即ち、受光素子（図示せず）に光Ｌが入射することを抑えることができる。
以上述べたように、第２実施形態の波長可変光学フィルター１１１は、第１基板１２及び第２基板１３の少なくとも一方の基板における接合膜１４と平面視で重なる領域において、アライメントマーク５２と重なる領域に溝１２ａ１が設けられている。
この構成によれば、接合膜１４におけるアライメントマーク５２と重なる領域に溝１２ａ１が設けられているので、波長可変フィルター１１ａに影響を与えることなく、例えば、アライメントマーク５２に基づいて第１基板１２や第２基板１３の位置合わせを行うことができる。
以下、上記実施形態の変形例を説明する。
なお、第２実施形態の波長可変光学フィルター１１１は、上記した構成に限定されず、図１０に示す構成でもよい。図１０は、変形例の波長可変光学フィルター２１１の構成を示す断面図である。
図１０に示すように、変形例の波長可変光学フィルター２１１は、第１基体１２ａの溝１２ａ１の底部に金属膜５３が配置されている。金属膜５３の厚みは、例えば、アライメントマーク５２が視認できる程度に設計されている。これによれば、溝１２ａ１に起因して光Ｌが乱反射し、第１基体１２ａを突き抜けて、フィルター領域４１に光Ｌが入射することをより抑えることができる。
また、図示はしないが、波長可変光学フィルター１１において、第１基板１２と第２基板１３との位置合わせを行うために、第１基体１２ａ及び第２基体１３ａの少なくとも一方の基体の接合領域４０に、アライメントマークを設けるようにしてもよい。この場合も、可視光においてアライメントマークが視認できるように、溝などが設けられていることが好ましい。
このように、第１基板１２及び第２基板１３の少なくとも一方の基板における接合膜１４と平面視で重なる領域に、アライメントマークが設けられていることが好ましい。この構成によれば、接合膜１４と重なる位置にアライメントマークが設けられているので、波長可変フィルター１１ａに影響を与えることなく、例えば、アライメントマークに基づいて第１基板１２と第２基板１３との位置合わせを行うことができる。
また、図９及び図１０に示すように、溝１２ａ１の中を空洞にすることに限定されず、可視光の光Ｌを透過できる範囲で、第１反射膜１５ａとは別の膜を配置するようにしてもよい。
１…光学モジュール、２…筐体、２ａ…第１孔、２ｂ…第２孔、３…第１蓋体、４…第１低融点ガラス、５…第１端子、６…第２端子、７…第３端子、８…第２蓋体、９…第２低融点ガラス、１０…内部空間、１１…波長可変光学フィルター、１１ａ…波長可変フィルター、１２…第１基板、１２ａ…第１基体、１２ａ１…溝、１２ｂ…反射膜設置部、１２ｃ…電極膜設置溝、１２ｄ…第１接合部、１３…第２基板、１３ａ…第２基体、１３ｂ…溝、１３ｃ…可動部、１４…接合膜、１５，１５ａ，１５ｂ…第１反射膜、２１…第２反射膜、３１ａ…固定電極、３１ｂ…可動電極、３２ａ…第１電極、３２ｂ…第２電極、４０…接合領域、４０ａ…第１接合領域、４０ｂ…第２接合領域、４１…フィルター領域、４１ａ…第１フィルター領域、４１ｂ…第２フィルター領域、４２…可動領域、５１…アライメント基板、５２…アライメントマーク、５３…金属膜、１１１，２１１…波長可変光学フィルター。
Claims (2)
- 第１フィルター領域と第１接合領域とを有する第１基板と、
第２フィルター領域と第２接合領域とを有する第２基板と、
前記第１基板の前記第１接合領域と、前記第２基板の前記第２接合領域と、の間に位置する接合膜と、を備え、
前記第１フィルター領域と前記第２フィルター領域とは、波長可変フィルターに対応し、
前記第１基板は、第１基体と、少なくとも１つの第１反射膜と、を有し、
前記少なくとも１つの第１反射膜は、前記第１フィルター領域内と前記第１接合領域内とで前記第１基体上に位置し、
前記第２基板は、第２基体と、少なくとも１つの第２反射膜と、を有し、
前記少なくとも１つの第２反射膜は、前記第２フィルター領域内と前記第２接合領域内とで前記第２基体上に位置し、
前記接合膜は、前記第１反射膜と前記第２反射膜とに接することで、前記第１基板と前記第２基板とを接合し、
前記接合膜は、所定の波長域の光に対し透過性を有し、
前記第１反射膜と、前記接合膜と、前記第２反射膜と、を貫く光路は、所定波長域の光に対し透過性を有し、前記波長可変フィルターを用いて一対の反射膜間のギャップに応じた波長の光を選択的に透過させて計測する波長の範囲に対して透過率のピークを有さない、波長可変光学フィルター。 - 請求項１に記載の波長可変光学フィルターであって、
前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも一方における前記接合膜と平面視で重なる領域に、アライメントマークが設けられている、波長可変光学フィルター。
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