JP2002341260A - 干渉フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高価な装置を必要とすることなく、高精度に短
時間で製作可能な構造とする。 【解決手段】干渉フィルタは、相対する片面に反射層６
a,６bを形成した２枚の光学基板５a,５bと、各光学基板
５a,５bを支持するホルダ７a,７bと、光学基板５a,５b
の間に介在されて基板間を所定距離に設定するスペーサ
として機能する一定の球径をもつ軟質のマイクロビーズ
１８と、ホルダ７a,７b間に配置されホルダに支持され
た光学基板間を微小間隔変位させることにより透過スペ
クトル特性を変化させるアクチュエータ８とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一対の光学基板を
微小距離を隔てて配置したファブリ・ペロー型などの干
渉フィルタに関する。

【０００２】

【従来技術】従来、ファブリ・ペロー型干渉フィルタに
おいて、二枚の光学基板の微小間隔を変位することによ
り、その透過スペクトル特性を変化させることのできる
波長可変干渉フィルタが知られている(特開平８-２８５
６８８号)。

【０００３】この波長可変干渉フィルタは、２００〜３
００オングストローム程度の厚みを有するAuなどの反射
層となる半透光性の金属膜を、対向する面に蒸着した一
対のガラス基板の間に圧電アクチュエータを介して対向
配置し、圧電アクチュエータに印加する駆動電源を変え
ることで、基板間隔を微小間隔変位させることができ
る。

【０００４】この波長可変干渉フィルタは、一方のガラ
ス基板からの入射光に対し、半透光性をもつ金属膜間で
の多重反射によって生ずる干渉作用に起因して複数の透
過スペクトルピークが分布して光を透過する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の干渉フィルタにあっては、ホルダで支持した
２枚の光学基板を、微小間隔を隔てて配置する際に、ど
うしても基板間隔に誤差が生じてしまう問題がある。例
えば直径の５０mm大のホルダの加工精度は最高でも±１
０μm程度であり、±０.１μmの精度を要求する干渉フ
ィルタを組み立てるには、マイケルソン干渉計等の微小
距離測定装置を用いて基板間隔を測定しながら組み立て
る必要がある。

【０００６】また従来例では光学基板の組立時に用いる
接着剤の寸法変化により、基板間隔に誤差が生じ、理想
的な干渉フィルタとしての特性を維持することが難しか
った。さらに周囲温度の変化に応じてホルダ等が膨張収
縮し、光学特性が変化してしまうという問題点もあっ
た。

【０００７】本発明は、高価な装置を必要とすることな
く、高精度に短時間で製作可能な構造を備えたファブリ
・ペロー型の干渉フィルタを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明は、次のように構成する。

【０００９】本発明は、波長可変型の干渉フィルタを提
供するものであり、相対する片面に反射層を形成した２
枚の光学基板と、各光学基板を支持するホルダと、光学
基板の間に介在されて基板間を所定距離に設定するスペ
ーサと、ホルダに支持された光学基板間を微小間隔変位
させることにより透過スペクトル特性を変化させるアク
チュエータとを備えたことを特徴とする。

【００１０】また本発明は、波長固定型の干渉フィルタ
を提供するものであり、相対する片面に反射層を形成し
た２枚の光学基板と、各光学基板を支持するホルダと、
光学基板の間に介在され所定の透過スペクトル特性が得
られるように前記光学基板間を所定距離に設定するスペ
ーサとを備えたことを特徴とする。

【００１１】ここで本発明の干渉フィルタは、スペーサ
として、一定の球径をもつ軟質のマイクロビーズを用い
たことを特徴とする。マイクロビーズは、真球状の軟質
プラスチック微粒子であり、スペーサとして光学基板の
間に介在させることで、球径で決まる２〜２０μmの微
小間隔を隔てて極めて高精度の平行度を得るように簡単
に固定することができる。

【００１２】本発明の干渉フィルタにおいては、スペー
サとして、軟質のフォトレジストを用いるようにしても
良い。

【００１３】本発明の干渉フィルタにおいて、ホルダ間
の間隔を調整する調整機構を設ける。マイクロビーズを
スペーサに用いた場合、２〜３本のモアレ縞(１μm程度
の傾斜)が発生する程度の平行度を得ることができる。
この誤差は接着剤の硬化時の変形や、マイクロビーズの
もつわずかな直径誤差に起因している。そこでネジなど
による調整機構を設け、組み立て後にホルダ間に荷重を
加えて間隔誤差を修正できるようにしている。

【００１４】本発明の干渉フィルタは、ホルダとして、
インバーなどの低熱膨張率金属を用いたことを特徴とす
る。この低熱膨張率合金としては、例えば１０℃の温度
変化に対し０.０３μm程度の寸法変化しかないインバー
などを用いる。このため周囲温度が変化しても、透過ス
ペクトル特性が変化せず、高い安定性が得られる。

【００１５】また本発明は、相対する片面に反射層を形
成した２枚の光学基板と、各光学基板を支持するホルダ
と、ホルダに支持された光学基板間を微小間隔変位させ
ることにより透過スペクトル特性を変化させるアクチュ
エータとを備えた波長可変型の干渉フィルタにおいて、
ホルダにインバーなどの低熱膨張率金属を用いることに
より、周囲温度が変化しても、透過スペクトル特性が変
化せず、高い安定性が得られる。

【００１６】更に本発明は、相対する片面に反射層を形
成した２枚の光学基板と、各光学基板を支持するホルダ
とを備えた波長固定型の干渉フィルタにおいて、ホルダ
にインバーなどの低熱膨張率金属をを用いることによ
り、同じく周囲温度が変化しても、透過スペクトル特性
が変化せず、高い安定性が得られる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の干渉フィルタを内
蔵した赤外線監視カメラの内部構造を透視状態で表して
いる。赤外線監視カメラ１は、レンズユニット２に対物
レンズ２ａ、本発明の波長可変型干渉フィルタ４Ａ及び
結合レンズ２ｂを設けており、本体側に撮像素子として
例えばＣＣＤ３を設けている。

【００１８】図２は図１の赤外線監視カメラ１に内蔵さ
れている本発明による波長可変型干渉フィルタ４Ａの構
造説明図である。ここで図２（Ａ）は平面図、図２
（Ｂ）はそのＸ−Ｘ断面図、図２（Ｃ）は底面図であ
る。

【００１９】波長可変型干渉フィルタ４Ａは、ホルダ７
ａ，７ｂのそれぞれに固定された光学基板５ａ，５ｂを
ミクロンオーダの微小間隔を設定して平行に配置してお
り、ホルダ７ａ，７ｂ間の周囲３か所には圧電素子を用
いたアクチュエータ８が配置され、アクチュエータ８の
変位により光学基板５ａ，５ｂ間の微小間隔を変化させ
るようにしている。

【００２０】ホルダ７ａの開口部ネジ穴にはレンズ枠９
が装着され、また反対側のホルダ７ｂには図１のレンズ
ユニット２に装着するためのネジ環１７が一体に形成さ
れている。

【００２１】更にホルダ７ａ，７ｂに対しては、相対配
置された２枚の光学基板５ａ，５ｂの間に荷重をかけて
基板間の微小間隔を調整するための調整機構１０が設け
られている。

【００２２】この調整機構１０は、調整ネジ１１をホル
ダ７ａの通し穴１５を通してホルダ７ｂ側のネジ穴１６
に先端ネジ部１１ａをねじ込んでおり、ホルダ７ａと調
整ネジ１１の頭部との間には、それぞれワッシャ１３，
１４を介して皿バネ１２を組み込んでいる。この調整機
構１０は図２（Ａ），図２（Ｃ）から明らかなように、
ホルダ７ａ，７ｂの周囲の６か所に略等間隔に配置され
ている。

【００２３】図３は図２の波長可変型干渉フィルタ４Ａ
における原理構造を取り出している。図３において、２
枚の光学基板５ａ，５ｂはガラスやサファイヤなどで作
られており、この光学基板５ａ，５ｂの相対する片面に
金属や誘電体多層膜などにより反射層６ａ，６ｂを形成
している。この反射層６ａ，６ｂは例えば加熱蒸着法に
より形成することができる。光学基板５ａ，５ｂは、例
えば数ｍｍ程度の厚さで形成される。

【００２４】光学基板５ａ，５ｂは反射層６ａ，６ｂを
相対するようにして、微小間隔Ｘとして例えばＸ＝３μ
ｍ隔てて平行に固定する必要がある。このため本発明に
あっては、２枚の光学基板５ａ，５ｂの間に基板間を所
定距離Ｘに設定するためのスペーサとして球径の一定し
た微小なマイクロビーズ１８を複数配置し、このマイク
ロビーズ１８を挟んで２枚の光学基板５ａ，５ｂをホル
ダ７ａ，７ｂにより固定することで、平行な微小均一間
隔を実現している。

【００２５】本発明の２枚の光学基板５ａ，５ｂの間隔
を設定するスペーサとして使用するマイクロビーズ１８
は、透明な真球の軟質プラスチックビーズである。

【００２６】光学基板５ａ，５ｂは、それぞれ金属など
で作られたホルダ７ａ，７ｂに接着剤などにより固定さ
れている。この光学基板５ａ，５ｂを固定したホルダ７
ａ，７ｂは、その周囲部分で例えば図２に示したように
３個のアクチュエータを介してお互いに固定されてい
る。

【００２７】このアクチュエータ８としては例えば圧電
素子が使用されており、アクチュエータ８に対し直流電
源２０から印加する駆動電圧を変化させることでアクチ
ュエータ８を変位させ、これによってホルダ７ａ，７ｂ
に固定している２枚の光学基板５ａ，５ｂの間隔を変化
させることができる。

【００２８】本発明による波長可変型干渉フィルタ４Ａ
は、例えば光学基板５ａ側からの入射光に対し、反射層
６ａ，６ｂ間での多重反射によって生ずる干渉作用に起
因して複数の透過スペクトルピークを有する光が間隔Ｘ
に対応して選択的に光学基板５ｂ側に透過されるように
なる。

【００２９】図４は図３の波長可変型干渉フィルタ４Ａ
のスペクトル特性であり、直流電圧源２０から圧電素子
を使用したアクチュエータ８に加わる駆動電圧を２段階
に切り替えることで間隔Ｘを変えて、実線のスペクトル
特性と破線のスペクトル特性を得ることができる。

【００３０】図５は図３に示した構造を持つ本発明によ
る波長可変型干渉フィルタ４Ａの組立手順を示した説明
図である。

【００３１】まず図５（Ａ）のように光学基板５ｂを配
置した状態で、反射層６ｂが形成されている面にマイク
ロビーズ１８を複数均一に散布し、その上に反射層６ａ
を下にして光学基板５ａを乗せ、荷重Ｆ１を加える。マ
イクロビーズ１８は、数個以上の適宜の個数が散布され
る。

【００３２】続いて図５（Ｂ）のようにホルダ７ｂを配
置し、そこに光学基板５ｂ側を瞬間接着剤などを使用し
て接着固定する。続いて光学基板５ａに対し同じく瞬間
接着剤などを使用してホルダ７ａを接着固定する。この
ホルダ７ａ，７ｂの接着固定の際には、両者の間に荷重
Ｆ２を加えた状態で行う。

【００３３】続いて図５（Ｃ）のように、光学基板５
ａ，５ｂを固定したホルダ７ａ，７ｂ間の周囲の数箇所
例えば３か所に略等間隔に、圧電素子などを用いたアク
チュエータ８を接着などにより固定する。

【００３４】更に実際の干渉フィルタにあっては、図２
に示したようにホルダ７ａ，７ｂの６か所には調整ネジ
１１を備えた調整機構１０が設けられており、調整ネジ
１１の調整によってホルダ７ａ，７ｂ間に加わる荷重Ｆ
３を調整することができる。

【００３５】ここで図５のように、間にマイクロビーズ
１８をスペーサとして介在して、ホルダ７ａ，７ｂに固
定した光学基板５ａ，５ｂを組み立てた場合、２枚の光
学基板５ａ，５ｂの間には微小な間隔の誤差が生じる。
この間隔の誤差は、通常、光学基板上にモアレ縞として
観測される。

【００３６】本願発明者の試作によれば、マイクロビー
ズ１８をスペーサとして介在させた場合、組立後に２〜
３本程度のモアレ縞の発生が見られた。これは光学基板
５ａ，５ｂが１μｍ程度の傾斜をもって固定されている
ことを示している。この光学基板５ａ，５ｂの傾斜は、
接着剤の硬化時の小さな変形やマイクロビーズ１８の持
つ僅かな直径誤差に起因している。

【００３７】そこで本発明にあっては、図２のようにホ
ルダ７ａ，７ｂ間に荷重をかけると同時に、荷重を調整
することのできる調整ネジを備えた調整機構１０を設
け、組立後に間隔誤差を修正できるようにしている。

【００３８】このような調整機構１０を設けたことで、
本発明にあっては光学基板を支えるホルダ全体が外部か
らの荷重により僅かに変形し、基板位置が調整可能とな
る。そして間隔誤差の修正は目視またはカメラなどによ
り光学基板５ａ，５ｂに発生しているモアレ縞を観察し
ながら、例えば図２のように６か所に設けている調整機
構１０の調整ネジ１１を操作して外部から荷重をかけ、
フィルタ構造体を変形させることによってモアレ縞が解
消するように間隔修正を行う。

【００３９】このような調整機構１０による光学基板５
ａ，５ｂの間隔調整により、調整後にはモアレ縞の発生
が見られない状態となり、１／１０μｍ程度の傾斜とな
る高精度の平行度を持った組立ができる。

【００４０】これに対し従来の間隔調整にあっては、マ
イケルソン干渉計などの微小寸法の測定が可能な光学式
測定器を使用し、光学基板５ａ，５ｂ間の寸法及び傾斜
を測定しながら一品一品組み立てていく方法をとってお
り、非常に手間と時間が掛かる。

【００４１】この点、本発明の干渉フィルタの製作にあ
っては、高価な光学式測定器を必要とせず、非常に簡単
に１／１０μｍ程度といった極めて高精度の平行度を実
現でき、生産性が非常に高く、また特別な装置や熟練を
必要とせず短時間で製作することができる。

【００４２】次に本発明の干渉フィルタで使用している
ホルダ７ａ，７ｂについて説明する。図１のように赤外
線監視カメラなどのカメラレンズに使用する波長可変型
干渉フィルタ４Ａにあっては、通常の金属などにより製
作したホルダ７ａ，７ｂを用いた場合、周囲温度変化を
容易に受け、所望の光学基板５ａ，５ｂの間隔を維持す
ることが困難になる。

【００４３】例えば１０℃の温度変化があった場合、真
鍮などの材料を用いたホルダ７ａ，７ｂにあっては３．
５μｍの寸法変化を起こしてしまい、組立時の基板間隔
ＸがＸ＝３μｍであり、アクチュエータ８により０．１
μｍオーダで間隔を微小変位させることを考えると、波
長可変型干渉フィルタとしての透過スペクトル特性の温
度による間隔の変化が大きすぎ、例えば特定の２波長で
透過スペクトル特性を切り替えるような使用は困難とな
る。

【００４４】これを防ぐため本発明にあっては、ホルダ
７ａ，７ｂにインバー（ニッケル合金）などの低熱膨張
率を持つ金属により製作した。インバーにより製作した
ホルダ７ａ，７ｂは、１０℃の温度変化によっても０．
０３μｍの寸法変化しか示さず、周囲温度が変化しても
波長可変型干渉フィルタとしての実質上の特性への影響
はほとんどない。

【００４５】図６は、ホルダ７ａ，７ｂに従来のように
真鍮を使用した場合と、本発明のように低熱膨張率を持
つインバーを使用した場合の膨張率の関係をアクチュエ
ータ及び光学基板と共にまとめている。

【００４６】図６から明らかなように、光学基板はガラ
スあるいはサファイヤで作られていることから熱膨張率
は小さく、その全長に対し１０℃当たりの膨張率は０．
０２〜０．０３μｍに収まっている。これに対しホルダ
７ａ，７ｂに真鍮を使用した場合にはその全長２０ｍｍ
に対する１０℃当たりの膨張率は３．５μｍとなってお
り、これでは所望の基板間隔を維持することはできな
い。

【００４７】これに対しインバーを用いた本発明のホル
ダにあっては、１０℃当たりの膨張率量が０．０２６μ
ｍとなり、真鍮ホルダに対し約１００分の１程度であ
り、実質上スペクトル特性への影響はない。

【００４８】図７は本発明による干渉フィルタの他の実
施形態の構造説明図であり、この実施形態にあっては２
枚の光学基板の間隔を所定間隔に固定して特定の波長ス
ペクトル特性を実現する波長固定型干渉フィルタ４Ｂを
対象とする。

【００４９】この波長固定型干渉フィルタ４Ｂは、図７
（Ａ）の断面図及び図７（Ｂ）の底面図に示すように、
相対する片面に反射層６ａ，６ｂを形成した２枚の光学
基板５ａ，５ｂをインバーなどの低熱膨張率の金属で作
られたホルダ７ａ，７ｂに固定し、図５の組立手順に示
したように光学基板５ａ，５ｂの相対する内側の反射層
６ａ，６ｂの間にマイクロビーズ１８をスペーサとして
介在させて、例えば間隔Ｘ＝３μｍを隔てて平行に固定
した構造を持っている。

【００５０】また光学基板５ａ，５ｂを固定しているホ
ルダ７ａ，７ｂの周囲６か所には略等間隔に調整ネジ１
１を備えた調整機構１０が設けられており、この調整機
構１０における調整ネジ１１のネジ組みを調整して、ホ
ルダ７ａ，７ｂに加わる荷重を調整し、これによってモ
アレ縞の発生が得られない状態、即ち１／１０μｍ程度
の間隔誤差を持った高精度の平行度を持つ組立状態を得
ている。

【００５１】この波長固定型干渉フィルタ４Ｂは、図２
に示した波長可変型干渉フィルタ４Ａのホルダ７ａ，７
ｂの間隔調整のために設けているアクチュエータ８を取
り除いたと実質的に同じ構造と言える。

【００５２】なお上記の実施形態にあっては、図３のよ
うに２枚の光学基板５ａ，５ｂの相対する反射層６ａ，
６ｂの向かい合う面の間にスペーサとしてマイクロビー
ズ１８を設けるようにした場合を例にとっているが、こ
の微小間隔を設定するスペーサとしてはマイクロビーズ
１８の代わりにフォトレジストを用いてもよい。

【００５３】スペーサにフォトレジストを使用する場合
にも、調整機構１０による荷重調整でモアレ縞の発生が
得られない状態に調整する必要があることから、弾性を
持った軟質のフォトレジスト材料を使用することが望ま
しい。

【００５４】また本発明の干渉フィルタの他の実施形態
としては、図３のようにスペーサとしてマイクロビーズ
１８やフォトレジストなどを使用せずに組み立てる従来
構造の干渉フィルタについて、光学基板５ａ，５ｂを固
定しているホルダ７ａ，７ｂについてのみインバーなど
の低熱膨張率をもつ金属を用いるようにしても良く、同
様にして周囲温度に対し極めて高い波長スペクトル特性
の安定性を確保することができる。

【００５５】また上記の実施形態は図１のような赤外線
監視カメラ１に内蔵する干渉フィルタを例にとるもので
あったが、本発明はこれに限定されず、適宜の光学機械
や分析機械などに使用される干渉フィルタにつきそのま
ま適用することができる。

【００５６】また上記の実施形態にあっては、アクチュ
エータをホルダ間に配置しているが、光学基板間の周囲
に配置するようにしても良い。

【００５７】更に光の波長帯域によっては、マイクロビ
ーズが光の透過を邪魔する可能性があるため、マイクロ
ビーズを光の透過の邪魔にならない位置に配置すること
が望ましい。具体的には赤外線の場合にマイクロビーズ
が邪魔になる可能性があることから、マクロビーズを赤
外線の透過の邪魔にならない位置に配置することが望ま
しい。

【００５８】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、２枚の光学基板間を微小な所定距離に設定するスペ
ーサとして一定の球径をもつ軟質のマイクロビーズやフ
ォトレジストを用いたことで、マイクロビーズやフォト
レジストの粒径で決まる微小間隔を隔てて２枚の光学基
板につき高精度の平行度を得られるように簡単に組立固
定することができる。

【００５９】更に２枚の光学基板を固定しているホルダ
間の間隔を調整する調整ネジなどを備えた調整機構を設
けたことで、マイクロビーズやフォトレジストを使用す
ることにより実現される２枚の光学基板の平行度につ
き、更にモアレ縞が発生しなくなるような極めて高い平
行度を荷重調整で簡単に実現することができる。

【００６０】更に２枚の光学基板を固定するホルダにイ
ンバーなどの低熱膨張率合金を使用することで、周囲温
度が変化しても透過スペクトル特性が変化しない極めて
安定性の高い干渉フィルタを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の干渉フィルタを用いた撮像装置の説明
図

【図２ 】波長可変型となる本発明の干渉フィルタの構
造説明図

【図３】本発明による干渉フィルタの基本構造の説明図

【図４】基板間隔Xを変えたときの波長スペクトルの特
性図

【図５】本発明による干渉フィルタの製作行程の説明図

【図６ 】本発明の干渉フィルタのホルダに使用するイ
ンバーの熱膨張特性を他の部材と共に示した説明図

【図７】波長固定型となる本発明の干渉フィルタの構造
説明図

【符号の説明】

１:赤外線監視カメラ ２:レンズユニット ２a:対物レンズ ２b:結像レンズ ３:CCD ４A:波長可変型干渉フィルタ ４B:波長固定型干渉フィルタ ５a,５b:光学基板 ６a,６b:反射層 ７a,７b:ホルダ ８:アクチュエータ(圧電素子) ９:レンズ枠 １０:調整機構 １１:調整ネジ １２:皿バネ １３,１４:ワッシャ １５:通し穴 １６:ネジ穴 １７:ネジ環 １８:マイクロビーズ(スペーサ) ２０:直流電源

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G020 AA03 CB42 CC23 CC27 CD24 2H041 AA23 AB10 AC08 AZ01 AZ08 2H048 GA13 GA21 GA26 GA51

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対する片面に反射層を形成した２枚の光
   学基板と、 前記各光学基板を支持するホルダと、 前記光学基板の間に介在されて基板間を所定距離に設定
   するスペーサと、 前記ホルダに支持された光学基板間を微小間隔変位させ
   ることにより透過スペクトル特性を変化させるアクチュ
   エータと、を備えたことを特徴とする干渉フィルタ。
2. 【請求項２】相対する片面に反射層を形成した２枚の光
   学基板と、 前記各光学基板を支持するホルダと、 前記光学基板の間に介在され、所定の透過スペクトル特
   性が得られるように前記光学基板間を所定距離に設定す
   るスペーサと、を備えたことを特徴とする干渉フィル
   タ。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の干渉フィルタにおい
   て、前記スペーサとして、一定の球径をもつ軟質のマイ
   クロビーズを用いたことを特徴とする干渉フィルタ。
4. 【請求項４】請求項１又は２記載の干渉フィルタにおい
   て、前記スペーサとして、軟質のフォトレジストを用い
   たことを特徴とする干渉フィルタ。
5. 【請求項５】請求項１又は２記載の干渉フィルタにおい
   て、前記ホルダ間の間隔を調整する調整機構を設けたこ
   とを特徴とする干渉フィルタ。
6. 【請求項６】請求項１又は２記載の干渉フィルタにおい
   て、前記ホルダにインバーなどの低熱膨張率金属を用い
   たことを特徴とする干渉フィルタ。
7. 【請求項７】相対する片面に反射層を形成した２枚の光
   学基板と、前記各光学基板を支持するホルダと、前記ホ
   ルダに支持された光学基板間を微小間隔変位させること
   により透過スペクトル特性を変化させるアクチュエータ
   とを備えた干渉フィルタにおいて、 前記ホルダにインバーなどの低熱膨張率金属を用いたこ
   とを特徴とする干渉フィルタ。
8. 【請求項８】相対する片面に反射層を形成した２枚の光
   学基板と、前記各光学基板を支持するホルダとを備えた
   干渉フィルタにおいて、 前記ホルダにインバーなどの低熱膨張率金属を用いたこ
   とを特徴とする干渉フィルタ。