JP2003090907A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の分光を行う小型、軽量な光学装置を提供
する。 【解決手段】 基板と、前記基板から離間して配置され
た光学層から形成され、入射した光を分光する分光部
と、前記基板に接続され、前記分光部を支持する支持部
から光学装置を構成する。半導体技術を利用して分光部
を形成できるので、分光部を小型、軽量にすることがで
きる。例えば、基板上に、犠牲層、光学層を順に形成し
てパターニングを行った後、犠牲層の一部を除去するこ
とで、基板から離間した光学層からなる分光部を形成で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学装置に関し、
特に光を分光する機能を有する光学装置に関する

【０００２】

【従来の技術】従来から物体の色を識別する光学装置が
用いられている。物体の色の識別は、物体から反射され
た反射光に基づいて行われ、種々の方式がある。例え
ば、反射光を分光手段で分光し、そのスペクトルに基づ
いて物体色を識別できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、回折格子や
光学プリズム等の分光素子は、ある程度の大きさを有す
るのが通例である。従って、光の分光を行うための光学
装置も大きなものになりがちであった。本発明はこのよ
うな課題を解決するためになされたもので、光の分光を
行う小型、軽量な光学装置を提供することを目的として
いる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る光学装置は、基板と、前記基板から離間
して配置された光学層から形成され、入射した光を分光
する分光部と、前記基板に接続され、前記分光部を支持
する支持部と、を具備することを特徴とする。半導体技
術を利用して分光部を形成できるので、分光部を小型、
軽量にすることができる。例えば、基板上に、犠牲層、
光学層を順に形成してパターニングを行った後、犠牲層
の一部を除去することで、基板から離間した光学層から
なる分光部を形成できる。分光部は、光学層を用いて種
々に構成できる。例えば、光学層を誘電体多層膜として
分光特性を持たせても良いし、光学層から分光プリズム
を形成しても差し支えない。

【０００５】（１）前記分光部が、前記支持部に接続さ
れていない自由端を有しても良い。分光部と基板との間
隔を制御して、分光特性を変化させることができる。こ
の間隔の制御は、静電力により行うことができる。例え
ば、前記基板が第１の導電層を、前記分光部が第２の導
電層をそれぞれ有し、前記光学装置が、前記第１の導電
層と前記第２の導電層との間に電圧を制御して印加する
電圧制御手段をさらに具備することで、分光部と基板間
の間隔を電圧制御手段により制御できる。

【０００６】（２）前記光学装置が、前記分光部によっ
て分光された光を受光して、前記分光部に入射した光の
スペクトル情報を取得する受光部をさらに具備しても良
い。受光部で取得したスペクトル情報に基づき、種々の
分析、処理が可能となる。この受光部は、例えば、複数
の受光素子を直線状に配列したラインセンサによって構
成できる。このスペクトル情報に基づく処理の１例とし
て、前記分光部に入射した光の色彩の判定するが挙げら
れる。さらに前記基板が、前記分光部によって分光され
た光を反射して前記受光部に出射する反射面を有しても
良い。このとき、基板自体が反射特性を有してもよい
し、基板を上に光の反射性を有する材料の層を形成して
も差し支えない。

【０００７】（３）測定対象の局所的な領域から発せら
れた光を取り込む光取り込み手段をさらに具備してもよ
い。測定対象の局所的な状態を分光により分析できる。
このとき「局所的な領域から発せられた光」は、測定対
象自身の発光光でも測定対象によって反射された反射光
のいずれでも差し支えない。測定対象からの反射光を取
り込む場合には、光学装置が前記測定対象に白色光を照
射する白色光源部をさらに具備することが便宜である。

【０００８】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明の
実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本
発明に係る光学装置の１例としてのスキャナ１０を用い
てシート２０上のカラーバーコード２１を読み取る状態
を表す斜視図である。ここで、カラーバーコード２１は
シート２０の１面に印刷され、図１ではこの裏面から見
た状態を表している。スキャナ１０はカラーバーコード
２１の局所的な色彩を判定することでカラーバーコード
２１を読み取る。

【０００９】（カラーバーコード）カラーバーコード２
１は、色彩の異なる帯状の領域を配列することで何らか
の情報を表したものである。従来から白と黒の帯を配列
して情報を表すバーコードが用いられている。通例この
ようにな従来のバーコート（以下、「白黒バーコード」
という）は、白と黒の帯状の直線の太さあるいは間隔に
よって英数字を表わしている。カラーバーコード２１
は、色彩および色彩の幅Ｌによって情報を表すことがで
きる。従来のバーコードが白と黒のみを用い、いわゆる
有彩色を使用していなかったのに対して、本願に示すカ
ラーバーコード２１は情報の表示に色彩を用いることか
ら、従来の白黒バーコードに比べて単位長さ当たりに表
現できる情報（情報の密度）を増大することができる。
図１に示したカラーバーコード２１は、（色彩、その幅
Ｗ）で表した（赤、Ｗｒ）、（黄、Ｗｙ）、（黒、Ｗ
ｂ）、（白、Ｗｗ）の組み合わせによって情報を表現し
ている。

【００１０】（スキャナによるカラーバーコードの読み
取りの概要）スキャナ１０は、カラーバーコード２１上
の局所領域である色彩判定領域２２内の色彩を判定する
ことができる。スキャナ１０は、軽量、コンパクトであ
り、手に持ってカラーバーコード２１上を走査（スキャ
ン）することができる。スキャナ１０を走査することで
カラーバーコード２１上を色彩判定領域２２が移動し、
カラーバーコード２１上の色彩ｃを連続的に読み取るこ
とができる。そして、色彩が変化する時間からそれぞれ
の色彩ｃの幅Ｗｃの相対値を読み取ることができる。

【００１１】（スキャナ１０の構成の概要）スキャナ１
０は、筐体１１内、および筐体１１内に組み込まれた白
色光源１２，レンズ１３，１４、分光部３０，受光部４
０，光源駆動部５０，分光制御部６０，色彩判定部７０
から構成される。ここで、分光部３０と受光部４０は、
一体に構成される。図２（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、一
体化された分光部３０と受光部４０とを表す斜視図およ
び一部断面図である。分光部３０は、基板部３１、支持
部３２，プリズム部３３から構成される。基板部３１
は、略平板状であり、基板３１１上に導電層３１２、透
明保護層３１３が積層されて構成される。支持部３２
は、略平板四角のリング形状であり、基板部３１に接続
する接続層３２１，その上に順に形成された光学層３２
２、透明導電層３２３から構成される。プリズム部３３
は、２等辺三角形を底辺とする三角柱の形状をなし、支
持部３２と一端で接続され、光学層３３１およびその上
面に形成された透明導電層３３２から構成される。受光
部４０は基板４１、基板４１上に形成されたラインセン
サ４２からなり、接続部４３によって分光部３０の側面
に接続される。

【００１２】（構成要素の詳細）白色光源１２は、光源
駆動部５０によって駆動され、シート２０上のカラーバ
ーコード２１に白色光を照射する光源である。白色光源
１２は、例えばＬＥＤ等によって構成できる。具体的に
は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）それぞれの光を発生
する赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤを組み合わせ
ることによって白色光源１２を構成できる。白色光源１
２は、ＬＥＤ等と蛍光体との組み合わせによって構成す
ることもできる。ＬＥＤから発した光を蛍光体で波長変
換することができる。Ｒ，Ｇ，Ｂに対応する光が混合し
て発生するようにＬＥＤと蛍光体を組み合わせること
で、白色光源１２を構成できる。なお、白色光源１２
は、ＬＥＤを用いることなく、例えばハロゲンランプで
構成することもできる。レンズ１３、１４は、白色光源
１２から照射されカラーバーコード２１の色彩判定領域
２２で反射された光を集光し、分光部３０に導くための
集光手段である。なお、色彩判定領域２２以外からの光
を遮断するため、必要に応じて絞り等が用いられる。

【００１３】次に分光部３０、受光部４０の構成要素の
詳細を説明する。基板３１１は、例えばシリコン基板等
の半導体材料を用いることができる。導電層３１２は、
光を反射する反射層としても機能するものであり、電気
伝導性と光反射性を兼ね備えた材料としてＴｉ等の金属
材料を使用できる。透明保護層３１３は、光（特に可視
光）を透過する材料、例えばＳｉ_３Ｎ_４を用いることが
できる。接続層３２１は、後述する分光部３０の製造過
程においてプリズム部３３を基板部３１から切り離すと
きに犠牲層として機能するものであり、例えばポリシリ
コンを用いることができる。光学層３２２、３３１は、
後述する分光部３０の製造過程の結果、同一の材料から
構成される。光学層３２２，３３１は、光を透過し、弾
性変形が可能であり、かつ光の波長に対する屈折率の変
化（波長分散）が大きい材料であることが好ましい。一
例として、ダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）
を用いることができる。透明導電層３２３、３３２は、
後述する製造過程の結果として同一の材料から構成され
る。透明導電層３２３、３３２は、光を透過しかつ電気
伝導性を有する材料、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxid
e）を用いることができる。なお、支持部３２自体は単
なる構造体であるので、光学層３２２、透明導電層３２
３は、電気的、光学的特性に拘ることなく、種々の材料
を利用することもできる。

【００１４】光束Ｌ１が、プリズム部３３の上面３３３
（２等辺三角形の底面）から側面３３４（２等辺三角形
の一等辺）に向かって光学層３３１を通過する。この結
果、光束Ｌ１は光学層３３１の分散特性（屈折率の波長
依存性）を反映して波長毎に異なった方向に屈折し（分
光され）、光束Ｌ２となる。光束Ｌ２は、導電層３１２
によって反射されて光束Ｌ３となって受光部４０に入射
する。プリズム部３３は、その支持部３２と一端で接続
され、その他端が支持部３２に接続されていない自由端
を有する。即ち、プリズム部３３は自由端側を基板部３
１の面に対して垂直な方法に移動することができる片持
ち梁（カンチレバー）として機能する。具体的には、透
明導電層３３２と導電層３１２間に電圧を印加すること
で、その間に発生する静電力により自由端を上下に移動
させることができる。分光制御部６０は、透明導電層３
３２と導電層３１２間の電圧を制御することで、プリズ
ム部３３の位置を制御し、分光部３０の分光特性を制御
する。なお、この制御の詳細は後述する。

【００１５】ラインセンサ４２は、光を受光する微細な
受光素子４２１（ｉ）を直線上に複数配列して構成され
る。ラインセンサ４２には、プリズム部３３で分光され
導電層３１２で反射された光束Ｌ３が入射する。光束Ｌ
３が分光されていることから、ラインセンサ４２は光の
スペクトルが入射することになる。即ち、ラインセンサ
４２の各受光素子４２１（ｉ）のそれぞれに波長の異な
った光が入射することにより、光束Ｌ３のスペクトルが
測定される。色彩判定部７０は、ラインセンサ４２で測
定されたスペクトルの情報を基に、光束Ｌ１の色彩、ひ
いてはカラーバーコード２１の色彩判定領域２２内の色
彩を判定する。このとき分光制御部６０からプリズム部
３３の位置情報が送られ、色彩の判定に用いられる。な
お、この詳細は後述する。

【００１６】（スキャナ１０の動作）スキャナ１０によ
るカラーバーコード２１の読み取りは次のようにして行
われる。白色光源１２から発せられた白色光Ｌ０がカラ
ーバーコード２１に照射される。照射された白色光Ｌ０
はカラーバーコード２１によって反射され、カラーバー
コード２１の色彩を反映するスペクトルを有する反射光
Ｌｒとなる。スキャナ１０は、レンズ１３によってカラ
ーバーコード２１の色彩判定領域２２に焦点を合わせ、
反射光Ｌｒのうちこの色彩判定領域２２から反射された
局所光Ｌｒｏのみを受光する。

【００１７】局所光Ｌｒｏはレンズ１３，１４を通過
し、光束Ｌ１となってプリズム部３３に斜めに入射し、
その上面３３３から１側面３３４へと透過すし、光束Ｌ
２となる。この透過の際に光学層３３１の波長分散特性
（屈折率の波長依存性）を反映して、波長毎に異なった
角度に屈折する。即ち、光束Ｌ２は波長毎に異なる方向
を有する微細な光束の集合体である。光束Ｌ３は導体層
３１２によって反射され光束Ｌ３となってラインセンサ
４２に入射する。この光束Ｌ３は、光束Ｌ２と同様に、
波長毎に異なった進行方法を有する微細な光束の集合体
である。光束Ｌ３がラインセンサ４２に入射すること
で、個々の受光素子４２１（ｉ）には異なる波長の光が
入射し、光のスペクトルが測定される。図３に光のスペ
クトルＳＰとラインセンサ４２の対応関係を表す。ここ
で、スペクトルＳＰは横方向が光の波長、縦方向が光の
強度を表す曲線である。このようにラインセンサ４２に
よって測定された光のスペクトルＳＰの情報に基づき、
色彩判定部７０で演算を行うことで、色彩判定領域２２
内の色彩を判定できる。そして、スキャナ１０を手でカ
ラーバーコード２１に沿って移動することで、カラーバ
ーコード２１の色彩、その色彩の幅Ｗを読み取ることが
できる。

【００１８】分光部３０で精度良く分光を行うにはプリ
ズム部３３に入射する光束Ｌ１が平行光であることがよ
り好ましい。このためにはプリズム部３３の手前にスリ
ットおよびレンズを、ラインセンサ４２の手前にレンズ
を配置することが考えられる。光束Ｌ１をスリットで絞
りこれをレンズで平行光に変換しプリズム部３３に入射
させる。プリズム部３３で分光され出射した光束は導体
層３１２で反射され、ラインセンサ４２の手前に設置さ
れたレンズによってラインセンサ４２上に焦点を結ぶ。
即ち、スリットを通過した光が波長に分解され、ライン
センサ４２上でスペクトル像を形成する。このようにし
て、分光部３０での波長分解性能をより向上できる。

【００１９】次に、プリズム部３３の上下動による分光
特性の変化を説明する。図４は、プリズム部３３と導体
層（反射層）３１２の反射面３１４における光束Ｌ１の
屈折および反射の状態を表した模式図であり、ここでは
プリズム部３３と導体層３１２上の反射面３１４を簡略
化して表している。以下、単純化のために光束Ｌ１が所
定の幅を有する平行光であるとして説明する。プリズム
部３３と導体層３１２の間隔Ｄは透明導電層３３２と導
体層３１２に電圧を印加することで制御できる。透明導
電層３３２と導体層３１２間への電圧印加により、その
間に静電引力が働きプリズム部３３が撓み、間隔Ｄが小
さくなる。この間隔Ｄは電圧に応じて働く静電引力とプ
リズム部３３の弾性力のバランスによって決定される。

【００２０】間隔Ｄが変化するとプリズム部３３を通過
する光束Ｌ１の幅ｔ１が変化する。例えば、間隔Ｄを大
きく変化させて光束Ｌ１がプリズム部３３を全く通過さ
せないこともできるし、一方プリズム部３３の上面３３
３の幅一杯に光束Ｌ１を入射させることもできる。プリ
ズム部３３を通過する光束Ｌ１の幅ｔ１が狭くなると、
この幅を通過する光の回折が問題になる。このような回
折によってプリズムによる分光の波長分解能λ／ｄλの
限界が決定される。光束Ｌ１がプリズム部３３の上面３
３３に幅ｔ１で入射し、プリズム部３３内を通過する光
束の最大長をｔｍａｘとしたとき、プリズム部３３によ
る波長分解能λ／ｄλは次の式で与えられる。 λ／ｄλ＝ｔｍａｘ・（ｄｎ／ｄλ） …… 式（１） ここで、ｎ：屈折率 ｄｎ／ｄλ：屈折率の波長による変化率（分散率） である。

【００２１】以上は、光束Ｌ１が平行光とした場合であ
る（このとき、光束Ｌ３がさらにレンズでラインセンサ
４２上に収束される）。これに対して、反射面３１４と
ラインセンサ４２間に集光手段を設けず、光束Ｌ１がラ
インセンサ４２上にそのまま収束される場合には、プリ
ズム部３３を通過する光束Ｌ１の幅ｔ１の変化によっ
て、光量を絞り焦点深度を変化できる効果が加わる。光
量を絞ることにより、ラインセンサ４２上に投影された
色彩判定領域２２の像をより鮮明にし、より精度の良い
分光測定が可能となる。このように間隔Ｄを変化するこ
とによって分光特性が制御される。色彩判定部７０は、
この分光特性を加味して、色彩の判定を行う。

【００２２】（分光部３０の製造工程）次に分光部３０
の製造工程を説明する。図５は、分光部３０の製造工程
を表すフロー図であり、図６〜１３は、各工程における
分光部３０の状態を表す断面図である。 （１）シリコン基板１００に導体層たるＴｉ層１０１を
１μｍ，透明保護層たるＳｉ_３Ｎ_４層１０２を０．２μ
ｍ順に成膜する（図６およびステップ１１）。ここでシ
リコン基板１００にはアルミナをドープしたものを用
い、成膜にはスパッタリング法を用いる。なお、シリコ
ン基板１００の抵抗が０．２Ω以下のときにはシリコン
基板１００自体で電気伝導性が充分であるため、Ｔｉ層
１０１の成膜は不要である。

【００２３】（２）ＬＰＣＶＤ（減圧Chemical Vapor D
eposition）法等で接続層および犠牲層たるポリシリコ
ン層１０３を成膜し（図７およびステップＳ１２）、さ
らに光学層たるＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボ
ン）層１０４を２５μｍ以上成膜する（図８およびステ
ップＳ１３）。 （３）さらにＡｌ層１０５を０．８μｍ程度成膜し（図
９およびステップＳ１４）、これをフォトリソグラフィ
等でパターニングしマスクを形成知る（図１０およびス
テップＳ１５）。このパターニングにはウエットエッチ
ングを利用することができる。

【００２４】（４）Ａｌ層１０５をマスクとして、ＤＬ
Ｃ層１０４のイオンビームエッチングを行う（図１１
（Ａ）〜（Ｃ）およびステップＳ１６）。イオンビーム
エッチングには酸素イオンのビームを用い、酸素イオン
を３方向から順に照射することで、プリズム部３３の三
角柱の形状がほぼ形成される。但し、この時点では、プ
リズム部３３は基板部３１とポリシリコン層１０３で接
続されている。

【００２５】（５）ポリシリコン層１０３をＫＯＨ等に
よるウエットエッチングに行うことにより、プリズム部
３３（ＤＬＣ層１０４）と基板部３１（Ｓｉ_３Ｎ_４層１
０２）とが切り離される（図１２およびステップＳ１
６）。即ち、ポリシリコン層１０３は、基板部３１の上
面から切り離されたプリズム部３３を形成するための犠
牲層であると共に、基板部３１と支持部３２とを接続す
る接続層として機能する。 （６）さらに透明導電層たるＩＴＯ層１０６を成膜する
（図１３およびステップＳ１７）。この成膜は、例えば
スパッタリング法によって行い、膜厚５００ｎｍ程度の
ＩＴＯ層１０６が形成される。 以上のようにして分光部３０が形成される。さらに分光
部３０に受光部４０を接続することで、分光部３０と受
光部４０が一体となった一体構造が形成される。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば光
の分光を行う小型、軽量な光学装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る光学装置の１例としてのスキャ
ナを用いてカラーバーコードを読み取る状態を表す斜視
図である。

【図２】 図１に示した一体化された分光部と受光部と
を表す斜視図および一部断面図である。

【図３】 光のスペクトルＳＰとラインセンサ４２の対
応関係を表す模式図である。

【図４】 プリズム部と反射面における光束の屈折およ
び反射の状態を表した模式図である。

【図５】 図１、２に示した分光部の製造工程を表すフ
ロー図である。

【図６】 製造工程中における分光部の状態を表す断面
図である。

【図７】 製造工程中における分光部の状態を表す断面
図である。

【図８】 製造工程中における分光部の状態を表す断面
図である。

【図９】 製造工程中における分光部の状態を表す断面
図である。

【図１０】 製造工程中における分光部の状態を表す断
面図である。

【図１１】 製造工程中における分光部の状態を表す断
面図である。

【図１２】 製造工程中における分光部の状態を表す断
面図である。

【図１３】 製造工程中における分光部の状態を表す断
面図である。

【符号の説明】

１０ スキャナ １１ 筐体 １２ 白色光源 １３、１４ レンズ ２０ シート ２１ カラーバーコード ２２ 色彩判定領域 ３０ 分光部 ３１ 基板部 ３１１ 基板 ３１２ 導電層 ３１２ 導体層 ３１３ 透明保護層 ３１４ 反射面 ３２ 支持部 ３２１ 接続層 ３２２ 光学層 ３２３ 透明導電層 ３３ プリズム部 ３３１ 光学層 ３３２ 透明導電層 ３３３ 上面 ３３４ 側面 ４０ 受光部 ４１ 基板 ４２ ラインセンサ ４２１ 受光素子 ４３ 接続部 ５０ 光源駆動部 ６０ 分光制御部 ７０ 色彩判定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G020 AA08 CB26 CB36 CB43 CC13 CC15 CC55 CC63 CD03 CD06 CD12 DA02 DA03 DA12 DA22 DA42 DA66 2H042 CA07 CA15 2H048 GA04 GA09 GA14

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 前記基板から離間して配置された光学層から形成され、
   入射した光を分光する分光部と、 前記基板に接続され、前記分光部を支持する支持部と、
   を具備することを特徴とする光学装置。
2. 【請求項２】 前記分光部が分光プリズムを有すること
   を特徴とする請求項１記載の光学装置。
3. 【請求項３】 前記分光部が、前記支持部に接続されて
   いない自由端を有することを特徴とする請求項１記載の
   光学装置。
4. 【請求項４】 前記基板が第１の導電層を、前記分光部
   が第２の導電層をそれぞれ有し、 前記光学装置が、前記第１の導電層と前記第２の導電層
   との間に電圧を制御して印加する電圧制御手段をさらに
   具備することを特徴とする請求項２記載の光学装置。
5. 【請求項５】 前記分光部によって分光された光を受光
   して、前記分光部に入射した光のスペクトル情報を取得
   する受光部をさらに具備することを特徴とする請求項１
   記載の光学装置。
6. 【請求項６】 前記受光部が、複数の受光素子を直線状
   に配列したラインセンサを有することを特徴とする請求
   項５記載の光学装置。
7. 【請求項７】 前記受光部が取得した前記スペクトル情
   報に基づき、前記分光部に入射した光の色彩を判定する
   色彩判定部をさらに具備することを特徴とする請求項５
   記載の光学装置。
8. 【請求項８】 前記基板が、前記分光部によって分光さ
   れた光を反射して前記受光部に出射する反射面を有する
   ことを特徴とする請求項５記載の光学装置。
9. 【請求項９】 測定対象の局所的な領域から発せられた
   光を取り込む光取り込み手段をさらに具備することを特
   徴とする請求項１記載の光学装置。
10. 【請求項１０】 前記測定対象に白色光を照射する白色
    光源部をさらに具備することを特徴とする請求項９記載
    の光学装置。