JP2009251105A

JP2009251105A - 光学フィルタ装置

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Publication number: JP2009251105A
Application number: JP2008096176A
Authority: JP
Inventors: 圭二 ▲高▼橋; Keiji Takahashi; Tsukasa Funasaka; 司舩坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-02
Also published as: JP5564759B2

Abstract

【課題】性能の低下を抑制できる光学フィルタ装置を提供する。
【解決手段】光学フィルタ装置は、ギャップを介して対向する一対のミラーを有するエタロン素子を備え、ミラーは、炭素を含有する銀の合金膜を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、エタロン素子を備える光学フィルタ装置に関する。

入射した光のうち目標波長の光を選択して射出する光学フィルタ装置として、エタロン素子を備える光学フィルタ装置が知られている。エタロン素子は、ギャップを介して対向する一対のミラーを有する。下記特許文献には、光学フィルタ装置に関する技術の一例が開示されている。
特開２０００−３２９９３１号公報特開２００７−０８６５１７号公報

例えばミラーの耐久性が不十分であったり、ミラーと下地との密着性が不十分であったりすると、光学フィルタ装置の性能が低下する可能性がある。

本発明は、性能の低下を抑制できる光学フィルタ装置を提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、ギャップを介して対向する一対のミラーを有するエタロン素子を備え、前記ミラーは、炭素を含有する銀の合金膜を含む光学フィルタ装置が提供される。

本発明の態様によれば、エタロン素子のミラーが、炭素を含有する銀の合金膜を含むので、ミラーの耐久性を高めたり、ミラーと下地との密着性を高めたりすることができる。したがって、光学フィルタ装置の性能の低下を抑制できる。

本発明の態様において、前記銀に対する前記炭素の含有率は、１〜３０％（atomic％）であることが望ましく、１〜１０％（atomic％）であることがより望ましい。これにより、所望の性能のミラーを形成できる。炭素の含有率が少ない場合、十分な耐久性及び密着性を得ることができない。一方、炭素の含有率が多い場合、例えば所望の反射特性（反射率）が得られない。炭素の含有率を１〜３０％、より望ましくは１〜１０％とすることによって、所望の反射特性を維持しつつ、耐久性及び密着性を得ることができる。

本発明の態様において、前記ミラーは、前記合金膜で形成された単層膜であってもよいし、誘電体多層膜と、前記誘電体多層膜の最も表層を覆う前記合金膜とを含むものであってもよい。いずれの場合も、光学フィルタ装置の性能の低下を抑制できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。水平面内の所定方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。

＜第１実施形態＞
第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光学フィルタ装置１の一例を示す側断面図、図２は、図１の平面図である。

図１及び図２において、光学フィルタ装置１は、ギャップＧを介して対向する一対のミラー２（２Ａ、２Ｂ）を有するエタロン素子３を備えている。エタロン素子３は、干渉作用により、入射した光のうち、所定波長の光（干渉光）を射出する。一方のミラー２Ａと他方のミラー２Ｂとの間のギャップＧに光が入射すると、干渉作用により、ギャップＧの大きさに応じた波長の光だけがエタロン素子３より射出される。すなわち、エタロン素子３から射出される光の波長は、ギャップＧの大きさに応じて変化する。

エタロン素子３は、一方のミラー２Ａを支持する第１基板１４と、他方のミラー２Ｂを支持する第２基板１５とを有する。第１基板１４は、第２基板１５と対向する表面１４Ａを有する。第２基板１５は、第１基板１４と対向する表面１５Ａを有する。一方のミラー２Ａは、第１基板１４の表面１４Ａの一部に配置されている。他方のミラー２Ｂは、第２基板１５の表面１５Ａの一部に配置されている。第１、第２基板１４、１５は、光透過性である。また、本実施形態において、第１、第２基板１４、１５は、絶縁性である。本実施形態において、第１、第２基板１４、１５は、例えばガラスで形成されている。第１、第２基板１４、１５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、ホウケイ酸ナトリウムガラス、無アルカリガラス等の各種ガラスで形成可能である。

本実施形態において、第１基板１４は、第１部分１４Ｃ及び第１部分１４Ｃより薄い第２部分１４Ｄを有する。厚みが薄い第２部分１４Ｄは、弾性（可撓性）を有し、変形可能（変位可能）である。第２部分１４Ｄが設けられることによって、第１基板１４は、僅かに変形可能である。以下の説明において、第２部分１４Ｄを適宜、ダイヤフラム部１４Ｄ、と称する。第１基板１４が変形することによって、Ｚ軸方向に関する第１基板１４の表面１４Ａと第２基板１５の表面１５Ａとの距離が変化する。第１基板１４が変形することによって、表面１４Ａに配置されている一方のミラー２Ａと、表面１５Ａに配置されている他方のミラー２ＢとのギャップＧの大きさが変化する。

以下の説明において、変形可能な第１基板１４に支持されている一方のミラー２Ａを適宜、可動ミラー２Ａ、と称し、第２基板１５に支持されている他方のミラー２Ｂを適宜、固定ミラー２Ｂ、と称する。

また、光学フィルタ装置１は、ギャップＧの大きさを調整するために、第１基板１４を変形可能な駆動素子１６を備えている。上述のように、ダイヤフラム部１４Ｄを含む第１基板１４は、変形可能である。第１基板１４を変形させることによって、可動ミラー２Ａが移動する。可動ミラー２Ａが移動することによって、ギャップＧの大きさが変化する。

本実施形態において、駆動素子１６は、第１、第２基板１４、１５に配置され、静電力を発生可能な電極１６Ａ、１６Ｂを含む。一方の電極１６Ａは、第１基板１４の表面１４Ａに配置され、他方の基板１６Ｂは、第２基板１５の表面１５Ａに配置される。一方の電極１６Ａと他方の電極１６Ｂとは対向する。電極１６Ａは、表面１４Ａにおいて、可動ミラー２Ａの周囲に配置されている。電極１６Ｂは、表面１５Ａにおいて、固定ミラー２Ｂの周囲に配置されている。本実施形態においては、表面１４Ａ、１５Ａとほぼ平行なＸＹ平面内において、電極１６Ａ、１６Ｂは、ほぼ円環状である。

電極１６Ａ、１６Ｂを形成する材料としては、導電性であれば特に限定されず、例えば、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔｉなどの金属、カーボン、チタン等を分散した樹脂、多結晶シリコン（ポリシリコン）、アモルファスシリコン等のシリコン、窒化シリコン、ＩＴＯのような透明導電材料、Ａｕ等が挙げられる。

電極１６Ａは、引き出し配線１７Ａ及び配線を介して、電源（不図示）と接続されている。電極１６Ｂは、引き出し配線１７Ｂ及び配線を介して、電源と接続されている。電源は、電極１６Ａ、１６Ｂに電圧を印加する。電源により、電極１６Ａと電極１６Ｂとの間に電位差が生じる。

電極１６Ａ、１６Ｂに電圧が印加されることにより、電極１６Ａと電極１６Ｂとの間に、印可される電圧（電位差）に応じた静電力が発生する。電極１６Ａ、１６Ｂに電圧が印加され、電極１６Ａと電極１６Ｂとの間に静電力が発生することによって、第１基板１４が変形する。第１基板１４が変形することによって、ギャップＧの大きさが調整される。

上述のように、エタロン素子３から射出される光の波長は、ギャップＧの大きさに応じて変化する。ギャップＧの大きさは、電極１６Ａと電極１６Ｂとの間の電位差に基づいて電極１６Ａと電極１６Ｂとの間に発生する静電力によって調整される。したがって、電極１６Ａ、１６Ｂに印加される電圧が調整され、ギャップＧの大きさが調整されることによって、エタロン素子３から射出される光の波長が調整される。本実施形態においては、エタロン素子３から射出される光が目標波長の光を含むように、電極１６Ａ、１６Ｂに印加される電圧が調整される。

なお、電極１６Ａ、１６Ｂを複数設け、それら複数の電極１６Ａ、１６ＢをＸＹ平面内において複数の位置に配置し、各電極１６Ａ、１６Ｂ間の電位差（静電力）をそれぞれ調整することによって、第２基板１５に対して第１基板１４を傾斜させることもできる。

本実施形態において、ミラー２（２Ａ、２Ｂ）は、炭素を含有する銀の合金膜である。本実施形態においては、ミラー２は、炭素を含有する銀の合金膜で形成された単層膜である。本実施形態において、ミラー２は、銀に所定量の炭素を添加した材料で形成されている。

銀は、反射率が高く、所望の反射率を有するミラー２を形成できる材料である。しかし、ミラーを純銀（銀１００％）で形成すると、耐腐食性が低下する等、ミラーは十分な耐久性を得られなくなる可能性がある。また、変色等により、ミラーの反射率が低下する可能性もある。また、ミラーがガラス基板上に形成される場合において、ミラーを純銀（銀１００％）で形成すると、ミラーとガラス基板との十分な密着性を得られなくなる可能性がある。

本実施形態によれば、エタロン素子３のミラー２が、炭素を含有する銀の合金膜なので、ミラー２の耐久性（耐腐食性）を高めることができる。また、ミラー２と第１、第２基板１４、１５との密着性を高めることができる。したがって、光学フィルタ装置１の性能の低下を抑制できる。

本実施形態において、銀に対する炭素の含有率は、１〜３０％であることが望ましく、１〜１０％であることがより望ましい。これにより、所望の性能のミラー２を形成できる。炭素の含有率が１％未満の場合、ミラー２は、十分な耐久性及び密着性を得ることができない。一方、炭素の含有率が多い場合、ミラー２は、例えば所望の反射特性（反射率）が得られない等、光学性能が低下する可能性がある。炭素の含有率を１〜３０％、より望ましくは１〜１０％とすることによって、ミラー２は、所望の光学性能を維持しつつ、耐久性及び密着性を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、エタロン素子３のミラー２が、炭素を含有する銀の合金膜を含むので、ミラー２の耐久性を高めたり、ミラー２と第１、第２基板１４、１５との密着性を高めたりすることができる。したがって、光学フィルタ装置１の性能の低下を抑制できる。

また、ミラー２の耐久性が向上するので、例えばエタロン素子３の製造時においても、ミラー２の劣化が抑制される。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図３は、第２実施形態に係るミラー２０を示す図である。図３に示すように、第２実施形態に係るミラー２０は、誘電体多層膜３０と、誘電体多層膜３０の最も表層を覆う合金膜２Ｇとを有する。合金膜２Ｇは、炭素を含有する銀の合金膜である。合金膜２Ｇは、炭素を含有する銀の合金膜で形成された単層膜である。合金膜２Ｇは、銀に所定量の炭素を添加した材料で形成されている。本実施形態において、銀に対する炭素の含有率は、１〜３０％であることが望ましく、１〜１０％であることがより望ましい。

誘電体多層膜３０は、高屈折率層３１と低屈折率層３２とが交互に複数積層された多層膜である。

エタロン素子３を可視光領域、赤外光領域で用いる場合、高屈折率層３１を形成する材料として、例えばＴｉ_２Ｏ、Ｔａ_２Ｏ_５、酸化ニオブ等が挙げられる。エタロン素子３を紫外光領域で用いる場合、高屈折率層３１を形成する材料として、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｈＯ_２等が挙げられる。低屈折率層３２を形成する材料として、例えばＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２等が挙げられる。

高屈折率層３１及び低屈折率層３２の層数、厚さは、必要とする光学特性に応じて設定される。一般に、多層膜により反射膜を構成する場合、その光学特性を得るために必要な層数は１２層以上であり、多層膜により反射防止膜を構成する場合、その光学特性に必要な層数は４層程度である。

本実施形態によれば、誘電体多層膜３０の最も表層を、炭素を含有する銀の合金膜２Ｇで覆うので、ミラー２０の耐久性（耐腐食性）を高めることができる。また、ミラー２０が誘電体多層膜３０を含むので、ミラー２０の透過特性が向上する。また、合金膜２Ｇと誘電体多層膜３０との密着性は良好である。したがって、光学フィルタ装置１の性能の低下を抑制できる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図４は、第３実施形態に係るミラー２０Ｂを示す図である。第３実施形態に係るミラー２０Ｂは、第２実施形態に係るミラー２０の変形例である。第２実施形態に係るミラー２０と異なる第３実施形態に係るミラー２０Ｂの特徴的な部分は、保護膜４０が設けられている点にある。

図４に示すように、第２実施形態に係るミラー２０Ｂは、誘電体多層膜３０と、誘電体多層膜３０の最も表層を覆う合金膜２Ｇと、合金膜２Ｇの表面を覆う保護膜４０とを有する。保護膜４０は、合金膜２Ｇ及び誘電体多層膜３０を保護する機能を有する。保護膜４０は、例えばＳｉＯ_２で形成されている。保護膜４０を設けることにより、より一層、ミラー２０Ｂの耐久性が向上される。

＜実験例＞
以下、炭素を含有する銀の合金膜に関して行った評価試験結果について、図５〜図８を参照して説明する。図５は、銀に対する炭素の含有率（atomic％）と、合金膜の比抵抗と、合金膜の熱伝導率との関係を示す。図６は、銀に対する炭素の含有率（atomic％）と、合金膜の反射率との関係を示す。図７は、耐久性試験として、耐塩水試験したときの、銀に対する炭素の含有率（atomic％）と、合金膜の反射率との関係を示す。図８は、耐久性試験として、耐熱試験したときの、銀に対する炭素の含有率（atomic％）と、合金膜の反射率との関係を示す。耐塩水試験は、ＮａＣｌの濃度が１０％の水溶液に、合金膜を１時間浸ける試験である。耐熱試験は、大気中で合金膜を２５０℃で１時間加熱する試験である。

図５は、銀に対する炭素の含有率（atomic％）と、合金膜の比抵抗と、合金膜の熱伝導率との関係を示す図であって、横軸は、銀に対する炭素の含有率であり、縦軸は、合金膜の比抵抗及び熱伝導率である。図５に示すように、炭素の含有率が多くなると、合金膜の比抵抗は上昇し、合金膜の熱伝導率は低下する。

炭素の含有率を３０％程度に抑えることによって、合金膜の比抵抗を、約４〔μΩ・ｃｍ〕程度にすることができ、合金膜の熱伝導率を、約２５５〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕にすることができる。

図６は、銀に対する炭素の含有率（atomic％）と、合金膜の反射率との関係を示す図であって、合金膜の厚みが４００ｎｍの場合と、６００ｎｍの場合とを示す。図６の横軸は、銀に対する炭素の含有率であり、縦軸は、合金膜の反射率である。図６に示すように、炭素の含有率が多くなると、合金膜の反射率が低下する。

炭素の含有率を３０％程度に抑えることによって、厚みが４００ｎｍの場合の合金膜の反射率を、約７０〔％〕程度にすることができ、厚みが６００ｎｍの場合の合金膜の反射率を、約８５〔％〕程度にすることができる。

また、炭素の含有率を１０％程度に抑えることによって、厚みが４００ｎｍの場合の合金膜の反射率を、約８１〔％〕程度にすることができ、厚みが６００ｎｍの場合の合金膜の反射率を、約９４〔％〕程度にすることができる。また、炭素の含有率が０〔％〕の場合の、厚みが４００ｎｍの合金膜の反射率は、約８１〔％〕であり、炭素の含有率が０〔％〕の場合の、厚みが６００ｎｍの合金膜の反射率は、約９５〔％〕である。このように、銀に対する炭素の含有率が１０％以下の合金膜の反射率は、炭素が含有されてない純銀の膜の反射率とほぼ同等である。すなわち、炭素の含有率を１０％以下にすることによって、反射率に関して、純銀の膜とほぼ同等の性能を維持することができる。

図７は、耐久性試験として、耐塩水試験したときの、銀に対する炭素の含有率（atomic％）と、合金膜の反射率との関係を示す図であって、合金膜を塩水に接触させる前の状態と、塩水に接触させた後の状態とを示す。図７の横軸は、銀に対する炭素の含有率であり、縦軸は、合金膜の反射率である。図７に示すように、銀に対する炭素の含有率が０〔％〕の場合、塩水に接触させる前の状態では、反射率が約８１〔％〕であった合金膜が、塩水に接触させた後の状態では、反射率が約７２〔％〕となり、反射率が低下することが分かる。一方、銀に対する炭素の含有率が約１０〔％〕の場合、塩水に接触させる前の状態、及び塩水に接触させた後の状態のそれぞれにおいて、合金膜の反射率は、約８１〔％〕である。すなわち、銀に対する炭素の含有率が０〔％〕の場合、合金膜は、十分な耐久性を得られず、塩水に接触することによって、変色（変質）し、その合金膜の反射率が低下してしまう。銀に対する炭素の含有率を約１０〔％〕にした材料で合金膜を形成することによって、合金膜の耐久性が維持され、塩水に接触した場合でも、合金膜の反射率の低下が抑制される。

図８は、耐久性試験として、耐熱試験したときの、銀に対する炭素の含有率（atomic％）と、合金膜の反射率との関係を示す図であって、合金膜を加熱する前の状態と、加熱した後の状態とを示す。図８の横軸は、銀に対する炭素の含有率であり、縦軸は、合金膜の反射率である。図８に示すように、銀に対する炭素の含有率が０〔％〕の場合、加熱する前の状態では、反射率が約８１〔％〕であった合金膜が、加熱した後の状態では、反射率が約６５〔％〕となり、反射率が低下することが分かる。一方、銀に対する炭素の含有率が約１０〔％〕の場合、加熱する前の状態、及び加熱した後の状態のそれぞれにおいて、合金膜の反射率は、約８１〔％〕である。すなわち、銀に対する炭素の含有率が０〔％〕の場合、合金膜は、十分な耐久性を得られず、加熱することによって、変色（変質）し、その合金膜の反射率が低下してしまう。銀に対する炭素の含有率を約１０〔％〕にした材料で合金膜を形成することによって、合金膜の耐久性が維持され、加熱した場合でも、合金膜の反射率の低下が抑制される。

このように、図６〜図８の評価試験結果より、銀に対する炭素の含有率を１〜１０％程度にした材料で合金膜を形成することによって、純銀の膜と同等の反射率を維持したまま、耐久性を向上することができる。

第１実施形態に係る光学フィルタ装置の一部を拡大した側断面図である。図２の平面図である。第２実施形態に係る光学フィルタ装置の一部を拡大した側断面図である。第４実施形態に係る光学フィルタ装置の一部を拡大した側断面図である。炭素を含有する銀の合金膜に関して行った評価試験結果を示す図である。炭素を含有する銀の合金膜に関して行った評価試験結果を示す図である。炭素を含有する銀の合金膜に関して行った評価試験結果を示す図である。炭素を含有する銀の合金膜に関して行った評価試験結果を示す図である。

符号の説明

１…光学フィルタ装置、２…ミラー、２Ａ…可動ミラー、２Ｂ…固定ミラー、２Ｇ…合金膜、３…エタロン素子、３０…誘電体多層膜、Ｇ…ギャップ

Claims

ギャップを介して対向する一対のミラーを有するエタロン素子を備え、
前記ミラーは、炭素を含有する銀の合金膜を含む光学フィルタ装置。
前記銀に対する前記炭素の含有率は、１〜３０％である請求項１記載の光学フィルタ装置。
前記銀に対する前記炭素の含有率は、１〜１０％である請求項１記載の光学フィルタ装置。
前記ミラーは、前記合金膜で形成された単層膜である請求項１〜３のいずれか一項記載の光学フィルタ装置。
前記ミラーは、誘電体多層膜と、前記誘電体多層膜の最も表層を覆う前記合金膜とを含む請求項１〜３のいずれか一項記載の光学フィルタ装置。