JP2009300689A - 波長選択フィルタおよび光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ帯域の光に対して狭波長帯域の波長を良好に選択でき、選択される波長を変化させることができる波長選択フィルタを実現する。
【解決手段】直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタであって、第１の平板素子１０Ａと、第２の平板素子１０Ｂと、平板素子１０Ａ、１０Ｂの微小間隔を変化させる間隔可変手段１２Ａ、１２Ｂ、１４、１６とを有し、平板素子１０Ａ、１０Ｂは、入射光束に対して所定の角だけ傾けて配置され、第１の平板素子１０Ａの片面に、多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有し、第１の平板素子１０Ａの側から入射光束を入射され、間隔可変手段により平板素子１０Ａ、１０Ｂの微小間隔：ｔを変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択する。
【選択図】図１１

Description

この発明は、波長選択フィルタおよび光学機器に関する。

光速は３×１０¹⁰ｃｍ／秒、即ち３×１０¹⁴μｍ／秒であり、テラは１０¹²である。従ってテラヘルツの波長オーダは「１０²μｍ」前後である。
近来、テラヘルツ帯域、特に「０．３〜３テラヘルツ」の電磁波（以下、電磁波と言わずに「光」と呼ぶ。）が、バイオ・医療・セキュリティ分野などにおける新たなイメージング光源として注目され、「テラヘルツ帯域の光」の発生・検出技術の進歩と相俟って応用分野への研究が進みつつある。

テラヘルツ帯域の光に対しては、通常の可視光に対する各種光学素子をそのまま用いることが困難な場合が多く、波長選択フィルタ等は、テラヘルツ帯域に適合するものを実現する必要がある。

波長選択フィルタとして、極めて狭い波長領域の光を選択的にフィルタリングする「狭波長帯域用の波長選択フィルタ」の実現に対する要請も多い。
テラヘルツ波長帯域の光に対して波長選択性を持つ波長選択フィルタとしては、特許文献１に記載のものが知られているが、そのフィルタリング特性は「かなり広い波長帯域」である。

一方、可視波長帯域の光に対して狭波長帯域のバンドパス特性を持つ波長選択フィルタとしては、特許文献２〜４に記載のものが知られている。特に、特許文献３、４に記載のものは、この発明の波長選択フィルタと同様に、周期構造内での共鳴反射を利用するものであり、可視光の領域では「数ｎｍ以下の極めて狭い波長域の光」だけを反射する狭帯域バンドパス特性を持っている。

特許第３９０４０２９号公報 特開２００５−２７５０８９号公報 特開２００７−１５６２５４号公報 特開２００８−００８９９０号公報

上記の如く、従来知られた狭波長帯域用の波長選択フィルタは「可視波長領域」のものであり、テラヘルツ波長帯域用のものは「狭波長帯域用の波長選択フィルタ」としては必ずしも十分でない。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、テラヘルツ帯域の光に対して良好な「狭波長帯域の波長」を選択でき、テラヘルツ帯域の光に対し「選択される波長を変化させる」ことができる波長選択フィルタの実現を課題とする。
さらに、この発明は上記波長選択フィルタを用いる光学機器の実現を課題とする。

この発明の波長選択フィルタは「直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を、共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタ」である。
この明細書において「テラヘルツ波長帯域は、０．３ＴＨｚ〜３．０ＴＨｚ帯域、波長にして１００μｍ〜１０００μｍの範囲」を指す。

上記の如く、この発明の波長選択フィルタは、入射光束の有するテラヘルツ波長帯域の光のうちから、所望の「狭波長帯域の光を選択して反射させる」ことができる。

請求項１記載の波長選択フィルタは、第１および第２の平板素子と、間隔可変手段とを有する。
「第１の平板素子」は、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明且な平行平板状である。

「第２の平板素子」は、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状であり、第１の平板素子と平行に対向して配置される。

「間隔可変手段」は、第１、第２の平板素子の微小間隔を変化させる手段である。即ち、間隔可変手段は、互いに平行に対向して配置される第１、第２の平板素子の間隔を「０（密着状態）から有限の微小間隔」まで、これらの素子の平行状態を保って変化させる。

互いに平行に配置された第１および第２の平板素子は、入射光束に対して所定の角だけ傾けて配置される。

入射光束に対する「傾け角」は、波長選択フィルタの光学素子としての使用の実際的な形態に応じて適宜に設定できる。

第１、第２の平板素子のうち、少なくとも第１の平板素子の片面に「多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造」を有する。
第１および第２の平板素子を「入射光束に対して所定の角だけ傾け」るのは、これら平板素子の面の法線（微細溝構造を無視して平面と考えた場合の法線）と、微細溝構造における溝配列方向とに平行な面内で行なわれる。

入射光束は「第１の平板素子の側」から入射される。
そして「間隔可変手段により第１、第２の平板素子の微小間隔を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択」する。ここに「共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長」は、反射光のピーク波長を言う。

「狭波長帯域」は、反射光のピーク波長強度の１／２の強度を持つ反射波長帯幅（以下「半値幅」とも言う。）が数μｍ以下であることを言う。

上記の如く、請求項１記載の波長選択フィルタは、第１、第２の平板素子のうち「少なくとも第１の平板素子」の片面に微細溝構造を有するが、微細溝構造を「第１の平板素子の、入射光束が入射する側の面のみ」に形成し、第２の平板素子は「両面を平坦な面」とすることができる（請求項２）。

また、請求項１記載のテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタにおいて「第１および第２の平板素子の、互いに対向する面のみ（即ち、微小間隔を形成する各面のみ）に、微細溝構造を同一方向に形成する」こともできる（請求項３）。
「微細溝構造を同一方向に形成する」とは、これらの面に形成される微細溝構造の溝の長手方向が互いに平行であることを意味する。

上記の如く、請求項１、２に記載の波長選択フィルタでは第１の平板素子に、請求項１、３に記載の波長選択フィルタには第１および第２の平板素子に「微細溝構造」が形成されるが、平板素子における「微細溝構造部分と、微細溝構造が形成される部分（微細溝構造を保持する部分）」とは別の材料であることも「同一の材料である」こともできる。

平板素子の作製の面からすると、微細溝構造部分と「微細溝構造が形成される部分」とを同一材料とすることが好ましい。
微細溝構造部分と「微細溝構造が形成される部分」とが異なる材料で形成される場合も同一材料である場合も含めて、第１、第２の平板素子は同一材料であることができる。

請求項２記載の場合で言えば、第１の平板素子の「微細溝構造を形成される部分」と第２の平板素子の材料が同一で、微細溝構造部分が異なる材料であっても良いし、第１の平板素子の微細溝構造部分と「微細溝構造部を形成される部分」と第２の平板素子とが互いに異なる材料で構成されてもよく、あるいは第１の平板素子における「微細溝構造を形成される部分」に対して、微細溝構造部分と第２の平板素子とが同一材料であってもよい。

請求項３記載のように、第１、第２の平板素子が何れも微細溝構造を有する場合には、各平板素子における微細溝構造部分と「微細溝構造が形成される部分」とは、最大４種の材料の組合せで実現できる。

しかしながら、第１、第２の平板素子の作製の容易さの面からすると、これらを同一材料で形成することが好ましい。

平板素子の厚さは「平板素子が微細溝構造を有する場合には、微細溝構造を含む厚さ」即ち、微細溝構造部分の厚さと「微細溝構造を形成される部分」の厚さの和である。

第１の平板素子と第２の平板素子の厚さは、互いに同一であっても良いし異なっていても良い。

なお、上記の「第１、第２の平板素子の間隔変化により、共鳴反射光のピーク波長が変化する現象」は、発明者らが研究を通じて新たに得た知見である。

請求項４記載の「テラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタ」は、平板素子と、回転傾斜駆動手段とを有する。

「平板素子」は、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状で、入射光束が入射する側の面に、多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有する。
「回転傾斜駆動手段」は、この平板素子を、微細溝構造の溝に平行な軸の回りに回転傾斜させる手段である。即ち、回転傾斜駆動手段により、平板素子は回転して入射光束に対して傾斜する。

「回転傾斜駆動手段による平板素子の回転傾斜により、入射光束の微細溝構造への入射角を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択」する。

即ち、請求項１〜４の任意の１に記載の波長選択フィルタは「反射させる狭波長帯域の光（テラヘルツ領域の光）の波長を変化させる」ことができる。

この発明の光学素子は、上記請求項１〜４の任意の１に記載のテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタを有する光学機器である（請求項５）。

上記の如く、この発明は、微細溝構造を形勢された平板素子による共鳴反射を利用するものであるので、以下に、微細溝構造を有する平板素子による共鳴反射と、その特性について簡単に説明する。

図１は「微細溝構造を形成された平板素子」を説明図的に示している。
平板素子は、平行平板状であって全体が「同一材料による均質な構造」をもち、符号ＧＤで示す部分と、符号ＦＳで示す部分とを有している。
符号ＧＤで示す部分は「導波層」であり、図の如く厚さ：ｔ２を有する。
符号ＦＳで示す部分は「微細溝構造」をなす部分で、図の如く「グレーティング層」と呼ばれる。グレーティング層ＦＳは図に示すように厚さ：ｔ１を有する。
導波層ＧＤは上の説明で「微細溝構造を形成される部分」に相当する。

図１の平板素子においては「導波層ＧＤの厚さ：ｔ２と、グレーティング層ＦＳの厚さ：ｔ１との和：（ｔ１＋ｔ２）」が平板素子の厚さである。

グレーティング層ＦＳは、図示の断面形状（矩形波状の断面形状）が、図面に直交する方向へ均一に連続し、溝を図の左右方向へ一定ピッチで形成した「微細溝構造」である。

この微細溝構造に関連して、微細溝の配列ピッチを「Ｐ」とし、凸部の幅（ランド幅という。）を「Ｌ」とする。
このとき、ＬとＰとの比：Ｌ／Ｐは「フィリングファクタ（ＦＦと略記する。）と呼ばれ、後述する「反射率の計算」にパラメータとして用いられる。

図１に示す平板素子に対して、直線偏光状態の光を入射させたときの共鳴反射の特性は偏光方向により異なる。
ここでは偏光方向の代表的な２例として、図の左右方向即ち、微細溝構造における「溝のピッチの方向」の偏光をＴＭ偏光、図面に直交する方向の偏光をＴＥ偏光と称する。このとき共鳴反射される反射波長は入射光の偏光方向によって異なる。

一般的に言って、ＴＭ偏光の光の方がＴＥ偏光方向の光に比べて共鳴反射される光の半値幅が狭い。以下では、ＴＥ偏光の光を図１の如く、図の上方から入射させる場合について説明する。

図１の平板素子に、グレーティング層ＦＳの側から入射したＴＥ偏光の光は、グレーティング層ＦＳの周期性により回折される。
回折された回折波が「導波層ＧＤ内を伝搬する導波条件」を満たすとき、回折波はグレーティング層ＦＳと再結合し、入射光に対して「鏡面反射の方向」に回折波（反射波）を生じる。

一方「導波条件を満足しない回折波」は導波層ＧＤを導波できず、平板素子を厚み方向に透過する。「導波条件を満足する回折波による反射波」は、反射効率：略１００％となる。
即ち、図１の平板素子は「導波条件を満足する波長の光を選択的に高効率で反射させる波長選択フィルタ」として機能する。
このとき「高効率で反射される光の波長」は、平板素子の材質や形態により平板素子ごとに定まる。

図１に示した平板素子による反射光の波長や半値幅（反射光のピーク波長強度の１／２の強度を持つ反射波長帯幅）は、グレーティング層ＦＳと導波層ＧＤの「構造パラメータ（上記ピッチ：Ｐ、ランド幅：Ｌ、厚さ：ｔ１、ｔ２、屈折率）」の調節によりコントロール可能である。

以下、これらパラメータのうち、ピッチ：Ｐ、ランド幅：Ｌ、厚さ：ｔ１を個別に変化させたときの反射光の変化について、シミュレーションにより具体的に説明する。
テラヘルツ帯での屈折率１．５２、厚さ：２０μｍの「Ｚｅｏｎｏｒフィルム（商品名：日本ゼオン社製樹脂フィルム）」の片面に、図１に示す如く「断面矩形波状の微細溝構造」を形成して平板素子とした。

上記パラメータは以下の通りである。

ピッチ：Ｐ＝１８０μｍ
フィリングファクタ：ＦＦ＝０．５
グレーティング層ＦＳの厚さ：ｔ１＝１０μｍ
導波層ＧＤ厚：ｔ２＝１０μｍ 。

入射光束はテラヘルツ帯域の光を「平行光束」とした。この平行光束を、図１の如くグレーティング層ＦＳの側からＴＥ偏光状態で直交入射させる条件とした。上記パラメータは「波長：１８８μｍで共鳴反射する」ように設計したものである。

シミュレーションの計算は、周知の計算アルゴリズム「ＲＣＷＡ(Rigorous Coupled Wave Analysis)」を用いて上記の条件で行なった。この計算アルゴリズムは、回折格子についての「電磁気的な厳密計算手法」であり、回折効率を正確に求めるための方法として従来から用いられている。

図２は、計算結果として得られた「分光反射率特性」である。横軸は波長をμｍ単位で表し、縦軸は反射率を表している。
図２から明らかなように、反射光は波長：１８８μｍで反射率のピーク値：略１を持ち、半値幅は約１μｍである。即ち、半値幅はピーク波長（反射率のピークを与える波長）：１８８μｍに対してその０．５％程度と極めて狭く、ピーク波長近傍以外の波長に対する反射率は０．１以下と小さい。
この結果から、平板素子が「狭帯域の波長選択フィルタ」として機能し、非共鳴反射光の反射率が低いことが分かる。

反射光のピーク波長は、グレーティング層のピッチ：Ｐに依存する。
図３は、グレーティング層ＦＳのピッチ：Ｐを、１８０μｍ（これは上に説明した場合である。）、２００μｍ、２２０μｍとした場合の分光反射特性を示している。この図に示すように、ピッチ：Ｐが異なると「反射光のピーク波長」が異なる。

図４は図３に示した「反射光のピーク波長」の、ピッチ：Ｐに対する依存性を示すグラフである。この図から明らかなように、ピッチ：Ｐの増大により反射光のピーク波長を長波長側へシフトさせることができる。

パラメータとしてのグレーティング層ＦＳの厚さ：ｔ１は、共鳴反射の反射光のピーク波長と半値幅に影響する。
グレーティング層ＦＳの厚さ：ｔ１を、１０μｍ（これは上に説明した場合である。）、２０μｍ、３０μｍとしたときの分光反射特性を図５に示す。図５は、グレーティング層の厚さ：ｔ１の変化により反射光のピーク波長と半値幅が変化する様子を示している。

図６は図５の場合の「半値幅のグレーティング層の厚さ：ｔ１に対する依存性」を示すグラフであり、厚さ：ｔ１（横軸）が大きくなるに従い、半値幅（縦軸）が広がることがわかる。

図示されていないが、導波層ＧＤの厚さ：ｔ２を変化させると「導波層の厚さが大きくなるに従い、半値幅が狭くなる」ことが知られた。

上に説明した例では、平板素子に対してテラヘルツ帯域の平行光束を直交入射させた場合であるが、共鳴反射による反射光のピーク波長は、平板素子への入射光束（平行光束）の入射角によっても変化する。

前記のパラメータを持つ平板素子に対し、直交入射の場合を基準とし（入射角：０度）とし、入射角を、ピッチ：Ｐの方向（図１に示す面内）において５度および１０度に変化させたときの分光反射特性を図７に示す。
入射角が大きくなると、入射角：０度のときのピーク波長を中心に、長波長側と短波長側それぞれに２本のピークが生じる。
図８は、反射光のピーク波長の入射角に応じた変化を示すものであり「入射角を大きくするにつれてピーク波長が線形に変化する」ことを示している。
この変化において「ピーク波長を与える反射光の半値幅」は一定である。
請求項４にかかる発明では上記の性質を利用する。請求項１〜３にかかる波長選択フィルタにおける波長選択の原理、即ち、ピーク波長を変化させる原理は、請求項４の波長選択フィルタの「波長選択のメカニズム」とは異なる。

さらに付言すると、図１には「グレーティング層ＦＳを構成する微細溝構造」は、断面矩形波形状であるが、微細溝構造の断面形状は矩形波形状に限らず「光束入射側に向って細くなる台形形状や三角形状」でもよい。
このような台形や三角形の断面形状を持つ微細溝構造では「光束入射時の屈折率変化が緩やか」となり、フレネル反射を有効に低減させることができ「非反射波長の反射率」をより抑制可能である。

共鳴反射における入射光束の偏光方向の影響について説明しておく。
上に示したパラメータを持つ平板素子に「直線偏光した平行光束」を直交入射させる場合において、グレーティング層の溝方向（入射方向とピッチ：Ｐの方向とに直交する方向、図１において図面に直交する方向）と入射光束の偏光方向が同一のとき（入射光束がグレーティング層ＦＳに対してＴＥ偏光である状態）を偏光方向：０度とし、偏光方向を反時計回りに１５度刻みで９０度まで回転させたときの反射分光特性を図９に示す。

偏向方向の回転角：β（図中に「偏光方向β度」と表示）が増大するにつれ、反射光のピーク強度は漸減する。回転角の増大によるピーク強度の漸減の様子を図１０に示す。

図１０の縦軸は、溝方向に対する偏光方向（横軸 回転角：βに対応する。）に対するピーク強度の変化を、反射光のピーク波長において「β＝０度のときの反射率」を１００％として示すものであり、回転角：β（横軸「偏光方向」）の増大とともに減少する。

以上に説明したように、この発明によればテラヘルツ波長帯域で「狭帯域の波長選択」を行い、選択する波長を変化させることのできる新規な波長選択フィルタを実現できる。

また、この波長選択フィルタを用いてテラヘルツ波長帯域に適合する各種光学機器を実現できる。

以下、実施の形態を説明する。
図１１は、請求項１、２にかかる波長選択フィルタの実施の形態を説明するための図である。この波長選択フィルタは「直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタ」である。

波長選択フィルタは、図１１（ａ）に示すように、第１の平板素子１０Ａと、第２の平板素子１０Ｂとを有する。符号１０は第１、第２の平板素子１０Ａ、１０Ｂの複合体を示す。

これら平板素子１０Ａ、１０Ｂは、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明であって、平行平板状であり、互いに平行に対向して設けられる。
第１および第２の平板素子１０Ａ、１０Ｂは、入射光束（図の「入射光」）に対して所定の角（この実施の形態において４５度）だけ傾けて配置され、直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により、共鳴反射光として選択的に反射させる。

第１の平板素子１０Ａの片面（入射光束の入射する側）に、多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有し、入射光束は第１の平板素子１０Ａの微細溝構造側から入射される。平板素子１０Ｂの両面は平坦な面である。

図１１（ａ）に示す、第１および第２の平板素子１０Ａ、１０Ｂの間隔：ｔは可変であり、間隔可変手段により間隔を「０（密着状態）から有限の微小間隔」まで、平板素子１０Ａ、１０Ｂの平行状態を保って変化させることができる。

図１１（ｂ）〜（ｄ）は、間隔可変手段の１例を示している。
間隔可変手段は、保持フレーム１２Ａ、１２Ｂと、圧電素子１４と、駆動回路１６とを有する。
保持フレーム１２Ａは平板状であって、図１１（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１の平板素子１０Ａに形成された微細溝構造に合わせた矩形状の開口１２Ａ１を形成され、第１の平板素子１０Ａを、入射光の入射する側と逆の面に、微細溝構造の側を入射光の入射する側にして保持する。

保持フレーム１２Ｂも平板状であって、図１１（ｂ）、（ｄ）に示すように、第１の平板素子１０Ａに形成された微細溝構造に合わせた矩形状の開口１２Ｂ１を形成され、第２の平板素子１０Ａを、入射光の入射する側に保持する。

圧電素子１４は、保持フレーム１２Ａ、１２Ｂに挟持されるように設けられ、動作面をこれら保持フレームに固着され、駆動回路１６により駆動されて、保持フレーム１２Ａ、１２Ｂの間隔を変化させる。

この間隔変化において、間隔が最小であるときは、第１、第２の平板素子１０Ａ、１０Ｂの互いに平坦な面が密着状態となる。

上記間隔可変手段により第１、第２の平板素子１０Ａ、１０Ｂの微小間隔：ｔを変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択する。

第１の平板素子１０Ａは、構造的には図１に即して説明したものと同一であるので、上記構造パラメータとして図１におけると同じく、ピッチ：Ｐ、ランド幅：Ｌ、厚さ：ｔ１、ｔ２、屈折率を用いる。

前記計算アルゴリズム「ＲＣＷＡ」を用いて計算を行なった。
第１の平板素子１０Ａ、第２の平板素子１０Ｂは、何れも、素材として前述の「テラヘルツ波長帯での屈折率が１．５２の「Ｚｅｏｎｏｒフィルム」を用いた。
このフィルムの厚さは２０μｍであり、第２の平板素子１０Ｂにはこのフィルムをそのままの状態（厚さ:２０μｍ）で用いた。

第１の平板素子１０Ａは、上記フィルムの片面（入射光の入射側）に、微細溝構造を形成した。構造パラメータは以下の通りである。

ピッチ：Ｐ＝１８０μｍ
フィリングファクタ：ＦＦ＝０．５
グレーティング層の厚さ：ｔ１＝１０μｍ
導波層の厚さ：ｔ２＝１０μｍ 。

第１、第２の平板素子１０Ａ，１０Ｂの間隔：ｔを、０μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍに変化させたときの分光反射特性を計算した。
計算の結果を図１２に示す。間隔：ｔ（図１２において「空気層」と表示している。）の増加とともに、共鳴反射光のピーク波長が短波長側へずれることが分る。

図１３は、間隔：ｔ（図１１において「空気層厚」と表示している。）を横軸として、間隔：ｔの変化に伴う共鳴反射光のピーク波長をプロットした図であり、間隔：ｔの増加とともに「ほぼ線形」にピーク波長が短波長側にシフトすることがわかる。

この作用により、波長選択フィルタの共鳴反射光のピーク波長を調整でき、テラヘルツ波長帯域での所望の波長を選択することができる。

なお、図１１の実施の形態では、間隔可変手段として、圧電素子を用いる例を示したが、これに限らず、機械的な可変手段を用いて保持フレーム相互の間隔を変化させるようにしてもよいことは言うまでも無い。

また、保持フレーム１２Ａ、１２Ｂの開口１２Ａ１、１２Ｂ１の形状も、矩形形状に限らず楕円形状、長孔形状や円形状等とすることができ、保持フレーム自体の形状も、これらの形状に適宜に合わせることができる。

例えば、保持フレームと開口部の形状を円形とし、保持フレームをリング状とすることにより、平板素子１０Ａ、１０Ｂを保持フレームに接着する際、平板素子は「中心から外側に向けて均一に張力」が働くため、不要な歪が生じることなく平板素子を接着することが可能となる。

図１４は、請求項１、３にかかる波長選択フィルタの実施の形態を説明するための図である。
この波長選択フィルタは「直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタ」である。
波長選択フィルタは、図１４（ａ）に示すように、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状の第１の平板素子２０Ａと、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状で、第１の平板素子２０Ａと平行に対向して配置された第２の平板素子２０Ｂとを有する。符号２０は第１、第２の平板素子２０Ａ、２０Ｂの複合体を示す。

第１および第２の平板素子２０Ａ，２０Ｂは、入射光束に対して所定の角だけ傾けて配置され、互いに対向する面のみに微細溝構造が「同一方向に形成」されている。即ち、平板素子２０Ａと２０Ｂの微細溝構造の「ピッチの方向」は互いに平行である。

入射光束（図中の「入射光」）は、第１の平板素子２０Ａの「微細溝構造の形成されていない平坦な面の側」から入射する。
第１、第２の平板素子２０Ａ、２０Ｂの微小間隔は、間隔可変手段により変化させられる。
間隔可変手段は図９の実施の形態の場合と同様のものであり、図１４（ｃ）〜（ｅ）に示すように、保持フレーム２０Ａ、２０Ｂと、圧電素子２４と駆動回路２６とを有する。

保持フレーム２２Ａは平板状であって、第１の平板素子２０Ａに形成された微細溝構造に合わせた矩形状の開口２２Ａ１を形成され、第１の平板素子１０Ａを、入射光の入射する側と逆の面に、微細溝構造の側を平板素子２０Ｂの側にして保持する。

保持フレーム２２Ｂも平板状であって、第２の平板素子２０Ｂに形成された微細溝構造に合わせた矩形状の開口２２Ｂ１を形成され、第２の平板素子２０Ａを、入射光の入射する側と逆の面に、微細溝構造の側を入射光の入射する側にして保持する。

従って、これらに保持された第１、第２の平板素子２０Ａ、２０Ｂの微細溝構造が互いに近接対向する。

圧電素子２４は、保持フレーム２２Ａ、２２Ｂに挟持されるように設けられ、動作面をこれら保持フレームに固着され、駆動回路２６により駆動されて、保持フレーム２２Ａ、２２Ｂの間隔を変化させる。

この間隔変化において、間隔が最小であるときは、第１、第２の平板素子２０Ａ、２０Ｂの微細溝構造の頂部同志が密着状態となる。

上記間隔可変手段により第１、第２の平板素子２０Ａ、２０Ｂの微小間隔を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択する。

以下、前述の計算アルゴリズムで「図１４の波長選択フィルタに対して行った計算」について説明する。
図１４（ｂ）に示すように、構造パラメータとして、平板素子２０Ａに対し、グレーティング層の厚さをｔ１１、導波層の厚さをｔ１２、微細溝構造のピッチをＰ１、ランド幅をＬ１とする。このとき、フィリングファクタ：ＦＦ１＝Ｌ１／Ｐ１である。

また、平板素子２０Ｂに対し、グレーティング層の厚さをｔ２１、導波層の厚さをｔ２２、微細溝構造のピッチをＰ２、ランド幅をＬ２とする。フィリングファクタ：ＦＦ２＝Ｌ２／Ｐ２である。

平板素子２０Ａ、２０Ｂの間隔をｔ３０とする。

平板素子２０Ａ、２０Ｂとして以下のように構造パラメータを特定した。

「平板素子２０Ａ」
ピッチ：Ｐ１＝１８０μｍ
フィリングファクタ：ＦＦ１＝Ｌ１／Ｐ１＝０．５
グレーティング層の厚さ：ｔ１１＝１０μｍ
導波層の厚さ：ｔ１２＝１０μｍ 。

「平板素子２０Ｂ」
ピッチ：Ｐ２＝１８０μｍ
フィリングファクタ：ＦＦ２＝Ｌ２／Ｐ２＝０．５
グレーティング層の厚さ：ｔ２１＝１０μｍ
導波層の厚さ：ｔ２２＝１０μｍ 。

平板素子２０Ａ、２０Ｂとも、テラヘルツ帯での屈折率：１．５２、厚さ：２０μｍのＺｅｏｎｏｒフィルムの片面に微細溝構造を形成したものを想定した。上記の如く、平板素子２０Ａ、２０Ｂは同一組成、同一形状である。

平板素子２０Ａ、２０Ｂの間隔：ｔ３０を、０μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍのように変化させたときの分光反射特性に対する計算結果を図１５に示す。
図１５において、横軸は波長（μｍ）、縦軸は反射率であり、図中に「空気層」と表示したのが、上記間隔：ｔ３０である。

図１５に示すように、間隔：ｔ３０（空気層厚）が増加すると、反射光のピーク波長が短波長側にシフトするのが分る。
図１６は、空気層厚（ｔ３０）に対する反射光のピーク波長をプロットした図であり、間隔：ｔ３０の増加に伴いピーク波長が略線形に短波長側にシフトすることがわかる。

従って、間隔：ｔ３０を変化させることにより、共鳴反射光の所望のピーク波長を選択できる。図１７に、図１５に示した分光反射特性のうち、間隔：ｔ３０＝１５μｍにおけるものを単独で示している。この図を図２の場合に対比させると、非反射光の反射率が有効に低下していることが分る。

図１４の実施の形態でも、間隔可変手段として圧電素子を用いる例を示したが、これに限らず、機械的な可変手段を用いて保持フレーム相互の間隔を変化させるようにしてもよいことは言うまでも無い。

また、保持フレーム２２Ａ、２２Ｂの開口２２Ａ１、２２Ｂ１の形状も、矩形形状に限らず楕円形状、長孔形状や円形状等とすることができ、保持フレーム保持フレーム２２Ａ、２２Ｂ自体の形状も、これらの形状に適宜に合わせることができる。

例えば、保持フレーム保持フレーム２２Ａ、２２Ｂと開口部の形状を円形とし、保持フレーム保持フレーム２２Ａ、２２Ｂをリング状とすることにより、平板素子２０Ａ、２０Ｂを保持フレーム保持フレーム２２Ａ、２２Ｂに接着する際、平板素子に「中心から外側に向けて均一に張力」が働くため、不要な歪が生じることなく平板素子を接着することが可能となる。

図１８は、請求項４にかかる波長選択フィルタの実施の１形態を説明するための図である。

図１８の波長選択フィルタは「直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタ」であって、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状で、入射光束（図１５において「入射光」と表示）が入射する側の面に、多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有する平板素子４０と、この平板素子４０を「微細溝構造の溝に平行な軸」の回りに回転傾斜させる回転傾斜駆動手段とを有する。

回転傾斜駆動手段は、例えば、図１８（ｂ）（ｃ）に示すように、平板素子４０を保持する保持フレーム４２Ａと、この保持フレーム４２Ａを回転させる回転駆動手段４４を有する。

回転駆動手段４４は例えば「ステッピングモータ」である。
保持フレーム４２Ａは、図１８（ｂ）、（ｃ）に示すように、平板状であって、矩形状の開口４２Ａ０を有し、回転軸４２Ａ１、４２Ａ２により、図示されない支持体に回転可能に支持され、回転駆動手段４４により上記回転軸の回りに回転させることができるようになっている。

平板素子４０は、微細溝構造における溝の長手方向（素子面上で溝の配列方向に直交する方向）を、回転軸４２Ａ１、４２Ａ２に平行にして保持フレーム４２Ａに接着固定されて保持されている。即ち、回転軸４２Ａ１、４１Ａ２の方向は微細溝構造の「溝の長手方向」に平行である。図１８（ｂ）では「微細溝構造の形成された面を明らかにする」ために微細溝構造の凹凸が描かれているが、実際には、図１８（ｃ）に示すように、微細溝構造の溝の長手方向は、図１８（ｂ）の左右方向である。

平板素子４０として、先に説明した平板素子１０Ａと同じく、構造パラメータとして、
ピッチ：Ｐ＝１８０μｍ
フィリングファクタ：ＦＦ＝０．５
グレーティング層の厚さ：ｔ１＝１０μｍ
導波層の厚さ：ｔ２＝１０μｍ
を有するものを「テラヘルツ帯での屈折率：１．５２、厚さ：２０μｍのＺｅｏｎｏｒフィルム」を用いて形成した場合、共鳴反射光のピーク波長は、先に図８に即して説明したように、入射光の入射角の変化に従って変化する。

従って、回転傾斜駆動手段による平板素子４０の回転傾斜により、入射光束の微細溝構造への入射角を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択することができる。

保持フレーム４２Ａの開口４２Ａ０の形状も、矩形形状に限らず楕円形状、長孔形状や円形状等とすることができ、保持フレーム４２Ａ自体の形状も、これらの形状に適宜に合わせることができる。

例えば、保持フレーム保持フレーム４２Ａと開口の形状を円形とし、保持フレーム４２Ａをリング状とすることにより、平板素子４０を保持フレーム４２Ａに接着する際、平板素子に「中心から外側に向けて均一に張力」が働くため、不要な歪が生じることなく平板素子を接着することが可能となる。

上に実施の形態に基づき説明した波長選択フィルタの作製方法は、例えば、原盤となるべき部品を「切削」や「フォトリソグラフィ」で加工して、その表面に微細溝構造の凹凸パターンを形成し、この凹凸パターンを前述のＺｅｏｎｏｒフィルムに転写して作製することができる。

「電鋳法でメッキにより転写金型（原盤）を作製後、この金型を用いて樹脂（Ｚｅｏｎｏｒフィルム）に転写を行う方法は転写方法として好適である。
また、転写ではなく「Ｚｅｏｎｏｒフィルムを直接切削加工する方法」でもよい。
図１９は、この発明の波長選択素子を用いる光学機器を説明するための図である。
上に説明した計算は、入射光束を「ＴＥ偏光状態」として行ったものである。

図の如く、波長半値幅の広いビームを放射するテラヘルツ光源５０の後段に、この発明の波長選択フィルタ５２（具体的には、上に説明した何れかの実施の形態のもの）を配置することにより所望の波長の狭帯域の光を取り出すことができ、この光を後段の光学素子５４に入射させる構成とすることができる。光学素子５４を、例えば「テラヘルツ波長帯域の光を受光するセンサ」とすれば、特定波長の光のみを検出可能となる。

微細溝構造を有する平板素子を説明するための図である。 平板素子の共鳴反射特性を説明するための図である。 共鳴反射特性に対するピッチの大きさの影響を説明するための図である。 共鳴反射特性に対するピッチの大きさの影響を説明するための図である。 共鳴反射特性に対するグレーティング層の厚さの影響を説明するための図である。 共鳴反射特性に対するグレーティング層の厚さの影響を説明するための図である。 共鳴反射特性に対する入射角の影響を説明するための図である。 共鳴反射特性に対する入射角の影響を説明するための図である。 共鳴反射特性に対する偏光方向の影響を説明するための図である。 共鳴反射特性に対する偏光方向の影響を説明するための図である。 波長選択フィルタの実施の１形態を説明するための図である。 図１１の波長選択フィルタの特性を説明するための図である。 図１１の波長選択フィルタの特性を説明するための図である。 波長選択フィルタの実施の別形態を説明するための図である。 図１４の波長選択フィルタの特性を説明するための図である。 図１４の波長選択フィルタの特性を説明するための図である。 図１４の波長選択フィルタの特性を説明するための図である。 波長選択フィルタの実施の他の形態を説明するための図である。 光学機器の構成を説明するための図である。

符号の説明

１０Ａ 第１の平板素子
１０Ｂ 第２の平板素子
１２Ａ 保持フレーム
１２Ｂ 保持フレーム
１４ 圧電素子
１６ 駆動回路

Claims (5)

1. 直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタであって、
   テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状の第１の平板素子と、
   テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状で、上記第１の平板素子と平行に対向して配置された第２の平板素子と、
   これら第１、第２の平板素子の微小間隔を変化させる間隔可変手段とを有し、
   上記第１および第２の平板素子は、入射光束に対して所定の角だけ傾けて配置され、
   上記第１、第２の平板素子のうち、少なくとも第１の平板素子の片面に、多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有し、
   上記第１の平板素子の側から入射光束を入射され、
   上記間隔可変手段により第１、第２の平板素子の微小間隔を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択することを特徴とするテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタ。
2. 請求項１記載のテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタにおいて、
   第１の平板素子の、入射光束が入射する側の面のみに微細溝構造を有し、第２の平板素子は両面が平坦な面であることを特徴とするテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタ。
3. 請求項１記載のテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタにおいて、
   第１および第２の平板素子の、互いに対向する面のみに同一方向に形成された微細溝構造を有することを特徴とするテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタ。
4. 直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタであって、
   テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状で、入射光束が入射する側の面に、
   多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有する平板素子と、
   この平板素子を、上記微細溝構造の溝に平行な軸の回りに回転傾斜させる回転傾斜駆動手段と、を有し、
   上記回転傾斜駆動手段による上記平板素子の回転傾斜により、上記入射光束の上記微細溝構造への入射角を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択することを特徴とするテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタ。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載のテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタを有する光学機器。

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