JP2013072981A - 光学フィルターデバイス、光学モジュール、及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光学フィルターデバイス600は、固定基板51、可動基板52、固定反射膜、及び可動反射膜を備えた波長可変干渉フィルター5と、波長可変干渉フィルター5を内部に収納する筐体601と、を具備する。筐体601は、ベース基板610と、当該ベース基板610に接合され、当該ベース基板610との間に内部空間650を形成するリッド620と、リッド620に設けられた光通過孔621を閉塞するリッド側ガラス基板640とを備える。そして、リッド側ガラス基板640は、基板端縁641が、光通過孔621の外周縁よりも外側に位置し、光通過孔621の外周縁から基板端縁641までの領域が、リッド620に接合される。
【選択図】図2
Description
また、ベース基板及びリッドの少なくともいずれか一方には、干渉フィルターに光を導くための光通過孔が設けられている。ここで、干渉フィルターが多重干渉により取り出された光を光入射側に反射させる反射型フィルターである場合は、光通過孔は、ベース基板及びリッドのうち、いずれか一方にのみ設けられていればよい。一方、干渉フィルターが多重干渉により取り出された光を光入射側とは反対側に透過させる透過型フィルターである場合は、ベース基板及びリッドの双方に光通過孔を設ける。
そして、本発明では、透光基板がこの光通過孔を覆うことで、前記内部空間の気密性が維持される。ここで、透光基板は、光通過孔より大きく形成され、透光基板の基板端縁から光通過孔の外周縁までの領域が、光通過孔が設けられるベース基板又はリッドに接合される。つまり、本発明において、「透光基板がこの光通過孔を覆う」とは、前記平面視において、透光基板が光通過孔に重なって設けられ、かつ、光通過孔の周囲が当該透光基板に接している状態となる。このため、透光基板と光通過孔との間には、隙間が生じず、内部空間の気密性が確保された状態となる。
このような構成では、例えば光通過孔に透光基板を嵌め込む構成等と比べて、透光基板の接合領域が大きく、隙間が生じにくくなり、光学フィルターデバイスの内部気密性を良好に維持できる。したがって、筐体内部への水粒子や、帯電粒子の侵入を確実に防止できる。これにより、例えば水粒子によって第一反射膜や第二反射膜が劣化する不都合や、帯電粒子により第一反射膜や第二反射膜が帯電し、クーロン力の影響により反射膜間ギャップが変動する不都合を防止することができる。
本発明では、リッドのリッド接合部がベース基板に接合され、このリッド接合部に連続して、ベース基板の基板面に対して交差する方向に立ち上がる側壁部が設けられる。つまり、側壁部は、リッド接合部から、ベース基板から離れる方向に延出される。そして、この側壁部に連続して、ベース基板に対向する天面部が設けられる。このような本発明によれば、ベース基板にリッドを接合することで、リッドの側壁部、天面部、及びベース基板により前記内部空間を形成することができる。
透光基板が内部空間側に接合される場合、内部空間の体積が透光基板の厚み寸法分だけ圧迫されることとなり、干渉フィルターの配置スペースが狭くなる。この場合、干渉フィルターの配置スペースを確保するために、筐体を大型化する必要が生じる場合がある。これに対して、本発明では、透光基板がベース基板又はリッドの内部空間とは反対側となる外面側に接合されている。このため、内部空間の空間体積を十分に確保でき、筐体の小型化を図ることができる。
本発明では、特に、干渉フィルターとして、光入射側とは反対側に多重干渉により取り出された光を透過させる透過型フィルターを用いる場合に適用することができる。このような光学フィルターデバイスでは、干渉フィルターを透過した光を、光通過孔からそのまま外部に射出することができる。
また、反射型フィルターを用いる場合、光入射側に反射された光を検出ための検出部を光入射側に配置する必要があり、入射光が検出部に入射してしまう不都合等が考えられる。これに対して、透過型フィルターを用い、上述のように、ベース基板及びリッドの双方に光通過孔を設ける構成では、検出部での入射光の検出を抑制でき、より正確な検出処理を実施することができる。
本発明によれば、内部空間が減圧されている。このため、例えば干渉フィルターが、第一基板及び第二基板のうちいずれか一方を撓ませることで、反射膜間ギャップを変更可能な構成である場合、基板を撓ませる際の空気抵抗が低減されて、応答性を良好にできる。また、例えば、温度変化が大きい環境下で光学フィルターデバイスを利用する場合でも、内部空間の圧力の増大による透光基板の変形や干渉フィルターの変形を抑制できる。
これに対して、本発明では、光通過孔の外周縁上の二点間の距離「d」と、透光基板における基板端点間の距離「a」とが、a/d≧1.6を満たすように、光通過孔及び透光基板のサイズが設定されている。
ここで、a/d<1.6となる場合、透光基板の湾曲量が大きくなり、干渉フィルターによる分解能が著しく低下してしまう。一方、本発明のように、a/d≧1.6の関係を満たす場合、透光基板の湾曲量が最小限に抑えられ、干渉フィルターの分解能の低下を抑制することができる。特にa/d≧2以上となる場合では、透光基板の撓みがほぼなくなり、干渉フィルターの分解能低下をより確実に防止することができる。
本発明によれば、ベース基板のリッド対向面上に設けられた内面端子部と、ベース外側面上に設けられた外面端子部とが電気的に接続され、干渉フィルターの電極部と内面端子部とが電気的に接続されている。このため、ベース基板のベース外側面側に形成された外面端子部に対して配線を実施することで、内部空間に収納された干渉フィルターに対して電気信号を送受信することができる。
また、ベース基板の一面側であるベース外側面に外側端子部を纏められるので、光学フィルターデバイスに対する配線作業を簡略化できる。
本発明では、貫通孔に導電性部材が充填されることで、内部空間の気密性を維持したまま内面端子部と外面端子部とを接続することができる。この時、導電性部材を直接内面端子部及び外面端子部に接触接続させることで、配線信頼性を向上させることができる。
本発明では、ベース基板及びリッドには、孔部が設けられているので、透光基板とリッドとの接合を実施した後に、この孔部から、内部空間の空気を抜くことで、内部空間の気圧を大気圧よりも低い状態に設定することができる。したがって、透光基板とリッドとの接合を減圧環境下や真空環境下で実施する必要がなく、例えば半田付け等、接合作業を人が実施する場合、作業性を向上させることができる。
本発明では、非透光性部材の環状に形成されているため、その内周縁をアパーチャとして機能させることができる。これにより光通過孔から光学フィルターデバイスに入射する光の角度規定ができ、迷光を防止して精度の高い分光特性を得ることができる。また、干渉フィルターに非透光性部材を設けることで、前記有効範囲の第一反射膜や第二反射膜とのアライメント調整精度も高めることができる。
以下、本発明に係る第一実施形態を図面に基づいて説明する。
[1.光学フィルターデバイスの構成]
図1は、本発明に係る第一実施形態の光学フィルターデバイス600の概略構成を示す斜視図である。図2は、光学フィルターデバイス600の断面図である。
光学フィルターデバイス600は、入射した検査対象光から、所定の目的波長の光を取り出して射出させる装置であり、筐体601と、筐体601の内部に収納される波長可変干渉フィルター5(図2参照)を備えている。このような光学フィルターデバイス600は、例えば測色センサー等の光学モジュールや、測色装置やガス分析装置等の電子機器に組み込むことができる。なお、光学フィルターデバイス600を備えた光学モジュールや電子機器の構成については、後述の第二実施形態において説明する。
波長可変干渉フィルター5は、本発明の干渉フィルターを構成する。図3は、光学フィルターデバイス600に設けられた波長可変干渉フィルター5の概略構成を示す平面図であり、図4は、図3におけるIV−IV線を断面した際の波長可変干渉フィルター5の概略構成を示す断面図である。
波長可変干渉フィルター5は、図3に示すように、例えば矩形板状の光学部材である。この波長可変干渉フィルター5は、本発明の第一基板である固定基板51、および本発明の第二基板である可動基板52を備えている。これらの固定基板51及び可動基板52は、それぞれ例えば、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、無アルカリガラスなどの各種ガラスや、水晶などにより形成されている。そして、これらの固定基板51及び可動基板52は、固定基板51の第一接合部513及び可動基板の第二接合部523が、例えばシロキサンを主成分とするプラズマ重合膜などにより構成された接合膜53(第一接合膜531及び第二接合膜532)により接合されることで、一体的に構成されている。
なお、以降の説明に当たり、固定基板51または可動基板52の基板厚み方向から見た平面視、つまり、固定基板51、接合膜53、及び可動基板52の積層方向から波長可変干渉フィルター5を見た平面視を、フィルター平面視と称する。
なお、本実施形態では、反射膜間ギャップG1が電極間ギャップG2よりも小さく形成される構成を例示するが、例えば波長可変干渉フィルター5により透過させる波長域によっては、反射膜間ギャップG1を電極間ギャップG2よりも大きく形成してもよい。
また、フィルター平面視において、可動基板52の辺のうち、第一電装面514に対向する一辺側(頂点C3−頂点C4間の辺)は、固定基板51よりも外側に突出する。この突出部分のうち、波長可変干渉フィルター5を固定基板51側から見た際に露出する面は、第二電装面524を構成する。
固定基板51は、厚みが例えば500μmに形成されたガラス基材を加工することで形成される。具体的には、図4に示すように、固定基板51には、エッチングにより電極配置溝511および反射膜設置部512が形成されている。この固定基板51は、可動基板52に対して厚み寸法が大きく形成されており、固定電極561および可動電極562間に電圧を印加した際の静電引力や、固定電極561の内部応力による固定基板51の撓みはない。
また、固定基板51には、電極配置溝511から、第一電装面514及び第二電装面524に向かって延出する電極引出溝511Bが設けられている。
そして、固定基板51には、固定電極561の外周縁から、電極引出溝511Bを通り、第一電装面514まで延出する固定引出電極563が設けられている。この固定引出電極563の延出先端部(固定基板51の頂点C2に位置する部分)は、第一電装面514において固定電極パッド563Pを構成する。
なお、本実施形態では、電極設置面511Aに1つの固定電極561が設けられる構成を示すが、例えば、平面中心点Oを中心とした同心円となる2つの電極が設けられる構成(二重電極構成)などとしてもよい。
この反射膜設置部512には、図4に示すように、固定反射膜54が設置されている。この固定反射膜54としては、例えばAg等の金属膜や、Ag合金等の合金膜を用いることができる。また、例えば高屈折層をTiO2、低屈折層をSiO2とした誘電体多層膜を用いてもよい。さらに、誘電体多層膜上に金属膜(又は合金膜)を積層した反射膜や、金属膜(又は合金膜)上に誘電体多層膜を積層した反射膜、単層の屈折層(TiO2やSiO2等)と金属膜(又は合金膜)とを積層した反射膜などを用いてもよい。
更に、固定基板51の光入射面51Aには、例えばCr等により形成される非透光性部材515が設けられる。この非透光性部材515は、環状に形成され、好ましくは円環状に形成される。そして、非透光性部材515の環内周径は、固定反射膜54及び可動反射膜55により光干渉させるための有効径に設定されている。これにより、非透光性部材515は、光学フィルターデバイス600に入射した入射光を絞るアパーチャーとして機能する。
可動基板52は、厚みが例えば200μmに形成されるガラス基材を加工することで形成されている。
具体的には、可動基板52は、図3に示すようなフィルター平面視において、平面中心点Oを中心とした円形状の可動部521と、可動部521の外側に設けられ、可動部521を保持する保持部522と、保持部522の外側に設けられた基板外周部525と、を備えている。
なお、固定基板51と同様に、可動部521の固定基板51とは反対側の面には、反射防止膜が形成されていてもよい。このような反射防止膜は、低屈折率膜および高屈折率膜を交互に積層することで形成することができ、可動基板52の表面での可視光の反射率を低下させ、透過率を増大させることができる。
可動反射膜55は、可動部521の可動面521Aの中心部に、固定反射膜54と反射膜間ギャップG1を介して対向して設けられる。この可動反射膜55としては、上述した固定反射膜54と同一の構成の反射膜が用いられる。
このような保持部522は、可動部521よりも撓みやすく、僅かな静電引力により、可動部521を固定基板51側に変位させることが可能となる。この際、可動部521が保持部522よりも厚み寸法が大きく、剛性が大きくなるため、保持部522が静電引力により固定基板51側に引っ張られた場合でも、可動部521の形状変化が起こらない。したがって、可動部521に設けられた可動反射膜55の撓みも生じず、固定反射膜54及び可動反射膜55を常に平行状態に維持することが可能となる。
なお、本実施形態では、ダイアフラム状の保持部522を例示するが、これに限定されず、例えば、平面中心点Oを中心として、等角度間隔で配置された梁状の保持部が設けられる構成などとしてもよい。
図1及び図2に戻り、筐体601は、ベース基板610と、リッド620と、ベース側ガラス基板630(透光基板)と、リッド側ガラス基板640(透光基板)と、を備える。
ベース基板610には、波長可変干渉フィルター5の反射膜(固定反射膜54,可動反射膜55)に対向する領域に、光通過孔611が開口形成されている。
また、ベース基板610は、各内側端子部615が設けられる位置に対応して、貫通孔614が形成されており、各内側端子部615は、貫通孔614を介して、ベース基板610のベース内側面612とは反対側のベース外側面613に設けられた外側端子部616に接続されている。ここで、貫通孔614には、内側端子部615及び外側端子部616を接続する金属部材(例えばAgペースト等)が充填され、筐体601の内部空間650の気密性が維持される。
そして、ベース基板610の外周部には、リッド620に接合されるベース接合部617が設けられている。
このリッド620は、リッド接合部624と、ベース基板610のベース接合部617とが、接合されることで、ベース基板610に密着接合されている。
この接合方法としては、例えば、レーザー溶着の他、銀ロウ等を用いた半田付け、共晶合金層を用いた封着、低融点ガラスを用いた溶着、ガラス付着、ガラスフリット接合、エポキシ樹脂による接着等が挙げられる。これらの接合方法は、ベース基板610及びリッド620の素材や、接合環境等により、適宜選択することができる。
本実施形態では、ベース基板610のベース接合部617上に、例えばNiやAu等により構成された接合用パターン617Aを形成し、接合用パターン617A及びリッド接合部624に対して、高出力レーザー(例えばYAGレーザー等)を照射してレーザー接合する。
ここで、本実施形態では、リッド620の光通過孔621から光が入射し、波長可変干渉フィルター5により取り出された光はベース基板610の光通過孔611からか射出される。このような構成では、光通過孔621から入射された光のうち、波長可変干渉フィルター5の光入射面51Aに設けられた非透光性部材515の有効径の光のみが固定反射膜54、可動反射膜55に入射する。特に、波長可変干渉フィルター5の各基板51,52は、エッチングによる形状形成が行われ、エッチング部分はサイドエッチングの影響により曲面部が形成される。このような曲面部に光が入射すると、当該光が迷光となって光通過孔611から射出される場合がある。これに対して、本実施形態では、非透光性部材515によりこのような迷光の発生を防止することができ、所望の目的波長の光を取り出すことが可能となる。
同様に、リッド側ガラス基板640は、リッド620のベース基板610に対向する光通過孔621とは反対側のリッド内側面622側に、光通過孔621を覆って接合されるガラス基板である。リッド側ガラス基板640は、光通過孔621よりも大きいサイズに形成され、当該リッド側ガラス基板640の平面中心点Oが光通過孔621の平面中心点Oと一致するように配置される。そして、リッド側ガラス基板640は、光学フィルターデバイス600をベース基板610(リッド側ガラス基板640)の厚み方向から見た平面視において、光通過孔621の外周縁621Aより外側の領域(外周縁621Aからリッド側ガラス基板640の基板端縁641までの領域)がリッド620に接合される。
ベース基板610及びベース側ガラス基板630の接合、リッド620及びリッド側ガラス基板640の接合としては、例えば、ガラス原料を高温で熔解し、急冷したガラスのかけらであるガラスフリットを用いたガラスフリット接合を用いることができる。このようなガラスフリット接合では、接合部分に隙間が生じることがなく、また、デガス(ガス放出)の少ないガラスフリットを用いることで、内部空間650を真空状態に維持することができる。なお、ガラスフリット接合に限られず、低融点ガラスを用いた溶着、ガラス封着などによる接合を行ってもよい。また、内部空間650の真空状態の維持には適さないが、例えば内部空間650への異物の侵入を抑制する目的のみであれば、エポキシ樹脂等による接着を行ってもよい。
このように、内部空間650を真空状態に維持することで、波長可変干渉フィルター5の可動部521を移動させる際に、空気抵抗が発生せず、応答性を良好にすることができる。
上述のように、内部空間650を真空状態にすると、ベース側ガラス基板630やリッド側ガラス基板640を内部空間650側に撓ませようとする応力が発生する。
図5は、リッド側ガラス基板640が真空応力により撓んだ場合における入射光の経路を示す図である。
図5に示すように、特に光入射側のリッド側ガラス基板640が応力により曲面状に撓むと、入射光がリッド側ガラス基板640を通過する際に屈折し、波長可変干渉フィルター5への光の進入角度が変化してしまう。この場合、波長可変干渉フィルター5により取り出される光に、目的波長以外の光成分が多く含まれることとなり、分解能が低下してしまうという課題がある。
これに対して、本実施形態では、以下のように、ベース側ガラス基板630及びリッド側ガラス基板640のサイズを決定している。
図6(A)において、リッド側ガラス基板640の外周縁上の光源装置2点をそれぞれA,Bとし、点A,Bを結ぶ直線と、リッド側ガラス基板640の基板端縁641との交点をC,Dとする。
ここで、AB間の距離を「d」、C,D間の距離を「a」とし、距離「a」を変化させて、波長可変干渉フィルター5の光学特性への影響を判定する実験を行ったところ、以下の表1の結果が得られた。
上記実験において、表1に示すように、「a/d」の値が1.6を境にし、1.6未満の場合では、リッド側ガラス基板640の最大撓み量が大きく、光学特性への影響が大きく、分解能が著しく低下する。
一方、「a/d」の値が1.6以上の場合、光学特性への影響が小さく、特に、「a/d」の値が2.0を超える場合、リッド側ガラス基板640の撓みによる光学特性への影響が無視できる程度になる。
次に、上述したような光学フィルターデバイス600の製造方法について図面に基づいて説明する。
図7は、光学フィルターデバイス600を製造する成功工程を示す工程図である。
光学フィルターデバイス600の製造では、まず、光学フィルターデバイス600を構成する波長可変干渉フィルター5を製造するフィルター準備工程(S1)、ベース基板準備工程(S2)、リッド準備工程(S3)をそれぞれ実施する。
S1のフィルター準備工程では、まず、波長可変干渉フィルター5を製造するフィルター形成工程を実施する(S11)。
このS11では、固定基板51及び可動基板52を適宜エッチング処理等により形成する。そして、固定基板51に対しては、固定電極561及び固定引出電極563を成膜した後、非透光性部材515を成膜し、その後、固定反射膜54を成膜する。また、可動基板52に対しては、可動電極562を成膜した後、可動反射膜55を成膜する。
この後、固定基板51及び可動基板52を、接合膜53を介して接合することで波長可変干渉フィルター5が得られる。
S2のベース基板準備工程では、まず、ベース外形形成工程を実施する(S21)。このS21では、セラミック基板の形成素材であるシートを積層した焼成前基板を適宜切削等し、光通過孔611を有するベース基板610の形状を成形する。そして、焼成前基板を焼成することで、ベース基板610を形成する。
なお、焼成形成されたベース基板610に対して、例えばYAGレーザー等の高出力レーザーを利用した加工により、光通過孔611を形成してもよい。
次に、ベース基板610に貫通孔614を形成する貫通孔形成工程を実施する(S22)。このS22では、微細な貫通孔614を形成するために、例えばYAGレーザー等を用いたレーザー加工を実施する。また、形成した貫通孔614に、密着性が高い導電性部材を充填する。
このS23では、例えば、Ni/Au等の金属を用いたメッキ加工を実施して、貫通孔614及び内側端子部615を形成する。また、ベース接合部617及びリッド接合部624を、レーザー溶接により接合する場合では、ベース接合部617にNi等のメッキを施し、接合用パターン617Aを形成する。
S24では、まず、一辺の長さ「a」が、光通過孔611の孔径「d」に対して、a/d≧1.6を満たすガラス基板をベース側ガラス基板630として形成する。そして、ベース側ガラス基板630の平面中心と、光通過孔611の平面中心とが一致するようにアライメント調整を実施し、フリットガラスを用いたフリットガラス接合によりベース側ガラス基板630をベース基板610に接合する。
S3のリッド準備工程では、まず、リッド620を形成するリッド形成工程を実施する(S31)。このS31では、コバール等により構成された金属基板をプレス加工して、光通過孔621を有するリッド620を形成する。
この後、リッド620に、光通過孔621を覆うリッド側ガラス基板640を接合する光学窓接合工程を実施する(S32)。
S32では、S24と同様に、一辺の長さ「a」が、光通過孔621の孔径「d」に対して、a/d≧1.6を満たすガラス基板をベース側ガラス基板630として形成する。そして、リッド側ガラス基板640の平面中心と、光通過孔621の平面中心とが一致するようにアライメント調整を実施し、フリットガラスを用いたフリットガラス接合によりリッド側ガラス基板640をリッド620に接合する。
次に、上記S1〜S3により得られた波長可変干渉フィルター5,ベース基板610,リッド620を接合して光学フィルターデバイス600を形成するデバイス組み立て工程を実施する(S4)。
このS4では、まず、ベース基板610に対して波長可変干渉フィルター5を固定するフィルター固定工程を実施する(S41)。このS41では、固定反射膜54,可動反射膜55の平面中心点Oが、光通過孔611の平面中心点Oに一致するようにアライメント調整を実施する。そして、例えば接着剤等を用いて、可動基板52の基板外周部525をベース基板610に接着固定する。
この後、配線接続工程を実施する(S42)。このS42では、S12により波長可変干渉フィルター5に接続されたFPC615Aの他端部を、ベース基板610の内側端子部615に貼り付けることで、内側端子部615と、固定電極パッド563P及び可動電極パッド564Pとを接続する。この接続においても、デガスの少ないAgペーストを用いることが好ましい。
以上により、光学フィルターデバイス600が製造される。
本実施形態では、光学フィルターデバイス600は、波長可変干渉フィルター5と、当該波長可変干渉フィルター5を収納する筐体601とを備える。この筐体601は、ベース基板610と、ベース基板610に接合されるリッド620と、ベース基板610の光通過孔611を閉塞するベース側ガラス基板630と、リッド620の光通過孔621を閉塞するリッド側ガラス基板640とを備える。そして、ベース側ガラス基板630は、光通過孔611の外周縁611Aから、当該ベース側ガラス基板630の基板端縁631までの領域がベース基板610に接合される。同様に、リッド側ガラス基板640は、光通過孔621の外周縁621Aから、当該リッド側ガラス基板640の基板端縁641までの領域がリッド620に接合される。
このような構成では、例えば光通過孔611(光通過孔621)に対応した形状のガラス部材を、当該光通過孔611(光通過孔621)に嵌め込む構成に比べて、接合領域を大きくでき、接合強度及び、内部空間650の気密性を向上させることができる。したがって、光学フィルターデバイス600の内部に水粒子や帯電粒子等の異物の侵入を防止でき、これらの異物による波長可変干渉フィルター5の光学特性の低下(例えば分解能の低下等)を防止することができる。
このため、例えばベース側ガラス基板630やリッド側ガラス基板640が筐体601の内部側に接合される構成に比べて、内部空間650の空間体積を大きくでき、波長可変干渉フィルター5の収納スペースを十分に確保することができる。したがって、例えば、波長可変干渉フィルター5の収納スペースの確保のために、ベース基板610やリッド620のサイズを大型化する必要がなく、光学フィルターデバイス600の小型化を図れる。
このように、ベース基板610及びリッド620の双方に光通過孔が設けられる構成では、波長可変干渉フィルター5として、多重干渉により取り出された目的波長の光を透過させる透過型フィルターを用いることができる。この場合、入射光とは反対側に目的波長の光が透過されるため、透過光に入射光が混ざる等の不都合を回避でき、目的波長の光として、半値幅が狭い高分解能な光を取り出すことができる。
このような構成では、内部空間650が真空状態であるため、反射膜間ギャップG1も真空状態となっている。したがって、可動部521を移動させる際に空気抵抗が作用せず、固定電極561及び可動電極562間に電圧を印加した際の応答性を向上させることができる。このため、迅速に反射膜間ギャップG1を所望の大きさに設定することができ、例えば光学フィルターデバイス600を用いた測定処理等の各種処理を実施する場合に、迅速な処理を実施することができる。
また、ベース側ガラス基板630,リッド側ガラス基板640は、平面中心点Oが光通過孔611,光通過孔621の平面中心点Oと一致するようにアライメント調整されて、それぞれベース基板610、リッド620に接合されている。すなわち、ベース側ガラス基板630の基板端縁631から光通過孔611の外周縁611Aまでの距離、リッド側ガラス基板640の基板端縁641から光通過孔621の外周縁621Aまでの距離は、0.3d以上の寸法に形成されている。
このような寸法のベース側ガラス基板630,リッド側ガラス基板640を用いることで、当該ベース側ガラス基板630,リッド側ガラス基板640が真空による応力による撓みを測定処理に影響が生じない程度に抑制することができる。したがって、波長可変干渉フィルター5の分解能の低下を抑制でき、所望の目的波長の光を精度よく取り出すことができる。
このような構成では、光学フィルターデバイス600のベース基板610の一面側であるベース外側面613のみに、波長可変干渉フィルター5の各電極561,562に電圧を印加するための端子が形成されることとなり、光学フィルターデバイス600を例えば光学モジュールや電子機器に組み込む際の配線構成を簡略化でき、その配線作業も容易となる。
また、固定電極561に対応した外側端子部616、可動電極562に対応した外側端子部616に対してそれぞれ電圧を印加することで、波長可変干渉フィルター5の反射膜間ギャップG1の大きさを静電引力により、電圧値に応じた大きさに変更することができ、波長可変干渉フィルター5により、所望の目的波長の光を取り出すことができる。
一般に固定基板51及び可動基板52の外形形状をエッチングにより加工形成する場合、サイドエッチングの影響によりエッチングされた部分の周縁に沿って曲面部が形成される。このような曲面部に光が入射すると、屈折や反射が起こり迷光の原因となる。このような迷光が、固定反射膜54及び可動反射膜55による多重干渉により取り出された目的波長の光と混ざって透過される場合もあり、この場合、波長可変干渉フィルター5における分解能の低下等、光学特性の低下の原因となる。
これに対して、本実施形態では、アパーチャである非透光性部材515により光が入射する範囲を規定するため、上記のような曲面部への光の入射を防止でき、迷光による光学特性の低下を防止することができる。
また、固定基板51に非透光性部材515が設けられる構成とすることで、例えばリッド側ガラス基板640に非透光性部材515を設ける構成に比べて、固定反射膜54及び可動反射膜55に対するアライメント調整を精度よく実施でき、アパーチャとして機能させる有効径を正確に設定することができる。
次に、本発明の第二実施形態について、図面に基づいて説明する。
第二実施形態では、上記第一実施形態の光学フィルターデバイス600が組み込まれた光学モジュールである測色センサー3、及び光学フィルターデバイス600が組み込まれた電子機器である測色装置1を説明する。
〔1.測色装置の概略構成〕
図8は、第一実施形態の測色装置1の概略構成を示すブロック図である。
測色装置1は、本発明の電子機器である。この測色装置1は、図8に示すように、検査対象Xに光を射出する光源装置2と、測色センサー3と、測色装置1の全体動作を制御する制御装置4とを備える。そして、この測色装置1は、光源装置2から射出される光を検査対象Xにて反射させ、反射された検査対象光を測色センサー3にて受光し、測色センサー3から出力される検出信号に基づいて、検査対象光の色度、すなわち検査対象Xの色を分析して測定する装置である。
光源装置2は、光源21、複数のレンズ22(図8には1つのみ記載)を備え、検査対象Xに対して白色光を射出する。また、複数のレンズ22には、コリメーターレンズが含まれてもよく、この場合、光源装置2は、光源21から射出された白色光をコリメーターレンズにより平行光とし、図示しない投射レンズから検査対象Xに向かって射出する。なお、本実施形態では、光源装置2を備える測色装置1を例示するが、例えば検査対象Xが液晶パネルなどの発光部材である場合、光源装置2が設けられない構成としてもよい。
測色センサー3は、本発明の光学モジュールを構成し、上記第一実施形態の光学フィルターデバイス600を備えている。この測色センサー3は、図8に示すように、光学フィルターデバイス600と、光学フィルターデバイス600の波長可変干渉フィルター5を透過した光を受光する検出部31と、波長可変干渉フィルター5で透過させる光の波長を可変する電圧制御部32とを備える。
また、測色センサー3は、波長可変干渉フィルター5に対向する位置に、検査対象Xで反射された反射光(検査対象光)を、内部に導光する図示しない入射光学レンズを備えている。そして、この測色センサー3は、光学フィルターデバイス600内の波長可変干渉フィルター5により、入射光学レンズから入射した検査対象光のうち、所定波長の光を分光し、分光した光を検出部31にて受光する。
また、この回路基板311には、ベース基板610のベース外側面613に形成された外側端子部616が接続されており、回路基板311に形成された回路を介して、電圧制御部32に接続されている。
このような構成では、回路基板311を介して、光学フィルターデバイス600及び検出部31を一体的に構成でき、測色センサー3の構成を簡略化することができる。
制御装置4は、測色装置1の全体動作を制御する。
この制御装置4としては、例えば汎用パーソナルコンピューターや、携帯情報端末、その他、測色専用コンピューターなどを用いることができる。
そして、制御装置4は、図8に示すように、光源制御部41、測色センサー制御部42、および測色処理部43などを備えて構成されている。
光源制御部41は、光源装置2に接続されている。そして、光源制御部41は、例えば利用者の設定入力に基づいて、光源装置2に所定の制御信号を出力し、光源装置2から所定の明るさの白色光を射出させる。
測色センサー制御部42は、測色センサー3に接続されている。そして、測色センサー制御部42は、例えば利用者の設定入力に基づいて、測色センサー3にて受光させる光の波長を設定し、この波長の光の受光量を検出する旨の制御信号を測色センサー3に出力する。これにより、測色センサー3の電圧制御部32は、制御信号に基づいて、利用者が所望する光の波長のみを透過させるよう、静電アクチュエーター56への印加電圧を設定する。
測色処理部43は、検出部31により検出された受光量から、検査対象Xの色度を分析する。
本実施形態の測色装置1は、上記第一実施形態のような光学フィルターデバイス600を備えている。上述したように、光学フィルターデバイス600は、内部空間650の気密性が高く、水粒子等の異物の侵入がないため、これらの異物による波長可変干渉フィルター5の光学特性の変化を防止することができる。したがって、測色センサー3においても、高分解能で取り出された目的波長の光を検出部31により検出することができ、所望の目的波長の光に対する正確な光量を検出することができる。これにより、測色装置1は、検査対象Xの正確な色分析を実施することができる。
また、電圧制御部32を回路基板311上に配置してもよく、この場合、更なる構成の簡略化を図ることができる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記第一実施形態では、真空中でベース基板610及びリッド620を接合することで、内部空間650が真空状態に維持された光学フィルターデバイス600を製造したがこれに限定されない。
図9は、一変形例における光学フィルターデバイスを示す断面図である。
図9に示すように、この光学フィルターデバイス600Aは、リッド620の一部に、内部空間650及び外部空間を連通する孔部627を備えている。この孔部627は、少なくともベース外側面613に臨む孔形状が円形に形成されている。そして、この孔部627は、金属球628(封止部材)がベース外側面613側から装着されることで、封止されている。金属球628による封止では、金属球628を孔部627内に嵌入させた後、孔部627内で高温化させて金属球628を孔部627の内壁に溶着させることが好ましい。
つまり、第一実施形態の光学フィルターデバイス600では、図7に示すように、S43において、真空環境下でベース基板610及びリッド620を、YAGレーザー等の高出力レーザーを用いたレーザー溶接により接合する。しかしながら、ベース基板610やリッド620の素材や製造環境等により、例えば大気圧下で、半田付けや金属ロウを用いたロウ付けによる接合を行う場合がある。
この場合、上記変形例では、ベース基板610及びリッド620を接合した後、リッド620の孔部627から内部空間650の空気を抜いて真空状態にし、金属球628を装着して封止することで真空状態を維持することができる。
また、上記変形例では、孔部627がリッド620に設けられる構成を示すが、ベース基板610に設けられる構成としてもよく、ベース基板610及びリッド620の双方に設けられる構成としてもよい。また、孔部627の数としても、1つに限定されず、複数の孔部627が設けられる構成としてもよい。例えば、ベース基板610及びリッド620に対してそれぞれ複数の孔部627が設けられる構成としてもよい。この場合であっても、各孔部627をそれぞれ金属球628により封止することで、内部空間650の気密性を確保することができる。
さらに、静電アクチュエーター56の代わりに圧電アクチュエーターを用いる構成としてもよい。この場合、例えば保持部522に下部電極層、圧電膜、および上部電極層を積層配置させ、下部電極層および上部電極層の間に印加する電圧を入力値として可変させることで、圧電膜を伸縮させて保持部522を撓ませることができる。
この場合、光学フィルターデバイス600の光通過孔621に対向して、例えばビームスプリッター等を設けることで、光学フィルターデバイス600への入射光と、光学フィルターデバイス600から射出された射出光とを分離する構成とすることで、分離した射出光を検出部で検出させることができる。
本発明の電極の他の例としては、例えば、固定反射膜54及び可動反射膜55の電荷保持量の変化から反射膜間ギャップG1の大きさを測定するための静電容量検出電極や、各基板51,52や、固定反射膜54,可動反射膜55に保持された電荷を逃がし、基板間のクーロン力を除去するための帯電除去電極等が挙げられる。この場合、第一電装面514及び第二電装面524に、上記静電容量検出電極や帯電除去電極等から引き出された引出電極を配置する。そして、このような複数の電極が配置された場合でも、例えばFPC615Aを第一電装面514に貼り付けることで、例えば図7のS12において、各電極に対して個別に接続作業を実施することなく、容易に配線接続を実施することができる。
また、上記第一実施形態では、リッド620側から入射された光を波長可変干渉フィルター5に多重干渉させ、波長可変干渉フィルター5を透過した光をベース側ガラス基板630から射出する光学フィルターデバイス600を例示したが、例えばベース基板610側から光を入射させる構成としてもよい。この場合、可動基板52にアパーチャとして機能させる非透光性部材を設けてもよく、あるいは、非透光性部材が設けられた固定基板51をベース基板610に固定する構成等としてもよい。
例えば、特定物質の存在を検出するための光ベースのシステムとして用いることができる。このようなシステムとしては、例えば、本発明の波長可変干渉フィルターを用いた分光計測方式を採用して特定ガスを高感度検出する車載用ガス漏れ検出器や、呼気検査用の光音響希ガス検出器等のガス検出装置を例示できる。
このようなガス検出装置の一例を以下に図面に基づいて説明する。
図11は、図10のガス検出装置の制御系の構成を示すブロック図である。
このガス検出装置100は、図10に示すように、センサーチップ110と、吸引口120A、吸引流路120B、排出流路120C、および排出口120Dを備えた流路120と、本体部130と、を備えて構成されている。
本体部130は、流路120を着脱可能な開口を有するセンサー部カバー131、排出手段133、筐体134、光学部135、フィルター136、光学フィルターデバイス600、および受光素子137(検出部)等を含む検出装置と、検出された信号を処理し、検出部を制御する制御部138、電力を供給する電力供給部139等から構成されている。また、光学部135は、光を射出する光源135Aと、光源135Aから入射された光をセンサーチップ110側に反射し、センサーチップ側から入射された光を受光素子137側に透過するビームスプリッター135Bと、レンズ135C,135D,135Eと、により構成されている。
また、図11に示すように、ガス検出装置100の表面には、操作パネル140、表示部141、外部とのインターフェイスのための接続部142、電力供給部139が設けられている。電力供給部139が二次電池の場合には、充電のための接続部143を備えてもよい。
さらに、ガス検出装置100の制御部138は、図11に示すように、CPU等により構成された信号処理部144、光源135Aを制御するための光源ドライバー回路145、光学フィルターデバイス600の波長可変干渉フィルター5を制御するための電圧制御部146、受光素子137からの信号を受信する受光回路147、センサーチップ110のコードを読み取り、センサーチップ110の有無を検出するセンサーチップ検出器148からの信号を受信するセンサーチップ検出回路149、および排出手段133を制御する排出ドライバー回路150などを備えている。
本体部130の上部のセンサー部カバー131の内部には、センサーチップ検出器148が設けられており、このセンサーチップ検出器148でセンサーチップ110の有無が検出される。信号処理部144は、センサーチップ検出器148からの検出信号を検出すると、センサーチップ110が装着された状態であると判断し、表示部141へ検出動作を実施可能な旨を表示させる表示信号を出す。
これらのレイリー散乱光やラマン散乱光は、光学部135を通ってフィルター136に入射し、フィルター136によりレイリー散乱光が分離され、ラマン散乱光が光学フィルターデバイス600に入射する。そして、信号処理部144は、電圧制御部146を制御し、光学フィルターデバイス600の波長可変干渉フィルター5に印加する電圧を調整し、検出対象となるガス分子に対応したラマン散乱光を光学フィルターデバイス600の波長可変干渉フィルター5で分光させる。この後、分光した光が受光素子137で受光されると、受光量に応じた受光信号が受光回路147を介して信号処理部144に出力される。
信号処理部144は、上記のようにして得られた検出対象となるガス分子に対応したラマン散乱光のスペクトルデータと、ROMに格納されているデータとを比較し、目的のガス分子か否かを判定し、物質の特定をする。また、信号処理部144は、表示部141にその結果情報を表示させたり、接続部142から外部へ出力したりする。
以下に、上記物質成分分析装置の一例として、食物分析装置を説明する。
この食物分析装置200は、図12に示すように、検出器210(光学モジュール)と、制御部220と、表示部230と、を備えている。検出器210は、光を射出する光源211と、測定対象物からの光が導入される撮像レンズ212と、撮像レンズ212から導入された光を分光する光学フィルターデバイス600と、分光された光を検出する撮像部213(検出部)と、を備えている。
また、制御部220は、光源211の点灯・消灯制御、点灯時の明るさ制御を実施する光源制御部221と、光学フィルターデバイス600の波長可変干渉フィルター5を制御する電圧制御部222と、撮像部213を制御し、撮像部213で撮像された分光画像を取得する検出制御部223と、信号処理部224と、記憶部225と、を備えている。
そして、信号処理部224は、上述のようにして得られた検査対象の食物の成分や含有量、カロリーや鮮度等の情報を表示部230に表示させる処理をする。
さらには、鉱物の成分分析を実施する鉱物分析装置としても用いることができる。
例えば、各波長の光の強度を経時的に変化させることで、各波長の光でデータを伝送させることも可能であり、この場合、光学モジュールに設けられた波長可変干渉フィルターにより特定波長の光を分光し、受光部で受光させることで、特定波長の光により伝送されるデータを抽出することができ、このようなデータ抽出用光学モジュールを備えた電子機器により、各波長の光のデータを処理することで、光通信を実施することもできる。
図13は、分光カメラの概略構成を示す模式図である。分光カメラ300は、図13に示すように、カメラ本体310と、撮像レンズユニット320と、撮像部330(検出部)とを備えている。
カメラ本体310は、利用者により把持、操作される部分である。
撮像レンズユニット320は、カメラ本体310に設けられ、入射した画像光を撮像部330に導光する。また、この撮像レンズユニット320は、図13に示すように、対物レンズ321、結像レンズ322、及びこれらのレンズ間に設けられた光学フィルターデバイス600を備えて構成されている。
撮像部330は、受光素子により構成され、撮像レンズユニット320により導光された画像光を撮像する。
このような分光カメラ300では、光学フィルターデバイス600の波長可変干渉フィルター5により撮像対象となる波長の光を透過させることで、所望波長の光の分光画像を撮像することができる。
また、本発明の波長可変干渉フィルターを生体認証装置として用いてもよく、例えば、近赤外領域や可視領域の光を用いた、血管や指紋、網膜、虹彩などの認証装置にも適用できる。
Claims (12)
- 第一基板、前記第一基板に対向する第二基板、前記第一基板に設けられた第一反射膜、及び前記第二基板に設けられて前記第一反射膜に反射膜間ギャップを介して対向する第二反射膜を備えた干渉フィルターと、
前記干渉フィルターを収納する筐体と、
を具備し、
前記筐体は、
ベース基板と、
前記ベース基板に接合され、前記ベース基板との間に前記干渉フィルターを収納可能な内部空間を形成するリッドと、を備え、
前記ベース基板及び前記リッドのうち少なくともいずれか一方には、前記第一反射膜及び前記第二反射膜と対向する領域に、光通過孔が設けられ、
前記筐体は、前記光通過孔を覆う透光基板を備え、
前記透光基板を基板厚み方向から見た平面視において、当該透光基板の基板端縁は、前記光通過孔の外周縁よりも外側に位置し、
前記透光基板は、前記平面視において、前記光通過孔の外周縁から前記基板端縁までの領域が、前記光通過孔が設けられた前記ベース基板及び前記リッドのうち少なくともいずれか一方に接合された
ことを特徴とする光学フィルターデバイス。 - 請求項1に記載の光学フィルターデバイスにおいて、
前記リッドは、
前記ベース基板に接合されるリッド接合部と、
前記リッド接合部に連続し、前記ベース基板に対して交差する方向に立ち上がる側壁部と、
前記側壁部に連続し、前記ベース基板に対向する天面部と、を備える
ことを特徴とする光学フィルターデバイス。 - 請求項1または請求項2に記載の光学フィルターデバイスにおいて、
前記透光基板は、前記光通過孔が設けられた前記ベース基板又は前記リッドの前記干渉フィルターに対向する面とは反対の外面側に接合されている
ことを特徴とする光学フィルターデバイス。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の光学フィルターデバイスにおいて、
前記光通過孔は、前記ベース基板及び前記リッドの双方に設けられ、
前記透光基板は、2つの前記光通過孔に対してそれぞれ設けられた
ことを特徴とする光学フィルターデバイス。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の光学フィルターデバイスにおいて、
前記内部空間の気圧は、大気圧よりも低い
ことを特徴とする光学フィルターデバイス。 - 請求項5に記載の光学フィルターデバイスにおいて、
前記透光基板を基板厚み方向から見た平面視において、前記光通過孔の外周縁上の二点を結ぶ直線と、前記透光基板の基板端縁との2交点を基板端点とし、前記光通過孔の外周縁上の前記二点間の距離を「d」、前記基板端点間の距離を「a」とした場合、a/d≧1.6の関係を満たした
ことを特徴とする光学フィルターデバイス。 - 請求項1から請求項6のいずれかに記載の光学フィルターデバイスにおいて、
前記干渉フィルターは、電極部を備え、
前記ベース基板は、前記リッドに対向するリッド対向面に設けられ前記電極部と電気的に接続される内面端子部と、前記リッド対向面とは反対側のベース外側面に設けられ前記内面端子部と電気的に接続される外面端子部と、を備えた
ことを特徴とする光学フィルターデバイス。 - 請求項7に記載の光学フィルターデバイスにおいて、
前記ベース基板は、前記リッド対向面から前記ベース外側面に亘って設けられる貫通孔と、前記貫通孔に充填される導電性部材と、を備え、
前記内面端子部及び前記外面端子部は、前記導電性部材を介して電気的に接続された
ことを特徴とする光学フィルターデバイス。 - 請求項5に記載の光学フィルターデバイスにおいて、
前記ベース基板及び前記リッドの少なくともいずれか一方には、前記ベース基板及び前記リッドの少なくともいずれか一方を貫通する1又は複数の孔部と、前記孔部を封止する封止部材と、が設けられた
ことを特徴とする光学フィルターデバイス。 - 請求項1から請求項9のいずれかに記載の光学フィルターデバイスにおいて、
前記干渉フィルターは、前記光通過孔を通過した光が入射する光入射面に、環状の非透光性部材を備える
ことを特徴とする光学フィルターデバイス。 - 第一基板、前記第一基板に対向する第二基板、前記第一基板に設けられた第一反射膜、及び前記第二基板に設けられて前記第一反射膜に反射膜間ギャップを介して対向する第二反射膜を備えた干渉フィルターと、
前記干渉フィルターを収納する筐体と、
前記干渉フィルターにより取り出された光を検出する検出部と、
を具備し、
前記筐体は、
ベース基板と、
前記ベース基板に接合され、前記ベース基板との間に前記干渉フィルターを収納可能な内部空間を形成するリッドと、を備え、
前記ベース基板及び前記リッドのうち少なくともいずれか一方には、前記第一反射膜及び前記第二反射膜と対向する領域に、光通過孔が設けられ、
前記筐体は、前記光通過孔を覆う透光基板を備え、
前記透光基板を基板厚み方向から見た平面視において、当該透光基板の基板端縁は、前記光通過孔の外周縁よりも外側に位置し、
前記透光基板は、前記平面視において、前記光通過孔の外周縁から前記基板端縁までの領域が、前記光通過孔が設けられた前記ベース基板及び前記リッドのうち少なくともいずれか一方に接合された
ことを特徴とする光学モジュール。 - 第一基板、前記第一基板に対向する第二基板、前記第一基板に設けられた第一反射膜、及び前記第二基板に設けられて前記第一反射膜に反射膜間ギャップを介して対向する第二反射膜を備えた干渉フィルターと、
前記干渉フィルターを収納する筐体と、
を具備し、
前記筐体は、
ベース基板と、
前記ベース基板に接合され、前記ベース基板との間に前記干渉フィルターを収納可能な内部空間を形成するリッドと、を備え、
前記ベース基板及び前記リッドのうち少なくともいずれか一方には、前記第一反射膜及び前記第二反射膜と対向する領域に、光通過孔が設けられ、
前記筐体は、前記光通過孔を覆う透光基板を備え、
前記透光基板を基板厚み方向から見た平面視において、当該透光基板の基板端縁は、前記光通過孔の外周縁よりも外側に位置し、
前記透光基板は、前記平面視において、前記光通過孔の外周縁から前記基板端縁までの領域が、前記光通過孔が設けられた前記ベース基板及び前記リッドのうち少なくともいずれか一方に接合された
ことを特徴とする電子機器。
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