JP2018155962A - 分光フィルタおよび分光測光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なるフィルタ間の多重反射の影響を低減した線形可変分光フィルタを提供する。【解決手段】所定の波長範囲の光を吸収する透明基板１１と、前記透明基板の第１面に形成された線形可変バンドパスフィルタ１４と、前記透明基板の第２面に形成された線形可変短波長カットフィルタ１５および／または線形可変長波長カットフィルタ１６とを有する分光フィルタ１０。好ましくは、前記透明基板の第１面に線形可変バンドパスフィルタおよび線形可変短波長カットフィルタが形成され、前記透明基板の第２面に線形可変長波長カットフィルタが形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、入射位置に応じて透過波長が異なる分光フィルタに関する。また、本発明は、かかる分光フィルタを用いた分光測光装置に関する。

光学フィルタの一種として、基板の一方向に沿ってスペクトル特性が線形に変化する線形可変フィルタ（ＬＶＦ）が知られている。ＬＶＦは、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜を交互に重ね合わせた多層膜である干渉フィルタを、その膜厚が一定の勾配で変化するように透明基板上に形成することで実現される。入射位置に応じて透過波長の異なる分光フィルタを用い、異なる位置を透過した光を線状に配列された受光素子でそれぞれ検出することによって、小型の分光測光装置を実現することができる。

ところで、干渉によるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）は一般に、主透過波長の両側に副透過帯が現れるため、その副透過帯を遮断するためのカットフィルタと組み合わせて用いられる。図２において、図２（Ａ）のＢＰＦは主透過波長λＴの短波長側に副透過帯ＴＳ、長波長側に副透過帯ＴＬを有する。図２（Ｂ）の短波長カットフィルタ（ＳＣＦ）は遮断帯ＣＳを有する。図２（Ｃ）の長波長カットフィルタ（ＬＣＦ）は遮断帯ＣＬを有する。これらのＢＰＦ、ＳＣＦおよびＬＣＦを組み合わせることで、図２（Ｄ）に示す分光フィルタ（ＳＦ）が得られ、主透過波長λＴの光のみが透過する。

線形可変ＢＰＦは、短波長側にある副透過帯ＴＳを遮断する線形可変ＳＣＦおよび長波長側にある副透過帯ＴＬを遮断する線形可変ＬＣＦと組み合わせることによって、入射位置に応じた主透過波長λＴの光だけを透過させる線形可変分光フィルタとすることができる。

このとき、設計や製造の都合上、線形可変ＢＰＦといずれかのカットフィルタが異なる基板上に形成されたり、同じ基板の反対面に形成されることがある。例えば、すべてのフィルタを積層すると厚さが過大となり、内部応力によって多層膜の構造が破壊されたり、基板からフィルタが剥離しやすくなる場合などである。線形可変ＢＰＦといずれかのカットフィルタが異なる基板上に形成されていたり、同じ基板の反対面に形成されていると、異なるフィルタ間での多重反射が問題となる。

この問題に対して、特許文献１には、線形可変ＢＰＦを、別の基板上に形成された線形可変ＳＣＦまたは線形可変ＬＣＦに対して傾けて配置し、多重反射した光を２つのフィルタの間から逃がして後方の受光部に到達しないようにした分光ユニットが記載されている。また、特許文献１には、断面がくさび型の基板の片面に線形可変ＢＰＦ、他の面に線形可変ＬＣＦまたは線形可変ＳＣＦを形成して、多重反射した光が後方の受光部に到達しないようにした分光ユニットが記載されている。

国際公開第ＷＯ２０１５／０８７５９４号

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、２枚の基板を互いに傾けて精度よく配置・固定するための手間がかかるという問題があった。また、くさび型の基板を面精度よく製造するにはコストがかかるという問題があった。

本発明は上記を考慮してなされたものであり、異なるフィルタ間の多重反射の影響を低減した線形可変分光フィルタを提供することを目的とする。また、かかる分光フィルタを用いた分光測光装置を提供することを目的とする。

上記目的のために、本発明の分光フィルタは、使用波長範囲で光を吸収する基板を用いる。

具体的には、本発明の分光フィルタは、所定の波長範囲の光を吸収する透明基板と、前記透明基板の第１面に形成された線形可変バンドパスフィルタと、前記透明基板の第２面に形成された線形可変短波長カットフィルタおよび／または線形可変長波長カットフィルタとを有する。

本発明の分光測光装置は、上記分光フィルタと、前記分光フィルタを透過した光を受光するリニアアレイ型光センサとを有する。

本発明の分光フィルタによれば、基板の両面に形成された異なるフィルタ間で多重反射する光は、基板による吸収のために急速に減衰する。一方、分光フィルタを透過すべき位置で透過する光は基板を１回しか通過しないので、多重反射する光との強度比が改善される。これにより、多重反射の影響が低減される。

本発明の一実施形態の分光フィルタの断面構造の模式図である。 （Ａ）バンドパスフィルタ、（Ｂ）短波長カットフィルタ、（Ｃ）長波長カットフィルタ、（Ｄ）分光フィルタの透過スペクトル図である。 本発明の一実施形態の分光フィルタの透過スペクトル図である。（Ａ）分光フィルタの短波長側の第１端、（Ｂ）分光フィルタの中央付近、（Ｃ）分光フィルタの長波長側の第２端。 線形可変分光フィルタにおける多重反射を説明する図である。 本発明の一実施形態の分光測光装置の構成を示す図である。

本明細書中で「フィルタ」は、一つの分光学的な機能を有する多層膜の意味でも、基板とその基板上に形成されたかかる多層膜を合わせた物の意味でも用いられる。

本発明の一実施形態の分光フィルタを図１〜図４に基づいて説明する。

図１において、本実施形態の分光フィルタ１０は、透明基板１１と、その第１面１２に形成された短波長カットフィルタ（ＳＣＦ）１５およびバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４と、透明基板の第２面１３に形成された長波長カットフィルタ（ＬＣＦ）１６とを有する。透明基板の第１面と第２面は平行である。ＢＰＦ、ＳＣＦおよびＬＣＦはいずれも、基板のＸ方向に沿って、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって厚くなる線形可変フィルタである。

透明基板１１は、所定の波長範囲で光を吸収する。所定の波長範囲とは、分光フィルタの透過波長が変化する範囲であり、分光フィルタの使用目的に応じて定まる。所定の波長範囲は、本実施形態の構成が特に適するという点から、好ましくは７００ｎｍ以上であり、より好ましくは９００ｎｍ以上である。光学フィルタは対象とする光の波長に比例して厚くなるので、赤外線を対象とする場合にすべてのフィルタ１４、１５、１６を基板の片面に積層すると全体の厚さが過大となりやすい。そのため、これらの波長範囲を対象とする分光フィルタでは一部のフィルタを基板の反対面に形成する必要性が高く、多重反射が問題となりやすいからである。一方、所定の波長範囲は、好ましくは２５００ｎｍ以下であり、より好ましくは１８００ｎｍ以下である。波長範囲の上限が大きすぎると、本実施形態の構造によってもフィルタの内部応力が過大となる可能性があるからである。また、２５００ｎｍ以下や１８００ｎｍ以下の光だけを用いても、赤外線膜厚計や液体成分計等の有用な用途があるからである。

透明基板１１の所定の波長範囲における透過率は、好ましくは８５％以下であり、より好ましくは７０％以下である。透過率が低いほど、本来透過すべき光と多重反射光との強度比が大きくなるからである。一方、透明基板１１の所定の波長範囲における透過率は、好ましくは２０％以上であり、より好ましくは４０％以上である。透過率が低すぎると、本来透過すべき光の強度の絶対値が小さくなり、強度測定の誤差の原因となるからである。

透明基板１１の所定の波長範囲における透過率の相対的なばらつきは、好ましくは±３０％以内であり、より好ましくは±１０％以内である。透過率のばらつきに対しては、透過光を受光する光センサの強度を波長毎に補正することになる。しかし、一つの受光素子が検出する波長範囲内で透過率が大きく変動すると測定誤差の原因となるからである。

透明基板１１の種類は特に限定されず、所要の光学特性を有するガラス板を好適に用いることができる。近赤外領域で透過率の変動が少ないガラスとしては、ショットＡＧのＮＧ１、ＮＧ３、ＮＧ４、ＮＧ５、ＮＧ９、ＮＧ１１、ＫＧ２、ＫＧ３、ＫＧ５などの吸収型ＮＤフィルタ用のガラスを用いることができる。

ＢＰＦ１４は、特定の波長λＴを透過する透過帯域の狭いバンドパスフィルタである。ＢＰＦは図２（Ａ）に示したように、主透過波長λＴの光を透過し、λＴの長波長側に副透過帯ＴＬと、λＴの短波長側に副透過帯ＴＳを有する。

このようなＢＰＦ１４は、主透過波長をλＴとして、光学的厚さλＴ／２の誘電体スペーサ層を、光学的厚さλＴ／４の高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層した干渉ミラー層で挟むことによって実現できる。

ＢＰＦ１４は、透明基板１１のＸ方向に沿って、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって一定の勾配で厚くなる。これにより、Ｘ方向に沿った位置ｘの変化に比例して主透過波長が移動する。

ＳＣＦ１５は、図２（Ｂ）に示したように、ＢＰＦ１４の主透過波長λＴを透過し、短波長側の副透過帯ＴＳを抜ける光を遮断帯ＣＳによって遮断する。

ＳＣＦ１５は、遮断したい波長の４分の１の光学的膜厚を有する高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層した干渉多層膜、いわゆるλ／４膜である。膜の層数を大きくすることによって、遮断できる波長範囲を広げることができる。さらに、ある波長に対するλ／４膜を一つの基本スタックとして、複数の基本スタックを重ねることによって遮断帯を拡げることができる。

ＳＣＦ１５は、透明基板１１のＸ方向に沿って、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって厚くなり、第１端ｘＡと第２端ｘＢの間の全域で、ＢＰＦ１４の主透過波長λＴを透過しつつ、短波長側の副透過帯ＴＳを遮断帯ＣＳによって遮断する。

ＬＣＦ１６は、図２（Ｃ）に示したように、ＢＰＦ１４の主透過波長λＴを透過し、長波長側の副透過帯ＴＬを抜ける光を遮断帯ＣＬによって遮断する。

ＬＣＦ１６は、ＳＣＦ１５と同様に、λ／４膜によって実現される。ＬＣＦは、ＳＣＦより長波長の光を遮断するため、ＳＣＦより厚く形成される。

ＬＣＦ１６は、透明基板１１のＸ方向に沿って、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって厚くなり、第１端ｘＡと第２端ｘＢの間の全域で、ＢＰＦ１４の主透過波長λＴを透過しつつ、長波長側の副透過帯ＴＬを遮断帯ＣＬによって遮断する。

図３は、ＢＰＦ１４の主透過波長λＴとその長波長側の副透過帯ＴＬ、ＬＣＦ１６の遮断帯ＣＬを示したものである。分光フィルタ１０が機能する波長範囲はλＰ〜λＱである。図３（Ａ）において、分光フィルタの第１端ｘＡでは、ＬＣＦ１６の遮断帯ＣＬはＢＰＦ１４の主透過波長λＴの長波長側からλＱまでの範囲を遮断する。図３（Ｂ）に示したフィルタの中央付近や図３（Ｃ）に示したフィルタの第２端ｘＢでは、ＬＣＦ１６は主透過波長λＴを透過しつつ、遮断帯ＣＬは厚さの増加に比例して拡がりながら長波長側へ移動して副透過帯ＴＬを遮断する。このように、線形可変フィルタ、特に線形可変ＬＣＦ１６は長波長側で厚くなり、厚さが過大となりやすい。

ＢＰＦ１４、ＳＣＦ１５およびＬＣＦ１６をそれぞれ透明基板のどちらの面に形成するかは特に限定されない。基板の一方の面にＢＰＦが、他の面にＳＣＦおよびＬＣＦが形成されていてもよいし、基板の一方の面にＢＰＦおよびＬＣＦが、他の面にＳＣＦが形成されていてもよい。ＬＣＦが最も厚くなることを考慮すると、ＢＰＦとＳＣＦを第１面または第２面に形成し、ＬＣＦを単独で他の面に形成することが好ましい。また、同じ面に複数のフィルタが形成される場合に、フィルタが積層される順序は特に限定されない。

本実施形態の分光フィルタの製造方法は特に限定されず、真空蒸着など各種公知の成膜法を用いて高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層することで製造できる。高屈折率材料としてはＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５など、低屈折率材料としてはＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２など、それぞれ公知の誘電体を好適に用いることができる。そして、材料の蒸発源と基板の間にスリット型マスク等の補正板を配置して、補正板の形状や基板と補正板の位置関係を調整することで膜厚勾配を与え、線形可変フィルタを形成することができる。

次に、本実施形態の分光フィルタの作用を説明する。

次に多重反射光への作用を図４に基づいて説明する。図４は、線形可変ＢＰＦと線形可変ＬＣＦの間の多重反射を示したものである。図１で示したとおり、分光フィルタ１０の透明基板１１の上面にはＢＰＦ１４およびＳＣＦ１５が、下面にはＬＣＦ１６が形成されている。

図４において、Ａ点におけるＢＰＦ１４の主透過波長をλ１とすると、分光フィルタ１０の上方から入射した波長λ１の光は（実線で示した）、Ａ点でＢＰＦ１４を透過し、Ｂ点でＬＣＦ１６を透過して、分光フィルタ１０の下方に抜ける。一方、Ａ点におけるＢＰＦ１４の長波長側の副透過帯に含まれる波長λ２の光は（破線で示した）、Ａ点でＢＰＦ１４を透過し、Ｂ点でＬＣＦ１６に反射され、Ｃ点でＢＰＦ１４に反射され、以後両フィルタ間で繰り返し反射されて、ＬＣＦ１６を透過できるＤ点から下方に出射する。ＢＰＦ１４の主透過波長がλ２となるＥ点は図４のさらに右方に位置するので、本来ならＥ点の下方に出射することが期待される波長λ２の光がＤ点から下方に出射することになり、測定に誤差が生じる。

図４において、分光フィルタの各位置で本来透過すべき波長の光は、透明基板１１を厚さ方向に１回だけ通過する。これに対して、多重反射する光は透明基板を厚さ方向に最低で３回、通常はさらに多数回通過する。したがって、基板に吸収があると、多重反射光の強度は急速に減衰する。例えば、透明基板の透過率が７０％の場合、基板両面での反射損失を約８％とすると、基板を１回通過する度に光強度は７０／９２≒０．７６に減衰し、３回の通過では約０．４４に減衰する。これにより、分光フィルタを透過すべき位置で透過する光と多重反射光の強度比が改善される。

本発明の一実施形態の分光測光装置を図５に基づいて説明する。

図５において、本実施形態の分光測光装置４０は、被測定光が進む光路上に、光学系４１と、固定フィルタ４３と、分光フィルタ１０と、リニアアレイ型の光センサ４２をこの順に備える。

光学系４１は、シリンドリカルレンズ等を組み合わせることにより、被測定光をシート状に変換して光センサに入射させる。分光フィルタ１０は上記実施形態で説明した物である。光センサ４２は、受光素子が線状に配列されたリニアアレイ型の光センサである。受光素子の種類は、分光測光装置の使用目的に応じて選択できる。例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＩｎＳｂ、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）などの受光素子を用いることができる。

固定フィルタ４３は、所定の波長範囲より長波長および／または短波長の光を遮断する。固定フィルタとは、フィルタの位置によらず分光特性が変わらないフィルタをいう。好ましくは、固定フィルタ４３は所定の波長範囲より長波長の光を遮断する。より好ましくは、固定フィルタ４３は所定の波長範囲より長波長および短波長の光を遮断する。固定フィルタは、光路上の分光フィルタの前または後に配置される。

一般に、線形可変分光フィルタを用いる場合には、まず用途に応じて使用波長範囲が定まり、その使用波長範囲の全域に感度を有する受光素子が選択される。その結果、分光フィルタのカットフィルタ（ＬＣＦおよびＳＣＦ）は使用波長範囲だけでなく、受光素子が感度を有する波長範囲の全域を遮断する必要がある。遮断範囲が広がるほどカットフィルタが厚くなることは、前述のとおりである。本実施形態の分光フィルタ１０では、カットフィルタに入射する光またはカットフィルタを抜けた光のうち、使用波長範囲外の光を固定フィルタ４３で遮断することにより、カットフィルタを薄くすることができる。

本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の分光フィルタまたは分光測光装置は、赤外分光による濃度計、水分計、ガス分析計、膜厚計などに好適に用いることができる。

１０ 分光フィルタ
１１ 透明基板
１２ 第１面
１３ 第２面
１４ バンドパスフィルタ
１５ 短波長カットフィルタ
１６ 長波長カットフィルタ
４０ 分光測光装置
４１ 光学系
４２ リニアアレイ型光センサ
４３ 固定フィルタ
λＴ 主透過波長
ＴＳ 短波長側の副透過帯
ＴＬ 長波長側の副透過帯
ＣＳ 短波長カットフィルタの遮断帯
ＣＬ 長波長カットフィルタの遮断帯
ｘＡ 第１端
ｘＢ 第２端

Claims (7)

1. 所定の波長範囲の光を吸収する透明基板と、
   前記透明基板の第１面に形成された線形可変バンドパスフィルタと、
   前記透明基板の第２面に形成された線形可変短波長カットフィルタおよび／または線形可変長波長カットフィルタと、
   を有する分光フィルタ。
2. 前記透明基板の第１面に線形可変バンドパスフィルタおよび線形可変短波長カットフィルタが形成され、
   前記透明基板の第２面に線形可変長波長カットフィルタが形成された、
   請求項１に記載の分光フィルタ。
3. 前記所定の波長範囲が、少なくとも９００ｎｍから１８００ｎｍを含む、
   請求項１または２に記載の分光フィルタ。
4. 前記透明基板の前記所定の波長範囲における透過率が２０％以上、８５％以下である、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の分光フィルタ。
5. 前記透明基板の前記所定の波長範囲における透過率の相対的なばらつきが±３０％以内である、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の分光フィルタ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載された分光フィルタと、
   前記分光フィルタを透過した光を受光するリニアアレイ型光センサと、
   を有する分光測光装置。
7. 光路上の前記分光フィルタの前または後に、所定の波長範囲より長波長および／または短波長の光を遮断する固定フィルタをさらに有する、
   請求項６に記載の分光測光装置。

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