JP5747623B2 - 波長可変干渉フィルター、光モジュール、及び電子機器 - Google Patents
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Description
このような構成では、理論上では、電極間に印加する電圧を制御して、電極間ギャップの寸法g2を、0<g2≦g20の範囲内で駆動させることで、反射膜間ギャップの寸法g1を、0<g1≦g10の範囲内で駆動させることができる。しかしながら、電極間に作用する静電引力は、電極間ギャップの寸法g2の二乗に反比例するため、電極間ギャップの寸法g2が0に近づくほど、制御が困難となる。このため、実際には、反射膜間ギャップの変動可能な範囲は狭くなる。
しかしながら、基板に、エッチングにより凹部を形成する構成では、凹部の各位置においてエッチングレートの差が生じ、凹部の底面を平滑面にすることが困難となる。このような凹部に電極を形成した場合、電極位置によって静電引力のムラが生じ、互いに対向する反射膜を平行に維持することができず、波長可変干渉フィルターの分解能が低下してしまうという課題がある。
本発明によれば、中間層は絶縁性を有しているため、上述のように、中間層を第一電極上に積層させた場合であっても、中間層を介して第一電極から第一反射膜に電圧が印加されることがない。したがって、第一反射膜及び第二反射膜間での静電引力の発生を防止でき、第一電極及び第二電極による反射膜間ギャップの寸法の調整を精度よく実施することができる。
ここで、第一反射膜や第二反射膜としては、誘電体多層膜や、金属膜等により構成することができる。金属膜は、広い波長域に対して反射特性を有することから、第一反射膜や第二反射膜として金属膜を用いる場合、波長可変干渉フィルターにおいて多重干渉により取り出すことができる波長域を広域化することができる。
また、このような金属膜は導電性を有するため、通電により第二反射膜との間に静電引力を発生させてしまうが、上述のように、中間層が絶縁性を有するため、第一電極から第一反射膜に通電されることがない。したがって、このような金属膜を用いる場合であっても、良好に反射膜間での静電引力の発生を防止でき、反射膜間ギャップの寸法を精度よく制御することができる。
本発明によれば、絶縁性を有する中間層により、第一電極の第二電極に対向する面の全体を覆うことで、第一電極及び第二電極間の放電等による電流リークを防止でき、より精度よく反射膜間ギャップの寸法を所望値に設定することができる。
本発明によれば、光モジュールは、上述のような波長可変干渉フィルターを備えている。ここで波長可変干渉フィルターは、上述したような作用効果を奏し、分解能の低下を抑制でき、高精度に所望波長の光を透過または反射させて取り出すことができる。したがって、このような波長可変干渉フィルターを備えた光モジュールでは、波長可変干渉フィルターにより取り出された所望波長の光の光量を検出部で検出することで、当該所望波長の光の光量を正確に検出することができる。
本発明によれば、電子機器は、上述した波長可変干渉フィルターを有する光モジュールを備えるので、高精度に検出された所望波長の光の光量に基づいて、電子機器における各種電子処理を実施することができる。
〔1.測色装置の概略構成〕
図1は、本実施形態の測色装置1(電子機器)の概略構成を示すブロック図である。
測色装置1は、図1に示すように、検査対象Aに光を射出する光源装置2と、測色センサー3(光モジュール)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A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A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1には1つのみ記載)を備え、検査対象A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A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A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、図1に示すように、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を透過する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A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、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。
検出部31は、複数の光電交換素子により構成されており、受光量に応じた電気信号を生成する。そして、検出部31は、制御装置4に接続されており、生成した電気信号を受光信号として制御装置4に出力する。
図2は、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3は、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2に示すように、平面正方形状の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、図3に示すように、本発明の第二基板である固定基板51、および本発明の第一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、外周部近傍に形成される第一接合部523、第二接合部513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により接合されることで、一体的に構成されている。
さらに、波長可変干渉フィルター5には、固定反射膜54および可動反射膜55の間の反射膜間ギャップG1の寸法を調整するのに用いられる静電アクチュエーター56が設けられている。この静電アクチュエーター56は、固定基板51側に設けられる本発明の第二電極としての固定電極561と、可動基板52側に設けられる本発明の第一電極としての可動電極562とを備えている。ここで、固定電極561及び可動電極562は、それぞれ固定基板51及び可動基板562の基板表面に直接設けられる構成であってもよく、他の膜部材を介して設けられる構成であってもよい。
また、波長可変干渉フィルター5を固定基板51(可動基板52)の基板厚み方向から見た図2に示すような平面視(以降、フィルター平面視と称す)において、固定基板51及び可動基板52の平面中心点Oは、固定反射膜54及び可動反射膜55の中心点と一致し、かつ後述する可動部521の中心点と一致する。
固定基板51は、厚みが例えば500μmに形成されるガラス基材である。具体的には、図3に示すように、固定基板51は、可動基板52に対向する平坦な固定対向面51A(本発明の第二面を構成)を有する。このような固定対向面51Aは、例えば、研削、研磨削等により、表面粗さRaが5nm以下となる光学面に形成されている。
また、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の固定対向面51Aには、固定電極561の外周縁から延出する固定引出電極563が形成されている。具体的には、この固定引出電極563は、固定電極561の外周縁のうち頂点C1に最も近接する位置から、頂点C1まで延出形成されている。そして、固定引出電極563の先端部(固定基板51の頂点C1に位置する部分)は、固定電極パッド563Pを構成する。
更に、固定基板51には、頂点C3の位置に、固定電極561とは絶縁された第一対向電極581が設けられている。また、これらの第一対向電極581先端部は、第一対向電極パッド581Pを構成する。
この固定反射膜54としては、金属の単層膜により形成されるものであってもよく、誘電体多層膜により形成されるものであってもよく、さらには、誘電多層膜上にAg合金が形成される構成などとしてもよい。金属単層膜としては、例えばAg合金の単層膜を用いることができ、誘電体多層膜の場合は、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ることができる。
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エッチングにより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2に示すようなフィルター平面視において、平面中心点Oを中心とした円形の可動部521と、可動部521と同軸であり可動部521を保持する保持部522と、を備えている。
また、可動基板52には、図2に示すように、固定基板51の各頂点C1,C3に対応して、切欠部524が形成されており、波長可変干渉フィルター5を可動基板52側から見た面に固定電極パッド563P、及び第一対向電極パッド581Pが露出する。
そして、可動部521の固定基板51に対向する面は、固定対向面51Aに平行で、平坦な可動対向面52A(本発明の第一面を構成)となる。このような可動対向面52Aは、上述した固定対向面51Aと同様、例えば研削、研磨等により、表面粗さRaが5nm以下となる光学面に形成されている。
この可動対向面52Aには、固定電極561と電極間ギャップG2を介して対向する可動電極562及び中間層57が設けられる。
また、可動基板52には、可動電極562の外周縁から延出する可動引出電極564が設けられている。この可動引出電極564は、可動電極562の頂点C3に最も近接する位置から、頂点C3に向かって延出する。そして、この可動引出電極564は、可動基板52の外周縁の近傍において、例えばAgペースト等の導電性部材58により、固定基板51の頂点C3の位置に形成された第一対向電極581(第一対向電極パッド581P)に電気的に接続される。
そして、この反射膜固定面57Aには、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反射膜55が設けられている。この可動反射膜55は、上述した固定反射膜54と同一の構成、同一径寸法の反射膜が用いられている。すなわち、可動反射膜55の外周縁は、可動電極562の内周縁562Bよりも径外側に位置し、有効領域Ar1を覆って設けられている。
このため、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固定基板51側に撓ませることが可能となる。この際、可動部521は、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、静電引力により可動基板52を撓ませる力が作用した場合でも、可動部521の撓みはほぼなく、可動部521に形成された可動反射膜55の撓みも防止できる。
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。
電圧制御部32は、固定電極パッド563P、及び第一対向電極パッド581Pに接続され、制御装置4からの入力される制御信号に基づいて、これらの固定電極パッド563P及び第一対向電極パッド581Pを所定の電位に設定し、静電アクチュエーター56に電圧を印加して駆動させる。
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1に示すように、光源制御部41、測色センサー制御部42、および本発明の分析処理部を構成する測色処理部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Aの色度を分析する。
上述したように、第一実施形態の波長可変干渉フィルター5では、固定基板51の固定対向面51A上に固定電極561及び固定反射膜54が設けられ、可動基板52の可動対向面52A上に、可動電極562及び中間層57が設けられ、さらに中間層57の反射膜固定面57A上に可動反射膜55が設けられている。このような波長可変干渉フィルター5では、平坦な固定対向面51A上及び可動対向面52A上に固定電極561及び可動電極562を形成する構成であるため、固定電極561及び可動電極562間の電極間ギャップG2にバラつきがなく、静電引力のムラが発生しない。このため、固定反射膜54及び可動反射膜55が平行に維持された状態で可動部521を固定基板51側に移動させて反射膜間ギャップG1の寸法を変化させることができ、所望の波長の光を精度よく取り出すことができる。
また、固定基板51に対してエッチング処理を実施する必要がなく、例えば平坦な固定対向面51Aを有するガラス基材(母材)を、そのまま利用することができる。このため、製造工程を簡略化できるとともに、製造コストの低減を図ることができる。
さらに、中間層57の反射膜固定面57A上に可動反射膜55を形成することで、電極間ギャップG2の寸法を反射膜間ギャップG1の寸法より大きくでき、反射膜間ギャップG1の寸法の変動可能量を大きくできる。したがって、測色装置1の測定可能波長域を広域化することができる。また、固定電極561,可動電極562間での静電引力の制御が容易となり、反射膜間ギャップG1の寸法をより精度よく、所望の目標値に設定することができる。したがって、波長可変干渉フィルター5の分解能の低下を阻止でき、かつ測色センサー3において所望の波長の光の光量を正確に測定することができ、かつ測色装置1において検査対象Aの正確な色度を測定することができる。
このため、可動電極562をアパーチャーとして機能させることができ、容易に有効領域Ar1を設定することができる。すなわち、波長可変干渉フィルター5の有効領域Ar1を設定する際、固定電極561及び可動電極562が同一サイズに形成される場合では、固定電極561の内周縁と可動電極562の内周縁とを正確に一致させる必要があるが、この場合、アライメント誤差等により僅かなずれが生じる恐れがあり、正確な面積の有効領域Ar1を設定できない場合がある。これに対して、本実施形態では、可動電極562の内周縁562Bのみで正確な面積の有効領域Ar1を容易に設定することができ、アライメント調整等の煩雑な工程を省略することができる。また、基板に対して凹部や凸部を形成して電極間ギャップG2の寸法を反射膜間ギャップG1の寸法を大きく形成する場合、これらの凹部や凸部の側面部分により可動電極562の内周側を可動反射膜55に重ならせることができない。これに対して、本実施形態では、平坦な可動対向面52A上に可動電極562を形成して、その上から中間層57を形成し、中間層57の反射膜固定面57A上に可動反射膜55を設ける構成であるため、フィルター平面視において、容易に可動電極562と可動反射膜55とを重ねることができ、可動電極562にアパーチャーの機能を持たせることができる。
このため、可動反射膜55と可動電極562とが絶縁されるため、可動電極562に電圧を印加した際に可動反射膜55に電荷が移動することがなく、固定反射膜54及び可動反射膜55間での静電引力の発生を防止できる。特に固定反射膜54や可動反射膜55がAg合金等の導電性の金属膜により形成される場合では、電圧印可時に固定反射膜54、可動反射膜55間での静電引力が問題となるが、本実施形態では、可動反射膜55が金属膜である場合であっても、中間層57により可動電極562からの通電が遮断され、固定反射膜54,可動反射膜55間での静電引力の発生を効果的に防止できる。
このため、固定反射膜54及び可動反射膜55間の静電引力の影響を無視できるため、静電アクチュエーター56による反射膜間ギャップG1の寸法調整の制御を容易に実施でき、より精度よく反射膜間ギャップG1の寸法を所望の目標値に設定することができる。
さらに、中間層57により、固定電極561及び可動電極562間の放電等によるリークを防止でき、静電アクチュエーター56の動作を安定させることができる。
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、上記実施形態では、第一基板として可動基板52を例示し、可動基板52の可動対向面52Aに中間層57が設けられる構成を示したが、図4に示すような構成としてもよい。
すなわち、本発明の第一基板を固定基板51とし、固定基板51の固定対向面51A上に中間層57が形成され、中間層57の可動基板52に対向する面上に固定反射膜54が形成される構成としてもよい。このような構成であっても、電極間ギャップG2の寸法を反射膜間ギャップG1より大きくするために、固定基板51や可動基板52にエッチング等により凹部を形成する必要がなく、固定電極561及び可動電極562を平坦面に形成することができ、波長可変干渉フィルター5Aの分解能の低下を防止できる。
さらには、固定基板51の固定対向面51A及び可動基板52の可動対向面52Aの双方に中間層が設けられ、固定対向面51A上の中間層に固定反射膜54が設けられ、可動対向面52A上の中間層に可動反射膜55が設けられる構成などとしてもよい。
また、図5に示すように、フィルター平面視において、中間層57と可動電極562とが重ならない構成などとしてもよく、中間層57が可動電極562の一部のみと重なる構成などとしてもよい。
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など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7は、図6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6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、波長可変干渉フィルター5、および受光素子137(検出部)等を含む検出装置(光モジュール)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,レンズ135D,レンズ135Eと、により構成されている。なお、波長可変干渉フィルター5を用いる構成を例示するが、上述した波長可変干渉フィルター5A,波長可変干渉フィルター5Bを用いる構成としてもよい。
また、図7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7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、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、ラマン散乱光が波長可変干渉フィルター5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、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8に示すように、検出器210(光モジュール)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波長可変干渉フィルター5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、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、上述のようにした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9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9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9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波長可変干渉フィルター5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、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 (7)
- 平坦な第一面を有する第一基板と、
前記第一面に対向する平坦な第二面を有する第二基板と、
前記第一面に設けられた第一電極と、
前記第二面に設けられ、前記第一電極と所定の大きさの電極間ギャップを介して対向する第二電極と、
前記第一面に設けられ、前記第一面及び第二面と平行で、かつ前記第二面に対向する平坦な第三面を有し、前記第一電極より厚み寸法が大きい中間層と、
前記第三面に設けられた第一反射膜と、
前記第二面に設けられ、前記第一反射膜と所定の大きさの反射膜間ギャップを介して対向する第二反射膜と、
を具備したことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項1に記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記第一電極は、非透光性を有するとともに、環状に形成され、
前記第一電極の内周縁により、当該波長可変干渉フィルターにより取り出される光の有効領域が規定され、
前記中間層は、前記第一基板の第一面における前記有効領域内から、少なくとも前記第一電極の内周縁の径外側の領域に亘って設けられ、
前記第一反射膜は、前記第一基板または前記第二基板を厚み方向から見た平面視において、前記中間層の前記第三面のうち、少なくとも前記有効領域を覆って設けられた
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項1または請求項2に記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記中間層は、絶縁性を有する
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項3に記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記第一反射膜は、金属膜である
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項3または請求項4に記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記中間層は、前記第一電極の第二基板に対向する面全体を覆う
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載の波長可変干渉フィルターと、
前記波長可変干渉フィルターにより取り出される光を検出する検出部と、
を備えたことを特徴とする光モジュール。 - 請求項6の記載の光モジュールを備えた
ことを特徴とする電子機器。
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