JP5786628B2 - 波長可変干渉フィルター、光学モジュールおよび電子機器 - Google Patents
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Description
特許文献1には、ギャップを介して二つの反射膜を対向させ、このギャップ寸法を変えることで、ギャップ寸法に対応した波長の光を分光する波長可変干渉フィルターが開示されている。
しかしながら、反射膜が対向する空間を減圧状態にすると、反射膜を形成した基板に圧力がかかって変形し、小さなギャップ寸法を介して対向する反射膜同士が貼りつき易くなるという課題が生ずる。
このため、第1空洞部と第2空洞部の圧力の差の分だけ、第2基板は第1空洞部から第2空洞部に向かって斥力が働いた状態で保持されている。つまり、反射膜が形成された第2基板の可動部は、もう一方の反射膜が形成された第1基板とは離れる方向に力が働く。よって、一対の反射膜も同様に両者が離れる方向に力が働き、小さなギャップ寸法を介して対向する反射膜同士が貼りつきにくくする効果がある。
このように、第2基板の方向に突出する接続電極を用いる簡単な構成で、第1基板と第2基板とを電気的に接続することができるため、複雑な配線構造を回避することができる。
このように第1基板を貫通する穴の内部に導電材料が充填された貫通電極を用いることで、密閉状態を損なうことなく第1空洞部内が大気圧より小さい圧力(減圧状態)を保ち、第1空洞部内から第1基板の外周部に確実に配線をすることができる。
このため、反射膜間の適正なギャップを保持でき、信頼性の高い光学モジュールを提供できる。
このため、反射膜間の適正なギャップを保持でき、信頼性の高い分光分析装置などの電子機器を提供できる。
[第1実施形態]
図1は本実施形態のエタロンの構成を示すブロック図である。図2は図1のX−X断線に沿う断面図である。図3は図1のY−Y断線に沿う断面図である。
図1に示すように、エタロン5は、平面視で正方形状の板状の光学部材であり、一辺が例えば10mmに形成されている。このエタロン5は、図2、図3に示すように、第1基板10、第2基板20および第3基板30を備えている。
これらの第1基板10、第2基板20および第3基板30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、水晶などの透光性の基材からなり、板状の基材をエッチングすることにより形成されている。
そして、エタロン5は、第1基板10と第2基板20とが接合され、第2基板20と第3基板30とが接合されて一体に構成される。この接合には、第1基板10、第2基板20および第3基板30の接合部分に設けられた接合膜41が結合することにより固定される。接合膜41としては、ポリオルガノシロキサンを主材料としたプラズマ重合膜が採用されている。
また、上記以外の接合方法では、接着剤などの粘着性材料による接合、金属膜による接合などが利用できる。
また、電極形成部12の外縁には、第2基板20との接合において第2基板20を支持する支持部16が設けられている。
電極形成部12には、第1駆動電極15が形成されている。第1駆動電極15は平面視で第1反射膜14を取り巻くように円環状に形成されている。そして、第1駆動電極15は引き出し溝12aに沿って形成された引き出し電極15aに接続されている。
第1駆動電極15および引き出し電極15aは導電膜であり、例えばITO膜が用いられる。また、これらの導電膜はCr膜を下地とし、その上にAu膜を積層したCr/Au膜などを用いても良い。
そして、第1基板10の引き出し電極15aを形成した面と反対の面には、第1貫通電極18aに接続する接続パッド19が形成されている。
このようにして、第1基板10の一方の面に形成した引き出し電極15aと他方の面に形成した接続パッド19との電気的導通が、第1貫通電極18aを介して行うことが可能である。
そして、第1基板10の接続電極17を形成した面と反対の面には、第2貫通電極18bに接続する接続パッド19が形成されている。
このようにして、第1基板10の一方の面に形成した接続電極17と他方の面に形成した接続パッド19との電気的導通が、第2貫通電極18bを介して行うことが可能である。
また、支持部16の上面には接合膜41が形成されている。
この第2基板20には、基板中央を中心とする円柱状の可動部21と、その周りに可動部21を保持する薄肉部22と、が形成されている。
薄肉部22は、第1基板10と対向する面とは反対の面に円環状の第2凹部23が形成され、可動部21の厚みより薄くなるように形成されている。
このように、第2基板20はダイヤフラム構造を持ち、可動部21が第2基板20の厚み方向に移動しやすいように構成されている。
また、第2基板20の外周縁には第1基板10および第2基板20との接合において両者を支持する支持部26が設けられている。
第2反射膜24は光の反射特性と透過特性とを有し、第1反射膜14と対向し可動部21に円形状に設けられている。第2反射膜24の材料として第1反射膜14と同様に、AgまたはAg合金が用いられる。なお、第2反射膜24は例えば50nmの厚みに形成されている。このように、第1基板10の第1反射膜14と第2基板20の第2反射膜24とでエタロン5における対向する一対の反射膜が構成される。なお、第2反射膜24を誘電体多層膜で構成しても良い。
そして、第2駆動電極25から第1基板10の接続電極17の方向に伸びた引き出し電極25aが形成されている。第1基板10と第2基板20とが接合されることで、引き出し電極25aは接続電極17と接触し、両者が接続される。
第2駆動電極25、引き出し電極25aは導電膜であり、例えばITO膜が用いられる。また、これらの導電膜はCr膜を下地とし、その上にAu膜を積層したCr/Au膜などを用いても良い。
そして、第2基板20の支持部26の上下面には、第1基板10と第2基板20とを接合する接合膜41がそれぞれ形成されている。
第3基板30には、第2基板20と対向する面に円形に凹んだ第3凹部31が形成され、第2基板20の可動部21の変位による干渉を防止している。
また、第3基板30の外周縁には第2基板20との接合において、第2基板20を支持する支持部36が設けられている。
そして、第3基板30の支持部36の下面には、第2基板20と接合する接合膜41が形成されている。
第1空洞部45は密閉され、第1空洞部45内は減圧されており、大気圧より小さい圧力で保持されている。この第1空洞部45内には一対の反射膜(第1反射膜14および第2反射膜24)と静電アクチュエーター40(第1駆動電極15および第2駆動電極25)を含んでいる。
さらに、第1空洞部45内には第1基板10の突起部12cに形成された接続電極17を含み、第2基板20に形成された引き出し電極25aと接続している。
第2空洞部46は密閉され、第2空洞部46内は減圧されており、大気圧より小さい圧力で保持されている。
そして、第1空洞部45内の圧力は、第2空洞部46内の圧力より大きく設定されている。このため、第2基板20は厚み方向に、第1空洞部45と第2空洞部46の圧力の差分だけ第1基板10と離れるように斥力を受ける。
そのとき、第1空洞部45内および第2空洞部46内の圧力は減圧されていることから、可動部21の移動に際して空気抵抗が働かず、可動部21が迅速に移動(変位)することができる。
以下、上記エタロンの製造方法の一例について説明する。
図4はエタロンの製造方法を説明する製造工程図である。ここでは、各基板の接合手順について説明する。
まず、図4(a)に示すように、所定の加工が施された第2基板20と第3基板30を用意する。第2基板20の支持部26の上下面にはプラズマ重合膜などの接合膜41が形成されている。また、第3基板30の支持部36にはプラズマ重合膜などの接合膜41が形成されている。
第2基板20および第3基板30の接合をするそれぞれの接合膜41に対して活性化エネルギーを与えるために活性化処理を行う。活性化処理としてO2プラズマ処理、UV処理などが行われる。
第1基板10の支持部16の上面にはプラズマ重合膜などの接合膜41が形成されている。
第1基板10および第2基板20の接合をするそれぞれの接合膜41に対して活性化エネルギーを与えるために活性化処理を行う。活性化処理としてO2プラズマ処理、UV処理などが行われる。
また、このときの減圧容器内の圧力は第2基板20と第3基板30とを接合したときの圧力よりも大きい圧力に保持され、第1空洞部45内の圧力は第2空洞部46内の圧力に比べて大きい状態である。
このことから、第1基板10、第2基板20、第3基板30が接合された状態では、第1空洞部45と第2空洞部46の圧力の差の分だけ、第2基板20は第1空洞部45から第2空洞部46に向かって斥力が働いた状態で保持されている。
このため、第2反射膜24が形成された第2基板20の可動部21は、もう一方の第1反射膜14が形成された第1基板10とは離れる方向に力が働く。よって、第1反射膜14と第2反射膜24とは両者が離れる方向に力が働き、小さなギャップ寸法を介して対向する第1反射膜14と第2反射膜24とが貼りつきにくくする効果がある。
このように接続電極17を用いることで簡単な構成で、第1基板10と第2基板20とを電気的に接続することができるため、複雑な配線構造を回避することができる。
このように第1基板10を貫通する穴の内部に導電材料が充填された貫通電極を用いることで、密閉状態を損なうことなく第1空洞部45内が大気圧より小さい圧力(減圧状態)を保ち、第1空洞部45内から第1基板10の外周部に確実に配線をすることができる。
次に、第1実施形態の変形例について説明する。第1実施形態では各基板をガラスなどの基材を用いたが、この変形例では基板を各基板の接合の容易性を考慮してガラスおよびシリコンを用いている。本変形例では第1実施形態と同様な構成については第1実施形態と同符号を付し説明を省略する。
図5は第1実施形態におけるエタロンの変形例を示す断面図である。
エタロン6は、シリコンで形成された第1基板50と、ガラスで形成された第2基板60と、ガラスで形成された第3基板70と、第2基板60と第3基板70の間にシリコン基板71を備えている。また、シリコン基板の他に、シリコン膜を利用することもできる。
なお、本変形例における基板の材質を逆にしても良い。つまり、第1基板をガラス、第2基板をシリコン、第3基板をシリコン、第2基板と第3基板の間にガラス基板、としても良い。
[第2実施形態]
図6は測色装置の構成を示すブロック図である。
測色装置80は、検査対象Aに光を照射する光源装置82と、測色センサー84(光学モジュール)と、測色装置80の全体動作を制御する制御装置86とを備える。
この測色装置80は、検査対象Aに光源装置82から光を照射し、検査対象Aから反射された検査対象光を測色センサー84にて受光し、測色センサー84から出力される検出信号に基づいて、検査対象光の色度を分析して測定する装置である。
なお、本実施形態では、光源装置82を備える測色装置80を例示するが、例えば検査対象Aが発光部材である場合、光源装置82を設けずに測色装置を構成してもよい。
また、測色センサー84は、検査対象Aで反射された反射光(検査対象光)を、エタロン5に導光する光学レンズ(図示せず)を備えている。そして、この測色センサー84は、光学レンズに入射した検査対象光をエタロン5で所定波長帯域の光に分光し、分光した光が受光部93にて受光される。
受光部93は、フォトダイオードなどの光電変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、受光部93は制御装置86に接続され、生成した電気信号を受光信号として制御装置86に出力する。
そして、制御装置86は、光源制御部95、測色センサー制御部97、および測色処理部96(分析処理部)などを備えて構成されている。
測色センサー制御部97は、測色センサー84に接続されている。そして、測色センサー制御部97は、例えば利用者の設定入力に基づいて、測色センサー84にて受光させる光の波長を設定し、この波長の受光量を検出する旨の制御信号を測色センサー84に出力する。これにより、測色センサー84の電圧制御部94は、制御信号に基づいて、利用者が所望する光の波長を透過させるよう、静電アクチュエーターへの印加電圧を設定する。
以上、第2実施形態では、電子機器として測色装置80を例示したが、その他、様々な分野に波長可変干渉フィルター、光学モジュール、電子機器を用いることができる。
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、エタロン(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。
[第3実施形態]
図8は、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7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、エタロン(波長可変干渉フィルター)5、および受光素子137(受光部)等を含む検出部(光フィルターモジュール)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,135D,135Eと、により構成されている。
さらに、ガス検出装置100の制御部138は、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、エタロン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、ラマン散乱光がエタロン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、エタロン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エタロン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。
[第4実施形態]
この食物分析装置200は、検出器(光フィルターモジュール)210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エタロン(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(受光部)213と、を備えている。
また、制御部220は、光源211の点灯・消灯制御、点灯時の明るさの制御を実施する光源制御部221と、エタロン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、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、光フィルターモジュールに設けられたエタロン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フィルターモジュールを備えた光分析装置により、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。
[第5実施形態]
図10は、分光カメラの構成を示す斜視図である。分光カメラ300は、図10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、対物レンズ321、結像レンズ322、およびこれらのレンズ間に設けられたエタロン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、エタロン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、本発明のエタロン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 (5)
- 第1基板と、
前記第1基板の一方の面に対向し、前記第1基板と接合される第2基板と、
前記第2基板の前記第1基板と向かい合う面とは反対の面に対向して、前記第2基板と接合される第3基板と、を有し、
前記第2基板に設けられ、前記第1基板に対向する平面を有する可動部と、
前記第2基板に設けられ、前記可動部を保持し前記可動部を前記第1基板の厚み方向に移動可能とする薄肉部と、
前記可動部の前記平面および前記第1基板の前記第2基板側の面に、ギャップを介して対向配置される一対の反射膜と、
前記第1基板および前記第2基板の互いに対向する面に、ギャップを介して対向する一対の駆動電極を有する静電アクチュエーターと、
前記第1基板と前記第2基板との間に前記一対の反射膜と前記静電アクチュエーターとを含んで密閉された第1空洞部と、
前記第2基板と前記第3基板との間に密閉された第2空洞部と、を備え、
前記第1空洞部内および前記第2空洞部内は大気圧より小さい圧力で保持され、
前記第1空洞部内の圧力は、前記第2空洞部内の圧力より大きい
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1基板の前記第2基板に対向する面に、前記第2基板の方向に突出する接続電極を備え、
前記第1空洞部内で前記第2基板に形成された前記駆動電極と前記接続電極とが接続されている
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項2に記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記第1基板に、前記第1基板の厚み方向に貫通する第1貫通電極および第2貫通電極が設けられ、
前記第1貫通電極と前記第1基板に形成された前記駆動電極とが接続され、
前記第2貫通電極と前記第1基板に形成された前記接続電極とが接続されている
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 第1基板と、
前記第1基板の一方の面に対向し、前記第1基板と接合される第2基板と、
前記第2基板の前記第1基板と向かい合う面とは反対の面に対向して、前記第2基板と接合される第3基板と、を有し、
前記第2基板に設けられ、前記第1基板に対向する平面を有する可動部と、
前記第2基板に設けられ、前記可動部を保持し前記可動部を前記第1基板の厚み方向に移動可能とする薄肉部と、
前記可動部の前記平面および前記第1基板の前記第2基板側の面に、ギャップを介して対向配置される一対の反射膜と、
前記第1基板および前記第2基板の互いに対向する面に、ギャップを介して対向する一対の駆動電極を有する静電アクチュエーターと、
前記第1基板と前記第2基板との間に前記一対の反射膜と前記静電アクチュエーターとを含んで密閉された第1空洞部と、
前記第2基板と前記第3基板との間に密閉された第2空洞部と、
前記反射膜を透過した光が受光される受光部と、を備え、
前記第1空洞部内および前記第2空洞部内は大気圧より小さい圧力で保持され、
前記第1空洞部内の圧力は、前記第2空洞部内の圧力より大きい
ことを特徴とする光学モジュール。 - 第1基板と、
前記第1基板の一方の面に対向し、前記第1基板と接合される第2基板と、
前記第2基板の前記第1基板と向かい合う面とは反対の面に対向して、前記第2基板と接合される第3基板と、を有し、
前記第2基板に設けられ、前記第1基板に対向する平面を有する可動部と、
前記第2基板に設けられ、前記可動部を保持し前記可動部を前記第1基板の厚み方向に移動可能とする薄肉部と、
前記可動部の前記平面および前記第1基板の前記第2基板側の面に、ギャップを介して対向配置される一対の反射膜と、
前記第1基板および前記第2基板の互いに対向する面に、ギャップを介して対向する一対の駆動電極を有する静電アクチュエーターと、
前記第1基板と前記第2基板との間に前記一対の反射膜と前記静電アクチュエーターとを含んで密閉された第1空洞部と、
前記第2基板と前記第3基板との間に密閉された第2空洞部と、
前記反射膜を透過した光が受光される受光部と、
前記受光部により受光された光に基づいて、前記光の特性が分析される分析処理部と、
を備え、
前記第1空洞部内および前記第2空洞部内は大気圧より小さい圧力で保持され、
前記第1空洞部内の圧力は、前記第2空洞部内の圧力より大きい
ことを特徴とする電子機器。
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JP2013083850A (ja) | 2013-05-09 |
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