JP6806604B2 - 分光フィルタユニットおよび分光測光装置 - Google Patents

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ユニットに関する。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および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って、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２０１５／０８７５９４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排除した線形可変分光フィルタユニットを提供することを目的とする。また、かかる分光フィルタユニット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ユニットは、３つのフィルタを平行に配置して、第１フィルタと第２フィルタの間で多重反射する迷光を第３フィルタで遮断する。

具体的には、本発明の分光フィルタユニットは、光が入射する方向から順に、第１フィルタ、第２フィルタ、第３フィルタが間隔をあけて平行に配置される。前記第１フィルタは、線形可変バンドパスフィルタ、線形可変短波長カットフィルタおよび線形可変長波長カットフィルタのうちの１または２のフィルタを含む。前記第２フィルタは、線形可変バンドパスフィルタ、線形可変短波長カットフィルタおよび線形可変長波長カットフィルタのうちの前記第１フィルタが含まないフィルタを含む。前記第３フィルタは、前記第１フィルタが線形可変バンドパスフィルタを含む場合は、当該バンドパスフィルタと同じ波長特性を有する線形可変バンドパスフィルタを含む。そして前記第３フィルタは、前記第１フィルタが線形可変バンドパスフィルタを含まない場合は、前記第１フィルタと同じ波長特性を有する。言い換えると、前記第３フィルタは、前記第１フィルタが線形可変バンドパスフィルタを含まない場合は、前記第１フィルタが含む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同じ波長特性を有する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を含む。

本発明の分光測光装置は、上記分光フィルタユニットと、前記分光フィルタユニット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ユニットによれば、第１フィルタと第２フィルタの間で多重反射した迷光が第２フィルタを透過しても第３フィルタによって遮断されるので、多重反射の影響が排除される。これにより、異なる波長の光は分光フィルタのそれぞれ所定の位置だけを透過する。

本発明の第１実施形態の分光フィルタユニット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。 線形可変分光フィルタの作用を説明する図である。（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。 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。 本発明の第１実施形態の分光フィルタユニットが多重反射する迷光を遮断することを説明する図である。 本発明の第２実施形態の分光フィルタユニットの断面構造の模式図である。 本発明の第２実施形態の分光フィルタユニットが多重反射する迷光を遮断すること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用いられる。「フィルタ」は複数のフィルタを含むことがある。また、「フィルタ」は、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を指す場合にも用いられる。「フィルタユニット」は空間的に分離している複数のフィルタの組の意味で用いられる。また、フィルタの波長特性が同じであるとは、透過または遮断する波長範囲が同じであることをいう。

本発明の第１実施形態の分光フィルタユニットを図１〜図６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ユニット１０は、上方から入射する光に対して、第１透明基板３１の上面３２に形成された第１フィルタ１１と、第１透明基板の下面３３に形成された第２フィルタ１２と、第１透明基板と平行に配置された第２透明基板３４の上面３５に形成された第３フィルタ１３からなる。第１ないし第３フィルタ１１〜１３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。

第１透明基板３１および第２透明基板３４の種類は特に限定されず、所要の光学特性を有する石英ガラス板、硼珪酸ガラス板などを好適に用いることができる。透明基板の両面は平行である。

第１フィルタ１１は第１透明基板の上面３２に形成され、短波長カットフィルタ（ＳＣＦ）１５および第１バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４からなる。

第１ＢＰＦ１４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。ＢＰＦ１４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。

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、図１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。

ＢＰＦ１４の主透過波長λＴが変化する範囲は、適当な透過スペクトルを有する透明基板を採用することにより、２００ｎｍ〜１００００ｎｍとすることができる。しかし、主透過波長が変化する範囲の下限、すなわち第１端ｘＡにおけるＢＰＦ層１４の主透過波長は、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は、ＢＰＦ、ＳＣＦ、ＬＣＦを基板の両面に分けて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、使用波長範囲の上限、すなわち第２端ｘＢにおけるＢＰＦ層の主透過波長は、好ましくは２５００ｎｍ以下であり、より好ましくは１８００ｎｍ以下である。使用波長の上限が大きすぎると、本実施形態の構造によっても、フィルタ層の内部応力が過大となる可能性があるからである。

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、図１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。

第２フィルタ１２は第１透明基板の下面３３に形成され、長波長カットフィルタ（ＬＣＦ）１６からなる。

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、図１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、第１ＢＰＦ１４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。分光フィルタユニット１０が機能する波長範囲はλＰ〜λＱである。図３（Ａ）において、分光フィルタユニットの第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が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。

第３フィルタ１３は第２透明基板３４の上面３５に形成され、第２ＢＰＦ１７からなる。第２ＢＰＦ１７は第１フィルタの第１ＢＰＦ１４と同じ波長特性を有する。なお、第３フィルタは、第１フィルタのＳＣＦ１５と同じ波長特性を有するＳＣＦをさらに含んでいてもよい。

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。

図４は、従来の分光フィルタ５０における異なるフィルタ間の多重反射を示したものである。分光フィルタ５０は透明基板５１の上面にはＢＰＦ５４およびＳＣＦ５５が、下面にはＬＣＦ５６が形成されている。この構造は、本実施形態の分光フィルタユニット１０から第１フィルタ１１と第２フィルタ１２だけを抜き出したものと同じである。

図４において、Ａ点におけるＢＰＦ５４の主透過波長をλ１とすると、分光フィルタ５０の上方から入射した波長λ１の光は（実線で示した）、Ａ点でＢＰＦ５４を透過し、Ｂ点でＬＣＦ５６を透過して、分光フィルタ５０の下方に抜ける。一方、Ａ点におけるＢＰＦ５４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ＢＰＦ５４を透過し、Ｂ点でＬＣＦ５６に反射され、Ｃ点でＢＰＦ５４に反射され、以後両フィルタ間で繰り返し反射されて、ＬＣＦ５６を透過できるＤ点から下方に出射する。ＢＰＦ５４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５は、図４を波長λ２の光に着目して描き直したものである。図５の横軸は分光フィルタ５０のＸ方向に沿った位置を示し、すなわち分光フィルタ５０の主透過波長を示す。ハッチングした箇所は、当該フィルタが波長λ２の光（破線で示した）を反射して遮断することを表している。ＢＰＦ５４は、Ｅ点での主透過波長がλ２で、Ｅ点の周囲ではλ２の光を透過しないが、Ａ点より左側（短波長側）では副透過帯ＴＬがλ２の光を透過する。ＳＣＦ５５は、Ｅ点の右側（長波長側）から第２端ｘＢにかけてλ２の光を遮断する。ＬＣＦ５６は、Ｅ点の左側から第１端ｘＡまでの部分ではλ２の光を遮断する。

図５において、上方から波長λ２の光が入射すると、Ｅ点に入射した光はそのまま下方に透過する。Ａ点に入射した光は、ＢＰＦ５４の副透過帯ＴＬを透過し、Ｂ点でＬＣＦ５６に反射され、Ｃ点でＢＰＦ５４に反射され、以後両フィルタ間で繰り返し反射されて、Ｄ点でＬＣＦ５６を透過して下方に出射する。

これに対して本実施形態の分光フィルタユニット１０では、図６に示すように、Ｄ点でＬＣＦ１６を下方に透過した波長λ２の光は、第３フィルタ１３の第２ＢＰＦ１７によって遮断され、第３フィルタより下方には出射しない。

本発明の第２実施形態の分光フィルタユニットを図７および図８に基づいて説明する。

図７において、本実施形態の分光フィルタユニット２０は、上方から入射する光に対して、第１透明基板３１の上面３２に形成された第１フィルタ２１と、第１透明基板の下面３３に形成された第２フィルタ２２と、第１透明基板と平行に配置された第２透明基板３４の上面３５に形成された第３フィルタ２３からなる。第１ないし第３フィルタ２１〜２３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。

第１フィルタ２１は第１透明基板３１の上面３２に形成され、第１ＬＣＦ２６からなる。第１ＬＣＦ２６は第１実施形態のＬＣＦ１６と同じ物である。第２フィルタ２２は第１透明基板の下面３３に形成され、ＳＣＦ２５およびＢＰＦ２４からなる。ＳＣＦ２５およびＢＰＦ２４はそれぞれ、第１実施形態のＳＣＦ１５およびＢＰＦ１４、１７と同じ物である。第３フィルタ２３は第２透明基板３４の上面３５に形成され、第２ＬＣＦ２９からなる。第２ＬＣＦ２９は第１ＬＣＦ２６と同じ波長特性を有する。

図８において、上方から波長λ２の光が入射すると、ＢＰＦ２４の主透過波長がλ２であるＥ点に入射した光はそのまま下方に透過する。Ｄ点に入射した光は、第１ＬＣＦ２６を透過し、ＢＰＦ２４と第１ＬＣＦ２６に何回か反射された後、Ａ点でＢＰＦ２４の副透過帯ＴＬを透過するが、第２ＬＣＦ２９によって遮断され、下方に出射しない。

第１実施形態では、２つのＢＰＦ１４、１７の位置を合わせるため、第１フィルタ１１と第３フィルタ１３の横方向の位置を精密に合わせる必要があった。それに対して本実施形態の分光フィルタユニット２０では、第１フィルタ２１と第３フィルタ２３の位置合わせにそれほどの精度は要求されない。この点で本実施形態は第１実施形態より優れる。

本発明の第３実施形態の分光測光装置を図９に基づいて説明する。

図９において、本実施形態の分光測光装置４０は、被測定光の光路上に、光学系４１と、固定フィルタ４３と、分光フィルタユニット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。分光フィルタユニット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波長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、まず用途に応じて必要な波長範囲が定まり、その所要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）は所要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、特にＬＣＦが厚くなることは、前述のとおりである。本実施形態の分光測光装置４０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、所要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、カットフィルタの厚さを抑えることができる。

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。

例えば、第１ないし第３フィルタは、それぞれ異なる透明基板上に形成されていてもよい。

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 分光フィルタユニット
１１ 第１フィルタ
１２ 第２フィルタ
１３ 第３フィルタ
１４ 第１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
１７ 第２バンドパスフィルタ
２０ 分光フィルタユニット
２１ 第１フィルタ
２２ 第２フィルタ
２３ 第３フィルタ
２４ バンドパスフィルタ
２５ 短波長カットフィルタ
２６ 第１長波長カットフィルタ
２９ 第２長波長カットフィルタ
３１ 第１透明基板
３４ 第２透明基板
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
５０ 分光フィルタ
５４ バンドパスフィルタ
５５ 短波長カットフィルタ
５６ 長波長カットフィルタ
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 (10)

1. 光が入射する方向から順に、第１フィルタ、第２フィルタ、第３フィルタが間隔をあけて平行に配置され、
   前記第１フィルタは、線形可変バンドパスフィルタ、線形可変短波長カットフィルタおよび線形可変長波長カットフィルタのうち１または２のフィルタを含み、
   前記第２フィルタは、線形可変バンドパスフィルタ、線形可変短波長カットフィルタおよび線形可変長波長カットフィルタのうち前記第１フィルタが含まないフィルタをすべて含み、
   前記第３フィルタは、
   前記第１フィルタが線形可変バンドパスフィルタを含む場合は、当該バンドパスフィルタと同じ波長特性を有する線形可変バンドパスフィルタを含み、
   前記第１フィルタが線形可変バンドパスフィルタを含まない場合は、前記第１フィルタと同じ波長特性を有する、
   分光フィルタユニット。
2. 前記第１フィルタが第１線形可変バンドパスフィルタを含み、
   前記第２フィルタが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を含み、
   前記第３フィルタが前記第１線形可変バンドパスフィルタと同じ波長特性を有する第２線形可変バンドパスフィルタを含む、
   請求項１に記載の分光フィルタユニット。
3. 前記第１フィルタが第１線形可変バンドパスフィルタおよび第１線形可変短波長カットフィルタを含み、
   前記第２フィルタが線形可変長波長カットフィルタを含み、
   前記第３フィルタが前記第１線形可変バンドパスフィルタと同じ波長特性を有する第２線形可変バンドパスフィルタを含む、
   請求項２に記載の分光フィルタユニット。
4. 前記第１フィルタが第１線形可変短波長カットフィルタおよび／または第１線形可変長波長カットフィルタを含み、
   前記第２フィルタが線形可変バンドパスフィルタを含み、
   前記第３フィルタが前記第１フィルタと同じ波長特性を有する、
   請求項１に記載の分光フィルタユニット。
5. 前記第１フィルタが第１線形可変長波長カットフィルタを含み、
   前記第２フィルタが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を含み、
   前記第３フィルタが前記第１フィルタと同じ波長特性を有する、
   請求項４に記載の分光フィルタユニット
6. 前記第１フィルタと前記第２フィルタが、１枚の透明基板の両面に形成されている、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の分光フィルタユニット。
7. 前記第２フィルタと前記第３フィルタが、１枚の透明基板の両面に形成されている、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の分光フィルタユニット。
8. 透過波長の変化する範囲が少なくとも７００ｎｍ〜２５００ｎｍの波長範囲を含む、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の分光フィルタユニット。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載された分光フィルタユニットと、
   前記分光フィルタユニット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。
10. 光路上の前記分光フィルタユニットの前または後に、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９に記載の分光測光装置。

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