JPH04213403A - 可変波長光フィルタ及びセンサシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分光光度計、放射計、
測光器、及び、比色計や、入射光ビームの形で受ける光
の分散及びその波長の分析を行うための手段、及び、可
変波長通過帯域を備えた波長帯域フィルタに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】分光光度計を利用する場合、入射光ビー
ムの内容を十分に分析するため、通常、入射光ビームを
複数の異なる波長または波長間隔に分散することが必要
である。こうした分散手段の１つが、ロック（Ｒｏｃｋ
）他に対して発行された米国特許第４，６７８，３３２
号に開示されており、該特許においては、複数のファイ
バを備えたファイバオプティックスリフォーマッタ（ｆ
ｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ　ｒｅｆｏｒｍａｔｔｅｒ）が、
入射ビームをその成分波長に分散するために用いられる
。

【０００３】波長分散のもう１つの手段が、パーキンス
（Ｐｅｒｋｉｎｓ）に対して発行された米国特許第４，
６８１，４４５号に開示されており、この場合、それぞ
れ、波長スペクトルの異なる部分において機能する複数
のビーム分割器を利用して、入射光ビームの波長分散が
行われる。米国特許第４，７４３，１１４号において、
クレーン（Ｃｒａｎｅ）は、干渉計に対する光ビームの
入射角が、回転の２つの垂直方向において周期的に変動
させられる、章動エタロンを用いるファブリーペロー干
渉計による走査の利用を開示している。

【０００４】ブレーズ回折格子または同様の波長の分散
手段の利用が、シューマ（Ｓｃｈｕｍａ）に対して発行
された米国特許第４，７８５，０９０号、フィンク（Ｆ
ｉｎｋ）に対して発行された米国特許第４，７１８，７
６４号、及び、ヘトリック（Ｈｅｔｔｒｉｃｋ）他に対
して発行された米国特許第４，７７６，６９６号に開示
されている。米国特許第４，７３１，８８１号において
、ゲラー（Ｇｅｌｌｅｒ）は、その波長対強さの内容が
分析される、狭い通過帯域の波長を除く全ての入射光ビ
ームを阻止する手段を開示している。

【０００５】図１には、先行技術における狭帯域フィル
タとして用いられる単純なファブリーペローエタロン１
１が示されている。入射波１２が部分的に反射し、部分
的に透過するエタロンの第１の表面１３に到達する。光
ビームの透過部分１４は、第１の反射表面１３を通過し
、部分的に反射し、部分的に透過する第２の平行表面１
５にまで伝搬する。光ビーム１２の透過部分１４は、反
射表面１３と１５の間で反射して、多数回にわたって行
ったり、来たりし、この光の一部は、各通過時に、第２
の反射表面１５を透過する。これによって、透過光ビー
ム１６が生じ、その振幅は、エタロン１１に関連し、２
つの反射面１３及び１５間における離隔距離ｈ（一定）
に従って周知の干渉効果を示す。ファブリーペローエタ
ロンに対するこの最も単純なアプローチの場合、反射表
面１３及び１５の厚さは、無視されるので、この干渉効
果は、表面１３及び１５の離隔距離によってのみ生じる
ものである。離隔距離ｈは、通常、λｓｅｃθ／２ｎに
なるように選択されるが、ここで、ｎは、２つの反射表
面１３及び１５間における材料の屈折率、θは、第１の
反射表面において受ける光の入射角である。

【０００６】先行技術において検討されたもう１つの狭
帯域フィルタは、所定の範囲の波長λ＝λ０の遷移エッ
ジを備え、波長λ＞λ０の場合には、ほぼ完全に透過性
で、波長λ＜λ０の連続帯域の場合には、ほぼ反射性と
なる薄膜材料から成る薄膜エッジフィルタである。この
フィルタについては、参考までに本書に組み込んだ、１
９８６年マクミラン（ＭａｃＭｉｌｌａｎ）社刊行のエ
イチ・エイ・マクレオード（Ｈ．　Ａ．Ｍｃｌｅｏｄ）
による「Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｌ
ｔｅｒｓ」１８８〜２３３頁に記載があり、実施例の１
つ１７が、図２に示されている。高屈折率ｎＨの材料２
５からなる、四分の一波長の厚さλ／４ｎＨを備えた第
１のシーケンスの同一薄膜１９と、低屈折率ｎＬの材料
からなる、四分の一波長の厚さλ／４ｎＬを備えた第２
のシーケンスの同一薄膜が、互い違いになっている。複
数の波長を備えた入射光ビーム２２が、エッジフィルタ
１７に接近し、ビームが、フィルタの個々の界面で反射
し、透過した後、光ビーム２３は、長い波長成分λ＞λ
０が最小限に減衰し、λ１＜λ＜λ０の範囲の波長成分
が（反射、代わりに、透過によって）ほとんど完全に減
衰し、短い波長成分λ＜λ１が適度に減衰するか、全く
減衰せずに、フィルタ１７から出てくる。薄膜材料（そ
れぞれ１３層）としてゲルマニウム（ｎＨ＝４．０）及
び一酸化ケイ素（ｎＬ＝１．７０）を選択し、基準波長
λ０＝４．０μｍを選択する場合、計算による光の透過
率は、マクレオード（ＭｃＬｅｏｄ）の引用書の１９０
頁における図６．２に示すように、λ＝３．３μｍとλ
＝５．４μｍの間における帯域が完全に反射性であるこ
とを示す。図２の構成は、また、特定の波長帯域透過性
が高くなるか、あるいは、反射性が高くなるフィルタを
形成する多層薄膜として用いることも可能である。フィ
ルタ材料の他の適合する選択には、水晶（ｎｌ＝１．４
５）、ＭｇＦ２（ｎｌ＝１．３８）、Ｎａ３ＡｌＦ６（
ｎｌ＝１．３５）、ＰｂＣｌ２（ｎＨ＝２．２０）及び
ＺｎＳ（ｎＨ＝２．３５）がある。

【０００７】より複雑なアプローチの場合、反射表面３
５及び３７の一方の厚さも考慮に入れるので、非ゼロの
厚さを備えた反射面の間隔のあいた２つの界面における
反射から、追加干渉効果が生じることになる。このため
、２組の反射表面を備え、通常、対をなす反射表面のそ
れぞれの間における離隔距離が異なる複合ファブリーペ
ローエタロンが検討されることになる。複合ファブリー
ペロー干渉計については、１９６７年にマグローヒル（
ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）社から刊行されたイー・ユー
・コンドン（Ｅ．　Ｕ．　Ｃｏｎｄｏｎ）及びエイチ・
オディショウ（Ｈ．　Ｏｄｉｓｈａｗ）による「Ｈａｎ
ｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ」の６−１００〜６
−１０２頁、及び１９７６年にマグローヒル（ＭｃＧｒ
ａｗ−Ｈｉｌｌ）社から刊行されたエイチ・イー・ホワ
イト（Ｈ．　Ｅ．　Ｗｈｉｔｅ）による「Ｆｕｎｄａｍ
ｅｎｔａｌｓ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃｓ」の３０１〜３０３
頁に簡単に記載されている。

【０００８】同時に、分光光度計または比色計に連係し
た１つ以上の検出器で受けた光の強度分布を変更して、
他のプロセスを補償するのが望ましい場合もある。米国
特許第４，７４０，０８２号において、ユング（Ｙｏｕ
ｎｇ）は、感光検出器が、光ビームの一部が通過するア
パーチャの全領域について均一に照射される分光光度計
を開示している。米国特許第４，２６４，２１１号にお
いて、ビッグス（Ｂｉｇｇｓ）は、受けた入射光線が、
放射線の導体が非ゼロの入射角で受ける放射線に適用さ
れる余弦の法則によって補正される光センサーを開示し
ている。

【０００９】イルスレイ（Ｉｌｌｓｌｅｙ）他による米
国特許第３，４４２，５７２号には、フィルタの厚さが
、円周上における位置の方位角θ（０＜θ＜２π）が増
すにつれて線形に増大する、大きい円の周囲に配置され
た波長フィルタを利用した可変色フィルタが開示されて
いる。本発明は、その厚さが、空間座標が増すにつれて
線形に増大することのないフィルタの製作には、おそら
く利用できない、２つの分割特許第３，５３０，８２４
号及び第３，６１７，３３１号に開示され、請求されて
いる製造方法及び装置によるものである。ローディン（
Ｒｏｄｉｎｅ）による米国特許第２，９６０，０１５号
には、フィルタの透過率が円形パターンの中心からの半
径方向における距離と共に変動する、２次元で、半径方
向において対称的な構造をなす可変透過率の光フィルタ
を製造するもう１つの方法が示されている。

【００１０】カトウ（Ｋａｔｏ）他による米国特許第４
，２５３，７６５号には、それぞれが異なる積分時間に
わたって走査される副範囲に波長の可視範囲を分割する
ことによって、この可視範囲の下方端においてほとんど
の検出器の感度が低下するのを明らかに考慮した、多重
波長分光光度計が開示されている。カトウ（Ｋａｔｏ）
他は、回折格子を利用して、入射角を波長の副範囲に分
割している。

【００１１】カフカ（Ｋａｆｆｋａ）他による米国特許
第４，５６６，７９７号には、それぞれが、中心波長の
異なるほぼ単色の光を放射する、複数の狭帯域発光ダイ
オードの利用が開示されている。これによって、分光光
度計に用いられる有限の少数の離散的波長が得られるが
、これらの波長を変更し、あるいは、利用して、連続し
た波長範囲を形成することはできない。

【００１２】ホプキンス（Ｈｏｐｋｉｎｓ）の米国特許
第４，７４６，７９３号には、光源の強いスペクトル帯
域によって生じる強い光を受けることによる光ダイオー
ドの過負荷を回避するため、望ましくない周波数の光か
ら複数の光ダイオードのうちの１つ以上を遮蔽するマス
クの利用が開示されている。光源によって生じるスペク
トルの強い部分に対応する光が遮断され、残りの波長成
分からの光は、分光光度計で用いられる通常のやり方で
受けとめられる。

【００１３】ペース（Ｐａｃｅ）他に対して発行された
米国特許第４，７６４，６７０号には、赤、緑、及び青
のフィルタを所定のパターンで用いた２次元の色フィル
タアレイが開示されている。フィルタの染料は、光セン
サ上に直接有効に塗布されており、各染料は、不可避的
に広い帯域になる。この構成は、可変組をなす狭い波長
帯域を得ることができないので、分光光度計には適さな
い。

【００１４】クラウゼ（Ｋｒａｕｓｅ）他に対して発行
された米国特許第４，７９５，２５６号には、第１の単
色の光ビームを発生する第１のビームの分割器と、光ビ
ームの残りの部分から中心波長の異なる第２の単色の光
ビームを発生する第２のビーム分割器の利用が開示され
ている。これを続けることによって、少数の異なる波長
の光ビームを発生することができるが、装置全体が複雑
で、大形のため、離散的組をなす固定波長しか発生せず
、連続的な可変組をなすこうした波長は発生しない。

【００１５】クルティス（Ｃｕｒｔｉｓ）に対して発行
された米国特許第４，７９７，０００号には、２つの液
体サンプルの色濃度を比較することによって、２つのサ
ンプルの差の程度に関する測定を行う比色計が開示され
ている。この装置は、１対の光検出器において各サンプ
ルの透過光を受けることによって生じる電気信号を受信
する差動増幅回路を利用している。光検出器によって生
じる電流は、該装置のダイナミックレンジを増すため、
対数的に電圧信号に変換されるのが望ましい。この光検
出器によるセンサは、従来の離散的なフィルタとディフ
ューザの組み合わせを利用して、少数の波長の各副範囲
における透過光を分析しているように思われる。

【００１６】いくつかの米国特許には、平行な２つの反
射表面の間隔を変えることによって、干渉計によって生
じる透過が最大になる波長を変えるため、２つの反射表
面の一方を制御可能な量だけ変位させることが可能な、
ファブリーペロー干渉計構成の利用が開示されている。 これらの特許には、ヘッセ（Ｈｅｓｓｅ）に対して発行
された第３，３８７，５３１号、キャサリン（Ｃａｔｈ
ｅｒｉｎ）に対して発行された第３，６３５，５６２号
、チャムラン（Ｃｈａｍｒａｎ）他に対して発行された
第４，３１８，６１６号、ジェームズ（Ｊａｍｅｓ）他
に対して発行された第４，５７２，６６９号、マクブラ
イアン（ＭｃＢｒｉｅｎ）に対して発行された第４，７
３８，５２７号、及びマリンソン（Ｍａｌｌｉｎｓｏｎ
）に対して発行された第４，８２５，２６２号がある。

【００１７】フェイン（Ｆｅｉｎ）他は、米国特許第３
，４９８，６９３号において、光学式放射線並進装置を
開示している。フェイン（Ｆｅｉｎ）他による装置の実
施例の１つ（図３）では、互いに対して非ゼロの角度で
傾斜した、間隔をあけて配置された２つの光に対する平
面リフレクタが用いられており、リフレクタ間の空間は
、ウェッジ形の誘電材料によって占められている。光は
、このウェッジ形フィルタに通されるが、誘電材料を通
る光ビームの一方向の光路長が、単色光と仮定される光
の波長λ０の１／２の整数倍にあたる、該装置に沿った
位置に限って光波に対する構造的な干渉が必要とされる
。誘電スペーサ材料には、電界が加えられ、電圧変化の
大きさによって、光ビームの透過位置が、該装置の面を
横切って移動する。検討されている実施例は、全て、光
ビームが単色であり、フィルタに沿った離散的透過位置
は有限であって、誘電材料を通る光路長がｍλ０／２（
ｍ＝１，２，３，）の場合、離散的位置の数に等しい。 該装置に関する光の透過については、該装置の面に沿っ
て均一な間隔をあけた光ビームのスパイクの１つ、また
は、一連の離散的スパイクの様相によって示されること
になる。

【００１８】ハーネス（Ｈａｎｅｓ）他による米国特許
第３，５５２，８２６号には、厚さｈ（ｘ）が、リフレ
クタ面の所定の方向において測定される空間座標ｘが増
すにつれて指数関数的に減少する、可変厚さの多層光リ
フレクタが開示されている。リフレクタの任意のポイン
トｘにおける反射率Ｒは、単一の可変ｗ＝λ／ｈ（ｘ）
の関数であり、ここで、λは、リフレクタに対する入射
光の波長である。確実に、δ２Ｒ／δλδｘ＝０及びδ
２Ｒ／δｘ２＝０となるようにするには、座標ｘに従っ
て厚さｈ（ｘ）が指数関数的に減少する必要がある。

【００１９】ベーテス（Ｂａｔｅｓ）による米国特許第
３，９２９，３９８号には、入射単色光の波長に従って
変動する特定の座標位置ｘに光のラインを形成するウェ
ッジ形の干渉フィルタの利用も開示されている。光のラ
インの位置ｘは、可変であり、オペレータによる波長の
選択によって制御される。一連のマスクを利用して、該
ラインの部分に選択的遮蔽を施し、その光の特性を明ら
かにする（例えば、その波長）、順序づけられた一連の
暗領域と明領域が、その照射ライン上に形成される。

【００２０】ヒノダ（Ｈｉｎｏｄａ）他による米国特許
第４，５４７，０７４号には、通過帯域の異なる一群の
隣接した非重複光フィルタを利用した色検知装置が開示
されている。各光フィルタは、複数の独立した波長の通
過帯域を備えた干渉フィルタに、干渉フィルタの通過帯
域の１つに含まれる急激なカットオフ帯域を備えた色フ
ィルタを加えたものから構成される。直列に組み合わせ
たこれら２つのフィルタによって、光を透過させる特定
の狭い波長の帯域が選択される。直列に組み合わせた干
渉フィルタと色フィルタの下に位置する光ダイオードが
、透過光を受けて、いくつかの波長の通過帯域のそれぞ
れにおける光の相対強度を測定する。光ダイオードの受
光面は、異なる波長領域における光ダイオードの光に対
する感度を反映した異なる領域を備えている。こうした
フィルタのサブグループは、組をなす隣接波長帯域のそ
れぞれにおける相対光量を検知し、それによって、ＣＩ
ＥＸＹＺ比色システムによる色合わせ能力が得られるよ
うに構成することができる。入射光は、単色と想定され
るわけではないが、干渉フィルタ／色フィルタの各対を
慎重に整合させて、ある波長の通過帯域が得られるよう
にしなければならないのは明らかである。

【００２１】ヨコタ（Ｙｏｋｏｔａ）他に対して発行さ
れた米国特許第４，８２２，９９８号には、それぞれが
、異なる波長範囲に感応して、光センサが応答する波長
帯域に対応した透過波長の通過帯域を備える光フィルタ
を透過した光を受ける光センサアレイの利用が開示され
ている。ヨコタ（Ｙｏｋｏｔａ）他による特許の図１に
示す実施例の１つでは、光フィルタアレイは、フィルタ
の厚さが、一定の厚さのプラトーの１つからより厚い一
定の厚さのもう１つのプラトーへと増大する二重階段構
造の構成が施されている。第１のフィルタ階段と第２の
フィルタ階段のフィルタの厚さは、それぞれ、ファブリ
ーペローエタロンについて周知の光学干渉関係に従って
、光学干渉次数ｍ＝１及びｍ＝２に対応するように選択
されている。可視スペクトル（波長λ＝０．４〜０．７
μｍ）を２つのより小さい波長範囲に分割することによ
って、所望の次数ｍ＝１またはｍ＝２以外の各干渉次数
の側波帯が、可視スペクトルから十分に隔たった波長で
生じるようにし、単純な紫外線と赤外線の両方または一
方に対する固定帯域透過フィルタによって減衰させるこ
とができる。低次のファブリーペロー干渉帯域は、ほと
んどの分光光度計の用途によって、それ自体、十分に狭
くないのが普通である。ヨコタ（Ｙｏｋｏｔａ）他の特
許の図７に示すように、中心波長λｃ＝４００ｎｍの低
次の干渉帯域に関する半値全幅（「ＦＷＨＭ」）は、表
面反射率Ｒ＝０．２３及び０．６２について、それぞれ
、１５ｎｍ及び９．６ｎｍになる。ＦＷＨＭは、波長が
増すにつれて増大する。これらのＦＷＨＭ値は、比色計
及び放射計におけるこうしたテクノロジの多くの用途に
とってあまりにも広すぎる。ファブリーペローエタロン
表面の反射率Ｒが増すと、ＦＷＨＭは適度な量だけ狭く
なるが、そのＦＷＨＭは、やはり、分光光度計の用途に
よっては大きすぎる場合があり、透過率Ｔ＝１−Ｒが既
に低すぎて、光センサの信号のＳ／Ｎ比が問題になるこ
ともあり得る。ＦＷＨＭの波長領域を超えて延びる波長
のスカートが、やはり、広すぎて、鋭敏な波長の弁別が
行えない場合もある。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】先行技術による装置の
多くは、大きくて、かさばり、入射光ビームの連続した
波長間隔における全ての波長について十分な利用または
分析が行えない。これらの装置のコストは、部分的には
、用いられる精巧な光学系のために、高くつくのが普通
である。さらに、波長の関数として、光検出素子の不均
一な感度を同時に補償し、あるいは、非標準的な照射光
源の利用を補償するための可制御手段が開示されていな
い。

【００２３】必要とされるのは、（１）光ビームを連続
した波長間隔に効率よく分散して、この間隔を通る光ビ
ームの内容を分析し；（２）波長間隔のシフトまたは拡
大について分析可能にし；（３）複数の波長に感応する
光検出素子が受ける光ビームの強度分布を変更する融通
性が得られるようにし；（４）各光検出素子において、
波長の異なる、鮮鋭に形成された極めて狭い帯域の光が
得られるようにし；（５）単一チップ上に、コンパクト
かつ丈夫で、コストの低い装置を組み立てることができ
るようにする、コンパクトな装置である。

【００２４】

【課題を解決するための手段】これらの要求は、フィル
タ上における空間位置の変位につれて連続的に変動する
帯域透過ピーク波長を備えた波長フィルタと、該フィル
タが通す選択された波長を検出するように配置された光
センサアレイとを組み合わせることによって満たされる
。位置に従って変動する距離だけ間隔をあけた１対の、
または、一連の対をなす反射表面が、可変長フィルタと
しての働きをする。１つの反射表面からもう１つの反射
表面までの光路長は、フィルタの受光面に沿って選択さ
れた空間方向における位置に応じて変動する。これによ
って、中心波長と周囲波長の透過帯域間隔のシフトが可
能になり、同時に、光検出素子におけるビームの強度分
布の変更が可能になる。フィルタが特定の中心波長λｃ
を備えた光の透過または反射を促進し、あるいは、強化
することになるフィルタ上の位置において、フィルタ層
の厚さは、構造に応じて（ｍ−１／２）λｃ／２ｎ又は
ｍλｃ／２ｎ（ｍ＝１，２，３，…）となるのが望まし
く、ここで、ｎは、フィルタ材料の屈折率の実部である
。所定の波長λにおける光の反射を促進すべき場合、フ
ィルタの厚さは、（２ｍ−１）λｓｅｃθ／４ｎとなる
のが望ましく、ここで、θは、光ビームの入射角である
。

【００２５】実施例の１つにおいて、本発明には、少な
くとも部分的に透過し、厚さが選択された空間方向にお
いて単調に増大する材料の層が含まれており、この場合
、単一層のある位置における特定の厚さは、ｍλｃｏ／
２ｎ（透過モード）または（ｍ−１／２）λｃｏ／２ｎ
（反射モード）に等しいが、ここで、ｍは正の整数、λ
ｃｏは選択された帯域の中心波長λｃにおける特定の中
心波長、及び、ｎは材料の屈折率の実部である。この実
施例には、また、フィルタ層に隣接して配置されて、選
択方向のさまざまな位置においてフィルタ層を透過し、
あるいは、フィルタ層から反射する光を受ける光センサ
のアレイが含まれている。こうしたフィルタの例には、
互いにごく小さい角度をなす２つの反射平面によって部
分的に仕切られたウェッジ状の材料がある。任意選択に
より、この層の受光面の少なくとも１つは、該受光面に
、または、それに隣接して付着したフィルタ層を備えて
おり、出力信号に望ましくない側波帯が生じるのを抑制
するようになっている。本書で用いられる「側波帯」は
、所望の中心波長を含まない通過帯域である。

【００２６】ウェッジ状の、または、ウェッジ状の層を
なすフィルタ材料は、反射表面間の厚さまたは距離が位
置に従って変化する、修正エタロンとして機能する。こ
のフィルタからの透過光または反射光を利用することが
可能である。これは、後述の他の実施例についてもあて
はまる。

【００２７】第２の実施例の場合、本発明には、選択さ
れた空間方向において厚さが単調に増大する第１の狭帯
域フィルタと、第２の広帯域フィルタが含まれている。 ２つのフィルタのそれぞれは、透過モードと反射モード
のいずれかにおいて、独立して動作することができ、こ
の結果、フィルタの一方によって送り出される光ビーム
は、もう一方のフィルタが受けることになる。広帯域フ
ィルタは、任意選択により、厚さが選択された空間方向
において単調に増大し、第１のフィルタの狭い通過帯域
及び第２のフィルタの広い通過帯域の中心波長が、選択
方向における位置に応じて変化する。第１のフィルタ層
のある位置における垂直方向の厚さは、ｍλｃ／２ｎ（
透過モード）または（ｍ−１／２）λｃ／２ｎ（反射モ
ード）に等しく、ここで、ｍは、正の整数、ｎは、第１
の層材料の屈折率の実部、及びλｃは、その位置におけ
る第１のフィルタの狭い通過帯域の中心波長である。 光センサのアレイは、第１のフィルタと第２のフィルタ
におけるそれぞれの選択位置を透過し、あるいは、そこ
から反射した光ビームの一部を受けるように任意選択で
配置することができる。

【００２８】該実施例のそれぞれにおけるフィルタは、
光学通過帯域の中心波長が位置に応じて変動可能な、フ
ァブリーペローエタロンとして、エッジフィルタとして
、多層薄膜として、あるいは、同様の光学フィルタ装置
として形成することができる。

【００２９】第３の実施例の場合、ほぼ一定の厚さを備
えた第１の反射表面と、それぞれ、ほぼ一定の厚さを有
し、第１の表面とほぼ平行な複数の２つ以上の平面階段
セグメントを備えた階段構造をなすように構成された第
２の反射表面が設けられ、第１の反射表面と第２の反射
表面との間の空間には、フィルタ材料の層が含まれてい
る。第１の表面と、第２の表面の階段セグメントのそれ
ぞれとの離隔距離は、選択された空間方向において単調
に増大する（または減少する）が、一定のインクリメン
トで増大する（または減少する）必要はない。

【００３０】第４の実施例の場合、１つは高域フィルタ
で、もう１つは低域フィルタの、２つのエッジフィルタ
が、入射光ビームの光路内に直列に設けられ、その結果
、中心波長λｃの周囲に狭い波長の帯域を備える光ビー
ムが生じるようになっており、λｃは、組合わせフィル
タ上における選択された空間方向に沿って測定を受ける
空間座標ｘに応じて変動する。波長λｃは、２つのエッ
ジフィルタのそれぞれを構成する、１つ以上の光学的屈
折材料の層の厚さを変えることによって、位置ｘに応じ
て変動させられる。

【００３１】第５の実施例の場合、厚さが単調に増大す
る少なくとも１つの層を備え、狭い通過帯域の中心波長
λｃが位置に従って変動する、多層薄膜が設けられる。

【００３２】このフィルタ装置は、フィルタ、及び、選
択された方向に伸び、光ビームのうちフィルタを透過す
る部分を受けるように配置された光センサのアレイを含
む分光光度計装置に組み込むことができる。この光セン
サのアレイは、光ビームのうち入射光ビームにおける連
続した波長間隔に対応する部分を受ける。分光光度計装
置には、それぞれ、フィルタ装置のさまざまな位置を透
過した光を受ける、対応する光センサアレイまたは共通
アレイのセグメントを備えている。２つ以上の複数のこ
うしたフィルタに加え、異なる光センサアレイの波長範
囲にステッチングを施す電子回路要素も含めることがで
きる。こうして、複数の重複する、または、重複しない
波長間隔を分光光度計装置によって分析することが可能
になる。該装置には、また、入射光ビームを受けて、さ
もなければ、フィルタの第１の受光面で受けることにな
る光の強度の空間分布に変更を加える配光手段を含める
ことも可能である。

【００３３】１つ以上のコンパクトなチップに分光光度
計のフィルタ及び連係する光センサ装置を組み込むこと
によって、該装置は、入射光の波長スペクトル分析を必
要とするさまざまな医学上の、環境上の、及び、その他
の状況において利用するのに十分なコンパクトさを備え
ることが可能になる。該装置は、例えば、比色計に利用
し、特定の色の特性またはもう１つの色に対する近似性
を確かめたり、カラープリンタ、コンピュータモニタ、
または、テレビジョンスクリーンに表示される色信号を
モニタしたり、あるいは、局部的な環境条件の変化によ
って表示される色の変化をモニタしたりすることができ
る。また、該装置を測光器に利用して、入射光の総量を
測定したり、あるいは、放射計に利用して、マイクロ波
領域のような制限された周波数範囲における入射光の総
量を測定したりすることができる。また、該装置は、複
数チャンネル通信の受信器として、カラースキャナとし
て、あるいは、モノクロメータとして利用することも可
能である。これらの用途のほとんどについて、該装置は
、可搬性にするのに、または、手で支える装置として用
いることができるようにするのに十分な小形化が可能で
ある。

【００３４】

【実施例】本発明の実施例の１つ２４を示す図３を参照
すると、光ビーム２５は、変化させることが可能である
が、一定であることが望ましい厚さｈ１を備えた第１の
反射表面または層２６に達する。本書における用語「光
」は、電磁スペクトルの任意の部分を表すものと考えら
れる。 本書における用語「層」は、むき出しの表面、またはフ
ィルタ層で被覆された表面とすることが可能な、少なく
とも１つの受光面を備えた材料を表すものである。第１
の反射表面２６は、厚さがｈ３の第２の反射表面または
層２７から間隔をあけて配置され、これと向かい合って
いる。反射表面２６または２７に独立した層が設けられ
ていない場合、ｈ１＝０またはｈ３＝０になる。２つの
反射面または層２６及び２７は、スペーサ層２８によっ
て分離されており、２つの反射表面または層２６及び２
７の離隔距離ｈ２（ｘ）は、第１の反射表面または層２
６の受光面に沿った選択方向において測定を受ける空間
座標ｘに応じて変動する。スペーサ層２８は、空気また
は真空とすることができ、反射層２６及び２７は、機械
的な自己支持形とすることができ、あるいは、層２８は
、下記のようなもう１つの光学媒体とすることができる
。

【００３５】実施例の１つでは、２つの反射表面または
層２６及び２７は、平面であり、図示のように、ごく小
さい角度ΔΦを形成するが、この角度は、一般に、ミソ
ラジアンのオーダである。これによって、ウェッジ状の
スペーサ層２８が形成される。ウェッジ状の層２８は、
層の厚さを所定の方向に沿って変化させる移動マスクを
利用し、基板上に被着させることによって形成すること
ができる。入射光ビーム２５の一部は、第１の反射表面
２６を透過し、スペーサ層２８内における多重反射によ
って、複数の第１の透過ビーム２９になる。第１の各透
過ビーム２９の一部は、さらに、第２の反射表面２７を
透過し、透過方向にフィルタ２４から送り出される１つ
または複数の第２の透過ビーム３０になる。

【００３６】入射光ビーム２５が、選択された連続的な
波長帯域内の波長λｃを有する光ビーム成分を備えるも
のと仮定する。反射層２６及び２７が金属の場合、金属
層の厚さｈ１及びｈ３は、関係する波長帯域において所
定の反射係数が得られるように選択される。代替案とし
て、層２６及び２７の一方または両方を、屈折率の高い
ものと、屈折率の低いものからなる、少なくとも２つの
異なる材料による薄膜のスタックとすることが可能であ
り、高屈折率の材料と低屈折率の材料が、周知の方法で
互い違いに構成されることになる。比較に関する句「高
い屈折率」及び「低い屈折率」は、本書においては互い
に対して用いられている。可視波長領域及び近赤外線波
長領域において、低（高）屈折率の材料は、屈折率が、
ｎ＜１．７（ｎ＞１．７）である。赤外線波長領域の残
りの部分においては、低（高）屈折率の材料は、屈折率
が、ｎ＜２．５（ｎ＞２．５）である。

【００３７】２つの反射表面または層２６及び２７の可
変離隔距離ｈ２（ｘ）は、空間座標ｘの増大につれて単
調に増大するか、あるいは、単調に減少し、ｈ２（ｘ０
）＝ｍ２λｃ／２ｎ２となるポイントを少なくとも１つ
含んでいるが、ここで、ｍ２は、正の整数であり、ｎ２
は、スペーサ層２８におけるスペーサ材料の屈折率の実
部である。従って、フィルタ２５に沿った少なくとも１
つの位置ｘ０に関して、層２８を透過する全光路長は、
半波長λｃ／２の整数倍である。入射光は、第１の反射
層１５に対して小さい入射角または適度な入射角をなし
て到達する。実際には、この入射角は、零度になるよう
に選択されるのが普通である。空間座標ｘは、カルテシ
アン座標のような直線変数の場合も、極座標または方位
座標のような角変数の場合も、あるいは、他の曲線空間
座標の場合もあり得る。

【００３８】単一のウエッジ状のフィルタ材料による層
２８を光ビームが通過することによって、該システムが
設計対象とした中心波長に相応の近接波長の縞を生じる
可能性がある。任意選択により、層２８の受光表面２６
及び２７の一方に単一のフィルタ層を備えることもでき
るし；層２８の受光表面２６及び２７の一方または両方
に、２つ以上のフィルタ層を設けることもできる。これ
らのフィルタ層は、比較的狭い波長の帯域透過領域の中
心が関係する中心波長λｃまたはその近くにくるように
、また、吸光または反射によって、さもなければ、透過
ビーム３０に生じる可能性のある縞の波長の入射光を除
去するように選択されている。ｘ１＜ｘ２　の時には必
ず、（ｘ１）＜ｈ（ｘ２）になる場合、関数ｈ（ｘ）は
、座標ｘが単調に増大するものと定義される。本発明の
本書で検討の実施例の場合、２つの表面の可変離隔距離
ｈ（ｘ）が、空間座標ｘに従って単調に増大（または減
少）すれば十分であり、従って、一定の離隔距離ｈ（ｘ
）の間隔と間隔の間に、ｈ（ｘ）がｘに応じて全く単調
に増大する（ｘ１＜ｘ２の時は必ずｈ（ｘ１）＜ｈ（ｘ
２）になる）間隔を散在させることも可能である。完全
に単調ではないが、単調に増大する関数の一例として、
後述の、図１４に示す反射表面６３と一連の階段のステ
ップ状反射表面６７−ｑ（ｑ＝１，２，…）との間にお
ける距離ｈ（ｘ）がある。完全に単調に増大する関数の
例には、図３に示す反射表面２６と２７との間における
距離ｈ（ｘ）がある。

【００３９】第１と第２の表面２６及び２７の材料は、
少なくとも部分的に透過性であって、材料の厚さ部分を
透過する波長λｃの光のせいぜいわずかな部分しか吸収
しないのが望ましい。第１と第２の反射表面２６及び２
７の材料及びスペーサ層の材料２８は、ガラス、絶縁体
、シリコン及びゲルマニウムといった半導体材料、アル
ミニウムのような金属、あるいはフッ化マグネシウム、
硫化亜鉛、方解石、サファイア、さらに、アルミニウム
、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、チタン、セリ
ウム、及び、ジルコニウムの酸化物といった他の材料の
引抜き加工によって得られる。スペーサ層２８のスペー
サ材料は、透過性であって、ここで利用されている波長
λｃの光及び厚さ範囲ｈ２（ｘ）に関する吸収がわずか
、または、最小限になるのが望ましい。

【００４０】薄膜の光学フィルタは、当該技術において
周知のところである。それらは、ガラスのような所定の
基板上に屈折率の高い光学層と低い光学層を交互に真空
蒸着させて形成されるのが普通である。光学的透過層の
スタックに入射する光は、各層の境界で部分的に反射し
、反射率の大きさは境界の両側における屈折率の比によ
って決まる。ビームが屈折率の低い媒体内から屈折率の
高い媒体に接近する際に生じる反射には、１８０度の移
相が含まれる。ビームが屈折率の高い媒体内から屈折率
の低い媒体に接近する際に生じる反射は、境界において
移相を生じない。反射ビームは、位相関係に従って、構
成的に、または、破壊的に再結合する。それぞれ、光学
厚さが入射光の四分の一波長またはその適当な倍数に等
しい、複数の薄層で光学フィルタを構成することによっ
て、フィルタの透過率または反射率は、高い屈折率と低
い屈折率の比、及び、層の数によって、中心波長あたり
の制限されさた範囲にわたって、この波長の所定の分数
倍となるように高めることができる。

【００４１】これらのスペクトルゾーン外においては、
多層の組み合わせの反射率が、急激に変化して低い値に
なる。反射される波長の範囲は、異なる四分の一波長の
厚さを備えた層を追加し、層の厚さを変更し、スタック
に用いられる連続層の屈折率の比を最大にすることによ
って拡張することができる。ほぼ非吸収性の光学材料で
フィルタを作ると、反射によって排除されない波長の光
が、フィルタを透過するし、またその逆にもなる。この
作用のため、制限するわけではないが、短波及び長波透
過エッジフィルタ、狭帯域透過フィルタ、広帯域透過フ
ィルタ、及び、反射と透過の両方に用いられるノッチフ
ィルタを含む、広い波長範囲にわたり所望の特性を備え
た薄膜の光学フィルタを形成することが可能になる。

【００４２】薄膜の狭帯域透過フィルタは、２つのアプ
ローチの一方を利用することによって作製される。第１
のアプローチでは、透過範囲または反射範囲が、関係す
る極めて狭い波長帯域にわたってスペクトル的に重複す
る２つのエッジフィルタを組み合わせる。鋭いエッジの
短波及び長波を通す四分の一波長板フィルタのスタック
が、狭い透過帯域の形成によく適合する。この場合、「
四分の一波長板」という句は、厚さｈと屈折率ｎ（λ）
との掛け算による積が、ｈｎ（λ）＝λ／４、３λ／４
、５λ／４等を満たす光学的に透明な材料（関係する波
長λにおける吸収率が低い）であることを表している。

【００４３】第２のアプローチでは、それぞれ、２つの
反射率の高い（一般的に８０％を超える）多層スタック
の間にはさまれた、２つ以上の二分の一波長板のスペー
サ層を組み合わせて、ファブリーペロー干渉計に似た干
渉計を形成する。スペーサ層内で反射する光は、多重ビ
ーム干渉を受けることになる。フィルタに入射する光の
透過（または反射）率は、スペーサ層の光学的厚さが関
係する波長の半分の整数信にあたることになる波長周辺
の狭い波長帯域についてのみ、狭めて高くなる。場合に
よっては、反射性の金属層、または、薄膜の反射性コー
ティング及び金属リフレクタの組み合わせが、上述の純
粋な薄膜による高反射率のコーティングの代わりに用い
られる。

【００４４】上記通過帯域の狭いフィルタによる各アプ
ローチの場合、所望の波長の帯域透過には、高次または
低次の縞及び側波帯が伴うことになる。これらの望まし
くない帯域は、通常、薄膜の広帯域透過フィルタ、吸収
性フィルタ、または、所望の狭帯域透過ゾーンに限って
スペクトル的に重なるように設計された、次数の異なる
ファブリーペロータイプのフィルタの組み合わせを利用
した追加フィルタリングによって抑制することができる
。普通、狭帯域及び広帯域の減衰フィルタを組み合わせ
るには、１つ以上の基板の片側または両側にコーティン
グを施す必要がある。

【００４５】多数の材料が、透光層の薄膜被着に適して
おり、特定のスペクトル領域内における吸収性が低い。 可視スペクトル及び近赤外線スペクトルの場合、最も一
般的な高屈折率のコーティング材料としては、ゲルマニ
ウム（屈折率ｎ＝４．０）、シリコン（ｎ＝３．２）、
硫化亜鉛（ｎ＝２．３５）、二酸化チタン（ｎ＝２．２
〜２．４）、二酸化ジルコニウム（ｎ＝２．２）、酸化
セリウム（ｎ＝２．２）、硫化亜鉛（ｎ＝２．１２）、
及び、酸化カドミウム（ｎ＝２．０６）などがある。可
視スペクトル及び近赤外線スペクトルに関して最も一般
的な屈折率の低いコーティング材料には、フッ化マグネ
シウム（ｎ＝１．３８）、石英（ｎ＝１．４５）、二酸
化シリコン（ｎ＝１．５）、及び、酸化アルミニウム（
ｎ＝１．６２）がある。一般に、三酸化アンチモン及び
氷晶石が、３００〜４００ｎｍの紫外領域に適したコー
ティング材料として用いられる。中間の赤外線領域及び
遠赤外線領域の場合、ゲルマニウム（ｎ＝４．０）また
はテルル化鉛（ｎ＝５．５）が、良好な高屈折率材料で
あり、硫化亜鉛（ｎ＝２．３５）が、良好な低屈折率材
料である。

【００４６】前掲のエイチ・エイ・マクレオード（Ｈ．
　Ａ．　ＭｃＬｅｏｄ）による「Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　
Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｌｔｅｒｓ」にような論文中に既
述の各種フィルタを作製するための四分の一波長板の層
と二分の一波長板の層との組み合わせ、及び、光学材料
の数は、無制限である。この参考文献には、当該技術に
おいて利用可能な設計のタイプ及び数が説明されている
。

【００４７】フィルタスタックの平面における所定の方
向に沿って、フィルタスタックの１つ以上のコーティン
グ層の厚さを変えることによって、本発明に利用される
タイプの連続可変狭帯域透過干渉フィルタを作ることが
できる。実施例の１つでは、フィルタは、２つの平面層
によって形成されるウェッジであり、狭帯域透過フィル
タの中心波長λｃは、フィルタの全長に沿って、または
、フィルタの選択された他の方向に沿ってほぼ線形に変
動することになる。基板に対するフィルタ層の真空蒸着
時に、基板を横切ってマスクを移動させることによって
、ウェッジ状の、または、別様の可変厚さの層を形成す
ることが可能である。移動マスクは、該マスクで遮蔽さ
れた領域の蒸着を阻止する。従って、蒸着速度とマスク
の並進速度との比に制御を加えることによって、所望の
コーティング厚さの勾配を形成することが可能になる。

【００４８】本発明の働きについては、単純な金属リフ
レクタのファブリーペローの狭帯域エタロンで実証する
ことができる。この場合、二分の一波長板の光学スペー
サ層は、２つの部分的に透過性の金属リフレクタ層の間
に配置されている。所定の波長λのフィルタによる透過
率は、

【００４９】

【数１】

【００５０】によって求められるが、ここで、Ｒは、金
属層の反射係数であり、ｎ（λ）及びｈは、それぞれ、
屈折率及びスペーサ層の厚さである。所定の厚さｈの場
合、フィルタは、帯域幅が金属層の透過率（α１−Ｒ）
に比例した一連の透過縞を発生する。特定の次数の（ｍ
＝１，２，３，）透過に関する通過帯域の場合、ｎ（λ
）がほぼ一定と仮定すると、ｈ／λの比が一定のままで
あれば、透過率が一定のままになることが分かる。 換言すれば、二分の一波長の光学層の厚さｈが、フィル
タの所定の平面方向に沿って変化する場合、各次数の透
過に関する通過帯域の中心波長λｃが、正比例して変化
する。

【００５１】図４には、本発明により、ダブルキャビテ
ィを利用し、３つの異なるフィルタ、または、単一の可
変波長フィルタにおける３つの異なる位置で生じる波長
λｃ＝４２５ｎｍ（ｘ＝ｘ１）、５４９ｎｍ（ｘ＝ｘ２
）、及び、６６９ｎｍ（ｘ＝ｘ３）に中心がくる、帯域
透過領域が重なり合うことによる結果が示されている。 これらの３つの帯域の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、それぞ
れ、７．１ｎｍ、９．２ｎｍ、及び、１１．２ｎｍであ
り、代表的な中心波長λｃが増大するにつれて、干渉フ
ィルタに生じる自然な幅の広がりを示している。

【００５２】図５には、８５％の反射率の金属層と、物
理的厚さがその全長に沿って約ｈ＝４００ｎｍから約ｈ
＝１０００ｎｍに線形に変動するガラスのスペーサ層（
ｎ＝１．５２）を備える。２つのキャビティを持つファ
ブリーペローフィルタの２次縞の理論的透過率が示され
ている。３次、４次、及び、５次の通過帯域の透過率は
、二分の一波長の物理的厚さが、それぞれ、ｈ＝８１２
ｎｍ、６０９ｎｍ、及び、４８７ｎｍになるフィルタ位
置においてλ＝７３３ｎｍ、λ＝５５０ｎｍ、及び、λ
＝４４０ｎｍの波長でピークに達する。実線の透過率曲
線と破線の透過率曲線は、それぞれ、観測ポイントにお
ける座標の値ｘ＝ｘ１＝０．５Ｌ及びｘ＝ｘ２＝０．７
Ｌに対応しており、ここで、Ｌは、フィルタの長さであ
る。中間のピークは、フィルタの両端間における中間の
波長位置に生じる。

【００５３】前述のように、スペクトル的に広い、反射
率の高い薄膜スタックを上述の金属層の代わりに用いる
ことが可能である。この技法は、広帯域透過フィルタ、
短波透過エッジフィルタ、長波透過エッジフィルタ、及
び、狭帯域透過フィルタを含む、上記薄膜フィルタタイ
プのうち任意のものによる１つまたは複数の層に対して
、透過モードまたは反射モードで適用することができる
。通常、フィルタタイプの組み合わせには、単一の狭帯
域透過の側波帯または縞を阻止する必要がある。側波帯
の阻止層においても、狭帯域透過層においても、可変厚
さの層であることが望ましく、帯域内のフィルタリング
と帯域外のフィルタリングが、フィルタの可変波長方向
に沿って、互いに相補する。全てのフィルタ層を収容す
るのに、２つ以上の基板が必要になる場合がよくあり、
基板のアライメントを適正にとる必要がある。

【００５４】ｘに応じて変動する離隔距離ｈ２（ｘ）を
無視して、図３において上方からスペーサ層２８に入射
する光ビームを集中的に取り上げると、スペーサ層２８
だけに関する正規化強度反射係数Ｉｒ及び正規化強度透
過係数Ｉｔは、それぞれ、

【００５５】

【数２】

【００５６】となり、ここで、ｎ２（λ）は、スペーサ
層２８の屈折率であり、θは、光ビームの入射角であり
、Ｒは、層２８と周囲媒体との界面に対する反射係数で
ある。スペーサ層２８における吸収は、無視されている
。この構成によって、Ｒと縞の次数ｍによって決まる波
長の自由スペクトル範囲Δλ＝２ｎｈ２（ｘ）ｃｏｓθ
／ｍ（ｍ＝１，２，３，…）だけ隔てられた一連の帯域
透過領域が形成される。これらの結果については、参考
までに本書に組み込まれた、１９７５年にペルガモン・
プレス（Ｐｅｒｇａｍｏｎ　Ｐｒｅｓｓ）から出版され
たエム・ボーン（Ｍ．　Ｂｏｒｎ）及びイー・ヴォルフ
（Ｅ．　Ｗｏｌｆ）による「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏ
ｆ　Ｏｐｔｉｃｓ」に記載がある。これらの式に吸収の
効果を組み込むと、この結果にわずかな量的変化が生じ
ることになる。Ｒ＜１及びθ＝０の場合、強度透過係数
Ｉｔは、波長λ＝λｃの光についてｓｉｎβ／２＝０ま
たは、　　　　ｈ２（ｘ）＝ｍ（λｃ／２ｎ２）　　（
ｍ＝１，２，３，…）　　　　　　　　　（５）を選択
することによって最大になる。強度反射係数Ｉｒは、ｓ
ｉｎβ／２＝±１または　　　　ｈ２（ｘ）＝（ｍ−１
／２）（λｃ／ｎ２）　　（ｍ＝１，２，）　　　　　
　（６）を選択することによって最大になる。一定の波
長及び厚さｈ２（ｘ）の場合、透過状況及び反射状況に
関して、異なる波長が強調される。これらの関係は、単
一層の場合に限ってあてはまる。多層の薄膜の場合には
、他の考慮が加えられる。

【００５７】図３に示す装置２４は、反射平面または層
２６及び２７が完全に平行ではないので、厳密に言えば
、ファブリーペローエタロンではない。入射光ビームか
らの間隔の密なグループをなす光線が、スペーサ層２８
のほぼ同一の厚さ部分ｈ２を通過し、反射表面２６及び
２７の平面間における小さい角度ΔΦのため、急速にエ
タロンから「立ち去る（ｗａｌｋｏｆｆ）」ことになる
。

【００５８】選択された方向において約１０μｍ以上の
距離Δｘだけ離れた２つの間隔の密なグループをなす光
線が、スペーサ２８のかなり異なる厚さ部分ｈ２（ｘ）
を通過し、その結果、異なる干渉効果を示すことになる
可能性がある。従って、図３におけるフィルタ２４の２
つの位置ｘ＝ｘ１（図５における連続したライン）及び
ｘ＝ｘ２（図５におけるドットライン）を透過した光ビ
ーム２５の一部３０は、図５に示すように、異なる組を
なす波長において透過強度Ｉ（λ；ｘ）のピークを示す
可能性がある。

【００５９】代替案として、入射光ビームの波長λを固
定し、フィルタに沿った位置ｘの関数として透過強度Ｉ
（λ；ｘ）を観測する場合、この強度のグラフには、一
連の十分に離れたピークと、介在する低点が示されるこ
とになる。透過強度Ｉ（λ；ｘ）の最大値が生じる一組
の波長が、ほぼ連続的にシフトン、図３に示すビームの
透過部分の観測位置ｘが変動するにつれて、これらの最
大値の大きさが、ほぼ連続的に変化する。従って、分光
光度計、比色計及び、他の用途に用いることができる、
ピーク波長を制御可能に、連続してシフトさせる技法が
、意のままになる。

【００６０】図３に示す光フィルタの実施例２４のよう
な光学系は、次数ｍ＝１の選択された基本波長、λ＝λ
０、及び他の縞波長、λ＝λ０／ｍ（ｍは、整数≧２）
で生じる光を促進し、あるいは強化する。より高次の縞
が中心波長に用いられる場合（ｍ≧２とした場合のλｃ
＝λ０／ｍ）、その縞信号の波長に関する増減は、基本
波長（ｍ＝１）に関する対応する増減に比べて急激にな
るが、隣接する望ましくない縞の中心間波長差Δλが減
少する。代表的な中心波長が、１次または２次（ｍｂｂ
＝１または２）に関して、λｂｂ，ｃ＝λ０／ｍｂｂと
なる、広帯域光フィルタが設けられている場合も、波長
に関する減衰は、穏やかになるが、縞または側波帯の波
長、λ＝λ０／ｍｂｂ（ｍｂｂ≧２）は、間隔がかなり
広がるので、この場合、その存在を無視することが可能
になる。従って、中心波長、λｃ＝λ０／ｍ（ｍ≧２）
で働く狭帯域透過光フィルタと、ｍｂｂ＝１または２と
した場合の中心波長λｂｂ，ｃ＝λ０／ｍｂｂで働く広
帯域透過光フィルタを直列に組み合わせると、上述のア
プローチによって、制御波長または中心波長λｃを変化
させることが可能な、単一の急激に減衰する狭帯域フィ
ルタが形成されることになる。

【００６１】本発明による光フィルタには、狭帯域フィ
ルタと広帯域フィルタの両方を設けるのが望ましい。広
帯域透過フィルタは、一定の広い通過帯域を備えること
もできるし、あるいは、中心波長が狭帯域透過フィルタ
の中心波長λｃと同じで、それと共に変化する可変の広
い通過帯域を備えることもできる。

【００６２】本発明は、第１の反射表面の振幅反射係数
Ｒが低い（Ｒ≧０．２）場合、反射表面間にスペースを
あける四分の一波長板を備えた単純なエタロンに関して
、図６に示すような反射モードで機能させることもでき
る。入射光ビーム３２は、入射角θ１で、修正エタロン
３１の第１の反射表面３３に接近する。エタロン３１は
、受光面３３におけるある方向に沿って測定される座標
ｘに従って変動する、装置の２つの反射表面３３と３４
の間で測定される厚さｈ２（ｘ）を備えている。入射光
ビーム３２は、表面３３において部分的に反射し、反射
光線３５の１つがこうした光線のアレイ３５の形で発生
するが、周知のように、屈折角θ２で部分的に透過し、
エタロンスペーサ材料３６に入り込む。屈折した光ビー
ム３７は、エタロン３１の第２の反射表面３４で部分的
に反射し、第１の反射表面３３に向かって戻って行く反
射光ビーム３８が生じる。屈折光ビーム３７の残りの部
分が透過し、この場合、排除される光ビームとして扱わ
れることになる、もう１つの光ビーム３９として送り出
される。表面３３及び３４における強い反射は、狭く、
ピークが急激に生じる波長の通過帯域を除き、表面に適
当な反射防止コーティングを施すことによって抑制する
ことができる。こうしたコーティングについては、前掲
のエイチ・エイ・マクレオード（Ｈ．　Ａ．　ＭｃＬｅ
ｏｄ）による「Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　Ｏｐｔｉｃａｌ　
Ｆｉｌｔｅｒｓ」の７１〜１３６頁に記載がある。

【００６３】反射される光ビーム成分３８は、第１の表
面３３に向かって戻り、周知のように、反射光ビームの
アレイ３５を生じるもう１つの原因となる。ほぼ平行な
反射光ビームのアレイ３５が、修正光源として働き、後
続の用途または分析に備えて、所定の波長が強められ、
あるいは、助長される。反射モードの場合、上記の式（
２）が有効であり、強められる波長λｃは、 　　ｓｉｎ（β／２）＝ｓｉｎ（２πｎ２ｈ２（ｘ）ｓ
ｅｃθ２ｃｏｓθ１／λｃ）＝±１　　　　　　（７）
　　ｈ２（ｘ）＝（ｍ−１／２）λｃｃｏｓθ２ｓｅｃ
θ１／ｎ２　　（ｍ＝１，２，…）　　　　　　（８） によって決まる。位置ｘにおけるエタロンの厚さｈ２（
ｘ）が、例えば、ｘの増加につれて単調に増す場合、位
置ｘで強められる中心波長λｃは、式（８）に従ってｘ
と共に変動し、波長の分散が、該装置から得られること
になる。

【００６４】図７に示す反射モードに関するもう１つの
実施例４０の場合、入射光ビーム４１−１は、第１の反
射表面及び光フィルタ４２から１度反射したビーム４１
−２として反射される。１度反射したビーム４１−２は
、第２の反射表面及び光フィルタ４３から２度反射した
ビーム４１−３として反射され、２度反射したビーム４
１−３は、アレイ４４に隣接して配置されたもう１つの
光フィルタ（任意選択）を備える光センサアレイ４４（
任意選択）によって遮断される。１つ以上の光フィルタ
を、反射表面４２及び４３のそれぞれに、及び、光セン
サアレイ４４に配置することができる。こうした光フィ
ルタが１つだけしか必要でない場合、光路内の第２の光
の反射表面４３を除去することができる。こうした各表
面に波長に合わせたフィルタを設けることによって、こ
うした反射表面を３つ以上利用することも可能である。

【００６５】図８には、反射モードしか利用しないもう
１つの構成が示されている。３つ以上の複数の平面を備
え、多面形として形成された光学プリズム４５が、光の
大部分を透過して、プリズム内に送り込むため、反射コ
ーティングを施すのが望ましい第１の面４６−１で入射
光ビームを受ける。面４６−１は、本発明に従って作ら
れ、その表面に配置される、狭帯域または広帯域の第１
の波長フィルタ４７−１を備えることも可能である。光
ビームは、プリズム４５内で屈折し、第２の狭い帯域ま
たは広帯域の波長フィルタ４７−２が配置された第２の
プリズム面４６−２における内部反射によって反射され
る。次に、反射光ビームは、プリズムの第３の面４６−
３にまで進行し、そこに配置された光センサアレイ４８
（任意選択）に達することになる。代替案として、第３
のプリズム面４６−３に、第３の波長フィルタ（図８に
は示されていない）を配置することもできるし；あるい
は、面４６−３に、反射防止コーティングを施して、光
ビームのエネルギーの大部分または全てがプリズム４５
を透過するようにすることも可能である。できれば、光
ビームが、ほぼ垂直入射でぶつかるプリズムの最後の面
４６−３に接近するのが望ましい。

【００６６】精度Ｆ＝πＲ１／２／（１−Ｒ）＞＞１の
高精度なシステムについては、強度反射係数Ｉｒ＝０で
、スペーサの厚さｈ２（ｘ）及び光の波長λｃが式（５
）によって関係づけられる場合、Ｉｒは、ｓｉｎβ／２
＝０となる波長に隣接した場合を除けば、１に近くなる
のが普通である。 反射モードを利用する場合には、高域エッジフィルタと
低域エッジフィルタとの組み合わせを利用して、図９、
図１０、図１１、及び、図１２に関連して解説のように
、一連の波長（スペーサ層の厚さが一定の場合）、また
は、一連のスペーサ層の厚さ（一定の波長の場合）にお
いて急激にピークに達する強度反射係数Ｉｒが得られる
ようにするのが望ましい。

【００６７】図３、図６、及び、図７に示す修正エタロ
ンの代わりに複合エッジフィルタを利用して、図９及び
図１１に示すような狭帯域の反射（または透過）波長、
あるいは、図１０及び図１１に示すような狭帯域の反射
（または透過）波長が得られるようにすることもできる
。図９には、高域エッジフィルタに対する光波の透過Ｔ
ＨＰ（λ）及び低域エッジフィルタに対する光波の透過
ＴＬＰ（λ）の変動が、それぞれ、波長λの関数として
示されている。低域透過フィルタは、「ニー（ｋｎｅｅ
）」波長λ＝λｅ１を備えており、このため、λ≦λ１
の場合、ＴＬＰ（λ）がその最大値に近くなることが保
証され；λ＞λｅ１になると、増大を続けるＴＬＰ（λ
）が、急速にほぼゼロの状態になる。高域透過フィルタ
は、ニー波長λ＝λｅ２を備えており、このため、λ≧
λｅ２の場合、ＴＨＰ（λ）がその最大値に近くなるこ
とが保証され；λ＜λｅ２になると、減少を続けるＴＨ
Ｐ（λ）が、図９に示されるように、急速にほぼゼロの
状態になる。

【００６８】

【数３】

【００６９】となるように低域及び高域透過フィルタを
選択する場合、これら２つのフィルタを直列に組み合わ
せると、図１１に示すように、中心波長λｃ＝λｅ１＝
λｅ２において急激にピークに達する狭い通過帯域を備
えた、放出Ｉ（λ）（この場合、放出は透過に関係する
）を伴う複合透過フィルタが得られる。

【００７０】図１０には、ローエンドの帯域透過エッジ
フィルタからの光波反射率ＲＬ（λ）とハイエンドの帯
域透過エッジフィルタからの反射率ＲＨ（λ）の変動が
、それぞれ、λの関数として示されている。ローエンド
の反射フィルタは、ニー波長λ＝λｅ３を備えており、
このため、λ≦λｅ３の場合、ＲＬ（λ）がその最大値
に近くなることが保証され、λ＞λｅ３になると、増大
を続けるＲＬ（λ）が、図１０に示すように、急速に、
ほぼゼロの状態になる。ハイエンドの反射フィルタは、
ニー波長λ＝λｅ４を備えており、このため、λ≧λｅ
４の場合、ＲＨ（λ）がその最大値に近くなることが保
証され；λ＜λｅ４になると、減少を続けるＲＨ（λ）
が、図１０に示すように、急速に、ほぼゼロの状態にな
る。

【００７１】

【数４】

【００７２】となるようにローエンド及びハイエンド反
射フィルタを選択する場合、これら２つのフィルタを直
列に組み合わせると、図１１に示すように、中心波長

【
００７３】

【数５】

【００７４】において急激にピークに達する狭い通過帯
域を備えた、放出Ｉ（λ）（この場合、放出は反射率に
関係する）を伴う複合反射フィルが得られる。

【００７５】図１２では、図９からの２つのニー波長λ
ｅ１及びλｅ２は、間隔が広くなっており、その結果、
図示のように広い帯域透過フィルタが得られる。

【００７６】後述の他の実施例のそれぞれにおいて、透
過モードの動作が説明されているが、本発明は、図６，
出７、及び、図９、図１０、図１１及びその上記解説か
ら類推して、反射モードで動作させることも可能である
。

【００７７】図１３を参照すると、光ビーム５３が、実
施例５１において、どちらの順序でも、両方とも可変波
長の、高域エッジフィルタ５５及び低域エッジフィルタ
５７に順次通される場合、また、２つのエッジフィルタ
のニー波長が、図９及び図１０に関して既述のように、
関連している場合、エッジフィルタの組み合わせから出
てくる所望の光ビーム５９Ｔ（透過モード）または５９
Ｒ（反射モード）は、波長帯域の中心が、座標ｘに応じ
て単調に変動する波長λ（ｘ）にくることになる。固定
位置ｘの場合、図１３に示す２つのエッジフィルタの組
み合わせから送り出されるビーム５９Ｒの反射強度（ま
たは、ビーム５９Ｔの透過強度）は、図５に示す強度に
類似している。

【００７８】もう１つの実施例の場合、入射光ビームは
、図３、図６、図７、または、図１３の任意の１つに従
って可変中心波長λｃを備えるように、または、一定の
広い通過帯域を備えるように作られた広帯域透過フィル
タに向けることが可能であり、結果として透過する、あ
るいは、反射する光ビームは、次に、やはり、上記の図
の１つに従って作られた、可変中心波長λｃを備える狭
帯域波長フィルタに向けることができる。広帯域透過フ
ィルタと狭バント透過フィルタの直列構成は、どちらの
順になろうと、図１３に示す２つのエッジフィルタの直
列構成と同様である。広帯域透過波長フィルタは、入射
光ビームから、所望の中心帯域波長を除く全ての近接通
過帯域の波長を除去し、組み合わせフィルタから送り出
される光ビームに縞が生じないようにする。

【００７９】図１４には、スペーサ層６３、階段構造を
なすように構成された、一連の平面状階段セグメント表
面６５−１、６５−２、６５−３、６５−４、及び、６
５−５から成る反射表面、及び階段状スペーサ層６４を
備えた、本発明のもう１つの実施例６１が示されている
。各階段セグメントの表面６５−ｑは、平面であって、
層６３の第１の反射表面６２の平面から間隔をあけて配
置され、それに対してほぼ平行になっており、層６３の
最も近い反射表面と階段表面６５−ｑとの離隔距離ｈ（
ｘ）は狭い範囲の座標ｘについて一定であり、層６３の
受光面の選択方向において測定される空間座標ｘに応じ
て単調に増大する。各階段セグメント６５−ｑは、任意
選択により、その階段セグメントと前方反射表面または
後方反射表面に、または、それに隣接してフィルタ層６
７−ｑ（ｑ＝１，２，３，４，５）が被着されている。 スペーサ層６４は、スペーサ層の厚さｈ（ｘ）が可変の
、狭帯域透過光フィルタとして機能する。 層６３は、厚さが一定の場合もあれば、ｘに応じて単調
に増大する場合もある広帯域透過フィルタとしての働き
をする。もう１つの実施例の場合、層６３は、狭い帯域
透過フィルタとして働くことができ、スペーサ層６４は
、各階段セグメント６５−ｑが装置７２に関する異なる
広通過帯域を形成する、広い帯域透過フィルタとして働
くことができる。

【００８０】入射光ビーム６９は、部分的に、層６３、
及び、階段状スペーサ層６４を透過し、図３及び図５に
関連して上述のものと同様の干渉効果を示す透過光ビー
ム７１−ｑ（図１４には、ｑ＝２、４、及び、５が示さ
れている）として出てくる。干渉効果は、１つの階段セ
グメントから次の階段セグメントにわずかなインクリメ
ントで変動するが；所定の階段セグメント内において、
該システムは、図３のものと同様の可変波長フィルタと
して働く。層６３及び６４は、連続させることもできる
し、互いに間隔をあけて配置することもできる。

【００８１】図１５に示す代替実施例７２の場合、第１
のスペーサ層７３は、ほぼ平面の第１の反射表面７４を
備えており、また、階段形状をなす第２の反射表面７５
を備えていて、表面７４と７５との離隔距離ｈ１（ｘ）
が単調に増大するようになっている。第２のスペーサ層
７６は、第１の反射表面として第２の階段形状の表面７
７を備え、また、第２の反射表面として第３の階段形状
の表面７８を備えていて、２つの表面７７と７８との離
隔距離ｈ２（ｘ）が、ｘにおいて単調に増大するように
なっている。２つのスペーサ層７３及び７６の一方は、
狭帯域透過フィルタとして働き、もう一方の層は、広帯
域透過フィルタとして働く。入射光ビーム７８は、スペ
ーサ層７３及び７６の両方を通過し、それぞれ、波長範
囲の狭い、一連の光ビームレット７９として実施例７２
から送り出される。スペーサ層７３及び７６は、連続さ
せることもできるし、互いに間隔をあけて配置すること
もできる。

【００８２】本書で用いられる「階段形状」は、図１４
に示すものと同様の形状を表しており、２つ以上の一連
の平面反射セグメントが、それぞれ、所定の平面（例え
ば、図１４における層６３の平面）に対しほぼ平行をな
し、一連の階段セグメントの所定の平面からの離隔距離
が、１つのセグメントから次のセグメントに連続して進
むにつれて、単調に増大するように構成されている。図
１５のスペーサ層７６は、２つの反射表面７７及び７８
を備えており、それぞれ、階段形状をなすように形成さ
れている。

【００８３】通常、波長の通過帯域の狭さと透過との間
でトレードオフを行う必要がある。マクレオード（Ｍｃ
Ｌｅｏｄ）による「Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　Ｏｐｔｉｃａ
ｌ　Ｆｉｌｔｅｒｓ」と題する前掲の論文の２７０〜２
７６頁には、極めて狭い、ほぼ方形の光学透過帯域を形
成して、十分な透過が得られるようにする多層の薄膜光
フィルタの利用について記載がある。図１６には、こう
した帯域をもたらす二倍半波長（「ＤＨＷ」）薄膜フィ
ルタの実施例の１つに関する構成が示されている。固定
波長λｆの場合、図示のように、高（Ｈ）屈折率ｎＨと
低（Ｌ）屈折率ｎＬの光学的に透明な複数の層が、それ
ぞれ、交互に配置される。高屈折率の層（Ｈ）１０１、
１０３、１０５、１０７、１０９、１１１、１１３、及
び、１１５は、それぞれ、高屈折率ｎＨに関する四分の
一波長板である。低屈折率の層（Ｌ）１０２、１０６、
１０８、１１０、及び、１１４は、それぞれ、低屈折率
ｎＬに関する四分の一波長板である。低屈折率の層１０
４及び１１２は、それぞれ二分の一波長板であり、従っ
て、ファブリーペローエタロンとして機能する。これら
の２つのエタロン１０４及び１１２のそれぞれは、中心
波長λ＝λｆにおいて、ほぼ反射率が０パーセントで、
透過率が１００パーセントである。ただし、反射率は、
波長λ＝λｆの低点の両側において急速に１００パーセ
ントに向かって上昇する。本発明の多層の薄膜実施例の
場合、１０４及び１１２のような２つの二分の一波長板
は、それぞれ、薄膜の平面における選択された方向に沿
って単調に変動する厚さを備えている。屈折率ｎＨ＝２
．４０（ＴｉＯ２）及びｎＬ＝１．４５（石英）の選択
に関して図１８に示す薄膜構造の計算上の透過率は、波
長比ｇ＝λｆ／λ（λは可変）の関数として（前掲のマ
クレオード（Ｍｃｌｅｏｄ）の論文の図７．１４と同様
の）図２２に示されている。 計算上の透過率は、適度な幅のピークを有しており、

【
００８４】

【数６】

【００８５】において急峻に上昇し、あるいは、急峻に
降下する曲線が生じ、λ＞２λｆの場合、ある側波帯構
造が形成される。図１９には、図１６及び図１７に似た
計算上の透過率の構造が示されており、２つの二分の一
波長板層は、本発明のもう１つの適合する実施例である
、低屈折率材料ではなくて、高屈折率材料によるもので
ある。

【００８６】本発明の実施例の１つは、関係する波長帯
域にわたって反射率がほぼ一定の、第１の多層薄膜フィ
ルタスタックと、反射率が狭波長帯域における極めて低
い値（中心波長λｃに位置する）からこの狭波長帯域を
ちょうど超えたかなり高い反射率値が急速に上昇する第
２の多層薄膜フィルタスタックを利用している。波長λ
ｃは、第２の薄膜フィルタスタックにおける層の厚さｈ
２によって決まり、この厚さｈ２は、該フィルタの受光
面における空間座標ｘの選択方向での増大につれて単調
に増大する。第１と第２の薄膜フィルタスタックを直列
に組み合わせることによって、選択方向における位置ｘ
に応じて単調に変動する波長λｃに中心がくる極めて狭
い帯域フィルタが得られる。これら２つのフィルタスタ
ックは、望ましくない側波帯構造を除去し、フィルタ受
光面における選択方向での位置変化につれて単調に増大
する中心波長を備えた、単一の狭帯域透過フィルタを形
成するため、波長λ＝λｃにおいて透過する広帯域透過
フィルタ（図１６及び図１７には示されていない）と直
列に組み合わせられている。

【００８７】図１６及び図１７を参照すると、四分の一
波長板１０１、１０２、１０３は、第１のリフレクタ１
２１として働き；四分の一波長板１０５、１０６、及び
、１０７は、第２のリフレクタ１２３として働き；四分
の一波長板１０９、１１０、及び、１１１は、第３のリ
フレクタ１２５として働き；四分の一波長板１１３、１
１４、及び、１１５は、第４のリフレクタとして働き；
二倍の厚さの波長板１０４及び１１２は、二分の一波長
板として働き；波長板１０８は、図１７に示す実施例１
２０における光学カプラとして働く。この光学カップラ
は、任意選択であり、ここでは、排除することもできる
。図１７に示すリフレクタ１２１及び１２３と二分の一
波長板１２２とを組み合わせることによって、図２０に
波長λの関数としての光の反射率Ｒが示された特殊なリ
フレクタが形成される。この反射率は、急激に低い値Ｒ
０にまで低下することになる。λ＝λｆに中心がくる狭
波長間隔を除くと、波長λの範囲の大部分にわたってほ
ぼ１．０の高い値を示す。図１７における素子１２１、
１２２、及び、１２３から成る特殊なリフレクタは、単
独で用いることもできるし、あるいは、光学カップラが
介在するか、しないかは別として、選択波長λ＝λｆに
おいて狭く、急激にピークに達する透過率

【００８８】

【数７】

【００８９】を示す他の同様の特殊リフレクタと連結す
ることも可能である。

【００９０】反射率または透過率において所望の狭く、
急激なピークを示す多層薄膜フィルタは、図１６に示す
構造に限定されるものではない。二分の一波長板１０４
及び１１２は、高屈折率の材料から構成することもでき
るし、あるいは、高屈折率の材料と低屈折率の材料の位
置を交換することもできるし、あるいは、これらの変更
を両方とも行うことも可能である。さらに、図１６に示
す四分の一波長板の４つのグループ（１０１，１０２，
１０３）、（１０５，１０６，１０７）、（１０９，１
１０，１１１）、及び、（１１３，１１４，１１５）の
それぞれは、それぞれ、互い違いになった屈折率（高／
低）材料による奇数番号（１，３，５，７，９…）の四
分の一波長板に取り替えることも可能である。 図２１には、低屈折率の４つの四分の一波長板１３１、
１３３、１３５、及び、１３７は、リフレクタとして働
き、高屈折率の二倍の厚さの２つの波長板１３２及び１
３６が、二分の一波長板として働き、高屈折率の四分の
一波長板１３４が、図１７に示す装置に類似した光学カ
プラとして働く、本発明の一例が示されている。

【００９１】その最低限度にまで縮小すると、透過率ま
たは反射率において狭く、急激にピークに達する、図１
６、図１７、または、図２１に示すタイプの多層薄膜フ
ィルタは、Ｎ１（≧４）の高（または低）屈折率の四分
の一波長板と、Ｎ１−１（またはＮ１−２）の低（また
は高）屈折率の波長板が互い違いになる必要があり、こ
の場合、後者のＮ１−１の波長板のうちＮ１−３は、四
分の一波長板であり、これらの波長板の残りの２つは、
二分の一波長板である。図２１における波長板１３１、
１３２、及び、１３３によっで表されたもう１つの実施
例の場合、適合する多層薄膜フィルタは、高（または低
）屈折率のＮ２（≧２）の四分の一波長板とＮ２−１の
低（または高）屈折率の波長板が互い違いになる必要が
あり、この場合、これらＮ２−１の低（または高）屈折
率の波長板の１つは、二分の一波長板であり、こうした
波長板のうち残りのＮ２−２は、四分の一波長板である
。これらの構造は、いずれの場合も、各二分の一波長板
の厚さが可変である。

【００９２】薄膜光学層は、真空蒸着によって形成され
るのが最も一般的である。このプロセスにおいて、各薄
膜は、真空室内で、気相から凝縮によって基板に被着す
る。基板は、薄膜の凝固温より少し低い温度に保持され
る。薄膜材料を気化するため、各種技法が利用される。 これらには、イオンボンバード（スパッタリング）、熱
蒸着、電子ビームボンバード、及び、他の技法が含まれ
ている。

【００９３】２つの基板の不定離隔距離ｈ（ｘ）、単一
基板の２つの表面、または、単一のフィルタ層の２つの
表面、図１４及び図１５に示す階段形状を除くと、連続
して変動するのが望ましい。形状関数ｈ（ｘ）は、ｘに
応じて、線形に変動することができ、あるいは、図２２
において、それぞれ、曲線１４１、１４３、及び、１４
５によって示されるように、ｘに応じて非線形に、例え
ば、ｋ＜１、ｋ＝１、または、ｋ＞１として、ａ＋ｂｘ
ｋに従って変動することもできる。

【００９４】ｋ＝１の場合、一連の均一な幅の波長間隔
は、可変波長フィルタにおける均一な幅に対応する。ｋ
＞１の場合、これらの波長間隔は、フィルタの高波長端
においてよりも低波長端において広くなる。この構成は
、高波長端と比較して、低波長端において光の分散が広
くなり、また、低波長端において、フィルタの透過する
単位長当たりの光量が少なくなる場合には有効である。 ｋ＜１の場合、この条件は逆になり、フィルタの分散す
る光は、低波長端において狭くなる。この構成は、通常
生じるように、用いられる光センサの感度が低い波長の
光

【００９５】

【数８】

【００９６】に対して弱くなり、低波長端における各光
センサが、さらに多くの受光を必要とする場合に有効で
ある。代替案として、光センサは、高波長端に比べて低
波長端における幅が増すといった、不均一な幅を備える
ようにすることも可能である。離隔距離ｈ（ｘ）は、ａ
＋ｂｘｋの形をとる関数に限定されるものではない。指
数関数、三角関数、対数、及び、その他の同様の形状の
関数ｈ（ｘ）を利用することも可能である。

【００９７】図２３には、所望の場合、単一の半導体チ
ップに納めることが可能な波長フィルタの分光光度計装
置１５１における利用が示されている。本書で解説の実
施例の任意の１つに従って作られた分光光度計フィルタ
１５３は、選択方向に延びる線形アレイ１５５をなす光
センサ素子と重なり、それと隣接するように配置される
。各光センサ素子は、ほぼ５０μｍ以下程度の有限幅ｗ
を備えており、光センサ素子の線形アレイ１５５に含ま
れるこうした素子の数は有限である。これらの光センサ
素子のそれぞれは、ｘ０がｘの中心値となる空間座標ｘ
の狭い間隔、ｘ０−ｗ／２≦ｘ≦ｘ０＋ｗ／２、 について、フィルタ１５３から送り出される入射光ビー
ム１５７の透過（または反射）部分を受ける。光センサ
素子当たりの波長インクリメントは、Δλｃ＝１ｎｍ（
ナノメートル）ほど、または、本発明の実施例の１つに
おいて所望の大きさになる。従って、干渉効果の結果は
、１つの光センサ素子と隣接する光センサ素子との間で
相違し、透過強度のピークに対応する波長も、１つの光
センサ素子と隣接する光センサ素子との間で異なること
になる。 こうして用いられると、光センサ素子の線形アレイ１５
５は、各光センサ素子が受ける光ビームの狭い波長間隔
または部分に生じる異なるピーク波長に基づいて、波長
の弁別を行う。

【００９８】本発明に適した光センサについては当該技
術において周知のところであり、市場で簡単に入手する
ことができる。該装置は、さまざまな感光素子のアパー
チャサイズ、スペクトル感度範囲、信号伝達技法、及び
、パッケージ構造により、一次元アレイ及び２次元アレ
イの形で得られる。カリフォルニア州サニーベール（Ｓ
ｕｎｎｙｖａｌｅ）にある　ＥＧ＆Ｇ　Ｒｅｔｉｃｏｎ
　Ｃｏｒｐ．製の線形、面、及び、円形シリコン光ダイ
オードアレイが、近赤外線から近赤外線の範囲で働く用
途にとって代表的な装置である。これらの装置は、例え
ば、５０ミクロン×１００〜２５００ミクロンの比較的
広い感光素子面積を備えている。 典型的な市販のアレイサイズは、線形アレイの場合、１
２８〜２０４８の素子、面アレイの場合、２５６×２５
６の素子〜６４×２０４８の素子、円形アレイの場合、
６４〜７２０の素子である。感光素子は、セラミック基
板上において処理され、集積回路ソケットとピンで適合
する標準的なデュアルインラインパッケージに収容され
る。異なる材料からなる感光素子を利用して、光電感度
を他のスペクトル範囲にまで拡張したり、あるいは、他
のスペクトル範囲における光電感度を変更することがで
きる。例えば、ＨｇＣｄＴｅ　及び　ＩｎＳｂ　は、赤
外線センサーに用いられることがよくある。異なるスペ
クトル範囲に適した光センサ材料は、周知のところであ
り、１９８１年に　Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ｓ　Ｌｅａｒｎｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒから刊行されたエ
ル・アール・マステン（Ｌ．　Ｒ．　Ｍａｓｔｅｎ）に
よる「Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　Ｏｐｔｒｏｎｉｃ
ｓ」の第３、４、及び、７章に記載がある。

【００９９】分光光度計の単純な構成の場合、感光素子
パッケージの表面に、フィルタ基板または一組のフィル
タ基板が取りつけられる。感光素子アレイとフィルタと
の間隔を最小限に抑えるため、フィルタ及びセンサは、
ファイバー面板を介して光学的に結合することが可能で
ある。ファイバー面板を用いて事前加工されたセンサは
、前掲の　ＥＧ＆Ｇ　Ｒｅｔｉｃｏｎ　によって市販さ
れている。 ファイバ面板及び最小限に抑えられた間隔によって、開
口数の大きい光の入射によって帯域透過が拡大する可能
性が低下する。

【０１００】光センサの面に対する投光は、１つまたは
複数のフィルタ基板の物体側またはイメージ側に設けら
れた１つまたは複数のレンズを用いることによって容易
化することができる。例えば、映写レンズをフィルタと
センサに取りつけて、後述のように、フィルタとセンサ
が、図３１に示すある距離だけ隔てられるようにするこ
とができる。この構成において、フィルタの有効寸法は
、レンズの倍率を通じて、センサの有効寸法と関連づけ
られることになる。こうして、比較的小さい寸法のフィ
ルタを比較的大きい寸法のセンサに投影して、解像度を
高めることができる。代替案として、大きい寸法のフィ
ルタを小さい寸法のセンサに投影して、感光性または経
済性を高めることができる。

【０１０１】図２４には、それぞれ、光ビーム１５７の
一部を受けて、透過させる、それぞれ、有効となる波長
間隔が重ならないものもあれば、部分的に重なるものも
ある２つ以上のフィルタ１５４Ａ及び１５４Ｂと、１つ
以上の光センサアレイ１５５を含む実施例１５９が示さ
れている。これによって、単一の計器を利用して、所望
の場合、可視領域と、紫外線領域及び赤外線領域の一部
とを含む、妥当なサイズの拡大された波長範囲を単一の
分光光度計でカバーすることが可能になる。図２５には
、図２４における隣接する２つのフィルタ１５４Ａ及び
１５４Ｂに関するΔλ１５４Ａ及びΔλ１５４Ｂで表示
の２つの波長間隔の部分的重複が示されているが、ｘ１
＜ｘ２＜ｘ３＜ｘ４とした場合、第１のフィルタは、座
標範囲、ｘ１≦ｘ≦ｘ２、に関して有効であり、第２の
フィルタは、座標範囲、ｘ３≦ｘ≦ｘ４、に関して有効
である。

【０１０２】図２４には、縦列構造１５９をなす２つ以
上の光フィルタと光センサによるアレイの利用が示され
ている。光フィルタのアレイ９３と光センサのアレイ１
６５は、並列構造をなすように組み合わせることもでき
るし、あるいは、図２６に示す実施例１６１のように、
２次元アレイをなすように組み合わせることも可能であ
る。 図２６に示す２次元アレイの場合、中心波長λｃ（ｘ，
ｙ）は、座標ｘに従って、連続して、単調に変動させる
こともできるし、ｘ方向と垂直な方向に測定される座標
ｙに従って、連続して、または、離散的量ずつ、単調に
変動させることができる。

【０１０３】図２７、図２８、及び図２９には、フィル
タ１６６、及びセンサ１６７を共通の基板１６８に配置
可能にする３つの実施例が示されている。いくつかのセ
ンサのプロセスによって、感光材料及び駆動回路のガラ
ス基板に対する被着が可能になる。こうしたプロセスの
１つが、Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ　ｏｆ
　ｔｈｅ　１６ｔｈ（１９８４　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏ
ｎａｌ）Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｓ
ｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌ
ｓ（１９８４年神戸で開催）の５５９〜５６２頁に掲載
のシンジ・モロズミ（Ｓｈｉｎｊｉ　Ｍｏｒｏｚｕｍｉ
）他による「Ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　Ｉｎｔｅｇｒａｔ
ｅｄ　ａ−Ｓｉ：Ｈ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｉｍａｇｅ　Ｓｅ
ｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｐｏｌｙ　Ｓｉ　Ｔ．Ｆ．Ｔ　Ｄ
ｒｉｖｅｒｓ」と題する論文において説明されている。 このセンサは、ポリシリコンの薄膜トランジスタスイッ
チとアモルファスシリコンダイオードをガラスに被着さ
せることによって作られている。ガラス基板上の光ダイ
オードアレイによるセンサは、ミシガン州トロイ（Ｔｒ
ｏｙ）の　Ｏｖｏｎｉｃ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅ
ｍｓ、日本のスワセイコー社他から市販されている。二
酸化ケイ素（石英またはガラス）上にフィルタとセンサ
の両方を被着させる能力によって、さらには、フィルタ
の多成分層の１つを二酸化ケイ素とすることができるた
め、フィルタとセンサは、共通の基板の両側を共用する
か、あるいは、該基板の共通の側に重ねて被着させられ
ることによって、共通の基板の共用が可能になる。

【０１０４】図２９の実施例において、広帯域透過フィ
ルタ１６９は、基板１６８のもう１つの受光面に配置さ
れている。代替案として、基板１６８に帯域透過フィル
タ材料を組み込み、図２７及び図２８に示すように、追
加層を不要にすることも可能である。この例の場合、基
板は、適度な幅の通過帯域内の光の波長に限って透過す
る「着色ガラス」とすることもできる。例えば、Ｓｃｈ
ｏｔｔ　ガラスタイプ　ＵＧ１及び　ＵＧ１１の着色ガ
ラスは、Ｍｅｌｌｅｓ　Ｇｒｉｏｔ　から入手可能であ
り、２７５ｎｍ＜λ＜４０５ｎｍとλ＞６８０ｎｍの波
長帯域（ＵＧ１の場合）、及び、２４０ｎｍ＜λ＜３９
５ｎｍと６６０ｎｍ＜λ＜８００ｎｍの波長帯域（ＵＧ
１１の場合）内に限って透過する。

【０１０５】図３、図６〜図１５、図１６及び図１７、
図２２、図２３、及び図２６の任意の１つに示すフィル
タには：（１）中心波長λ＝λｃを含む急峻に形成され
る通過帯域外に位置する波長の光を減衰させる広帯域透
過フィルタと、（２）狭い通過帯域内に中心波長λ＝λ
ｃを有し、狭い通過帯域フィルタが透過させるこの波長
の他の倍数または側波帯が、広帯域透過フィルタによっ
て大幅に減衰することになる狭帯域透過フィルタを含め
ることが、望ましい。狭帯域透過フィルタ及び任意選択
により広帯域透過フィルタは、フィルタに沿った位置ｘ
に応じて変化する中心波長λ＝λｃを備えている。

【０１０６】図３０には、本発明を実施する光源と光学
装置の適正な構成の１つが示されている。光源１６１か
ら光ビームが送り出され、レンズ１６３または他の焦点
合わせ光学装置を通過して、本発明に基づいて作られた
可変波長フィルタシステム１６５に向けて送られる。フ
ィルタシステム１６５には、本書に解説のように、狭帯
域フィルタ、または、狭帯域フィルタと広帯域フィルタ
の組み合わせを含むことができる。入射光ビームは、次
に、可変波長フィルタ１６５によってフィルタリングを
施され、１次元または２次元とすることが可能な光セン
サアレイ１６７が受ける。任意選択により、フィルタ１
６５で受ける光が、（１）フィルタの全域でより均一に
なり、（２）低波長通過端のようなフィルタの１つの領
域内により集中し、あるいは、（３）他の適合するやり
方で再構成されるようにするため、レンズまたは焦点合
わせ光学装置１６３に隣接して、光ディフューザ、また
は、コンセントレータ、または、再構成装置１６４を設
けることができる。図３１には、光源と、レンズ１６３
が可変波長フィルタシステム１６５と光センサアレイ１
６７の間に配置されている光学装置とから成る代替構成
が示されている。図３０の実施例において、フィルタシ
ステム１６５及び光センサ１６７は、互いに連続させる
こともできるし、互いに間隔をあけて配置することもで
きる。

【０１０７】図２３及び図２４に示す一次元光センサア
レイは、線形アレイである。光センサアレイは、図３２
に示すように、円形または他の曲線アレイとして構成す
ることもできる。図３２において、円形または他の曲線
形状に構成された狭帯域透過可変波長フィルタ１７０Ａ
、及び任意選択により、広帯域透過フィルタ１７０Ｂが
、入射光ビームを受けて、これにフィルタリングを施し
、次に、波長のフィルタリングを施されたビームが、光
センサアレイ１７１によって受けとめられ、やはり、円
形または他の曲線形状に構成される。この場合、図２６
に示す矩形アレイに類似した２次元の円形または曲線光
センサアレイを利用することも、可能である。この場合
、面次元または線形次元の光センサのそれぞれを、不均
一にすることができる。

【０１０８】可変波長フィルタと光センサアレイの両方
または一方が曲線形状の場合には、各光センサ毎に、ほ
ぼ等しい幅の波長間隔が得られるようにするには、光セ
ンサの幅を不均一にしなければならないこともあり得る
。

【０１０９】フィルタアレイ及び光センサアレイの組み
合わせを、丈夫で、信頼性のある単一チップに設け、比
較的低コストにすることができる。光センサアレイをな
す、２つの隣接した光センサ素子に、１ナノメートルほ
どだけ異なる中心波長λｃを備えた光ビームを当てるこ
ともできる。

【０１１０】それぞれ、一対の平行な反射表面が、入射
光ビームを順次受けたり、透過したりするように配置さ
れている、図１のエタロンと同様の２つのファブリーペ
ローエタロンについて考察する。前掲の　Ｍｃｌｅｏｄ
　による　Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉ
ｌｔｅｒｓ　の１５８〜１６０頁には、これらのエタロ
ンのそれぞれに関する透過率Ｔｉが、

【０１１１】

【数９】

【０１１２】によって求められることが示されているが
、ここで、Ｆｉ、ｎｉ、ｈｉ、及びθｉは、第ｉ番（ｉ
＝１，　２）のエタロンに関する精度、屈折率、リフレ
クタの間隔、及び、入射角である。ｉ番のエタロンは、
δｉ＝Ｍｉπの場合、最大の透過率になるが、ここでＭ
ｉは正の整数である。２つのエタロンのそれぞれが、特
定の同じ波長λＭについて透過率が最大となる場合、こ
れは、

【０１１３】

【数１０】

【０１１４】となることを必要とする。これら２つのエ
タロンが、複合狭通過帯域フィルタ及び広い帯域透過フ
ィルタを表している場合、理想的には、２つのフィルタ
は、単一の波長λ＝λＭについてのみ、最大値が一致す
る。実際には、２つのエタロンは、一連の一致波長を有
しており、このため、両方のエタロンとも、透過率が最
大になる、すなわち、

【０１１５】

【数１１】

【０１１６】となるが、ここで、（Ｍ１，Ｍ２）は、整
数Ｍ１及びＭ２の最大公約数である。例えば、（２，３
）＝１及び（３０，４２）＝６。式（１２）から明らか
なように、Ｔｉ及びＴ２が両方とも最大となるλＭに最
も近くなるように、λＭからできるだけ遠くなるように
一致波長λＫ（≠λＭ）を位置決めするには、整数Ｍ１
及びＭ２が、互いに素の関係をなし、（Ｍ１，Ｍ２）＝
１となるように選択するのが望ましい。例えば、Ｍ１（
またはＭ２）＝１の場合、あるいは、Ｍ１が少なくとも
２に等しい素数で、Ｍ２がｐで割ることのできない整数
の場合には、（Ｍ１，Ｍ２）＝１になる。（Ｍ１，Ｍ２
）＝１となる整数Ｍ１及びＭ２を選択する場合、透過率
Ｔ１及びＴ２が両方とも最大になる一致波長λＫは、λ
Ｋ＝λＭ／Ｋ、及びλ１＝λＭ、λ２＝λ／２となり、
所望の値から距離λＭ／２だけ変位したλ２よりも所望
の波長λＭに近い他の一致波長λＫは、存在せず、波長
λＫ＞λＭでは、一致が生じない。しかし、（Ｍ１，Ｍ
２）＝ｑ≧２、の場合には、Ｋ＜ｑに対して、一致波長
λＫ＝ｑλＭ／Ｋが、所望の波長λＭを超える一致波長
となり、λｑ＋１＝ｑλＭ／（ｑ＋１）は、λＭ未満で
、所望の波長λＭから、λＭ／（ｑ＋１）≦λＭ／３、
だけ離れることになる。従って、２つの整数Ｍ１及びＭ
２が互いに対して素の関係をなし、（Ｍ１，Ｍ２）＝１
となる場合に、最も近い近接一致波長（λＫの１つ）か
らのλＭの間隔が最大になる。

【０１１７】この一例として、図３３、図３４、図３５
、及び、図３６には、それぞれ、フィルタの厚さｈ＝１
８０．６７ｎｍ、７２２．７０ｎｍ、３６１．３５ｎｍ
、及び、５４９．２５ｎｍの、４つの単一の光学キャビ
ティフィルタまたはエタロンに対する、波長と、近似の
最大透過率の関数としての透過率が示されている。４つ
のキャビティのそれぞれについて、精度がＦ＝１９．３
０、屈折率がｎ＝１．５２、及び、入射角がθ＝０であ
る。図３３及び図３４を比較して注目されるのは、これ
ら２つのフィルタは、一致波長が、それぞれの次数ｍ＝
１（図３３）及びｍ＝４（図３４）に対しλ＝λＭ＝５
４９．２５ｎｍになり、第２の（最も近い近接）一致波
長がそれぞれの次数ｍ＝２、及びｍ＝８に対しλ＝λＭ
／２＝２７４．６ｎｍになるということである。図３３
におけるｍ＝１及びｍ＝２に対する２つの透過ピークは
、それぞれ、図３４におけるｍ＝４及びｍ＝８に対する
対応する透過ピークに比べてはるかに広い。図３５及び
図３６を比較して注目されるのは、これらの２つのフィ
ルタは、一致波長が、それぞれの次数ｍ＝２及びｍ＝３
に対してλ＝λＭ＝５４９．２５ｎｍとなり、第２の（
最も近い近接）一致波長が、それぞれの次数ｍ＝４及び
ｍ＝６に対してλ＝λＭ／２＝２７４．６ｎｍになると
いう点である。選択波長λＭ＝５４９．２４ｎｍに対す
るこれら２対の次数のそれぞれは、（Ｍ１，Ｍ２）＝（
１，４）＝１及び（Ｍ１，Ｍ２）＝（２，３）＝１であ
って、最も近い近接一致波長がλ２＝λＭ／２＝２７４
．２で生じることになるという意味において、互いに素
の関係にある。

【０１１８】一方、図３４及び図３５の最大値を比較す
ると、波長λ＝λＭ＝５４９．２５ｎｍにおけるそれぞ
れの次数は、ｍ＝４及びｍ＝２になる。これら２つのフ
ィルタに関する最も近い近接一致波長は、λ＝（２／３
）λＭ＝３６６．３３ｎｍにおいて生じ、第２のフィル
タ（図３４）に対する最大次数ｍ＝６は、第３のフィル
タ（図３５）に対する最大次数ｍ＝３に一致する。この
結果、一致波長λ＝λＭ／２＝２７４．６ｎｍよりも、
所望の波長λＭ＝５４９．２５ｎｍに対してより近い、
最も近い近接一致波長が得られることになる。これは、
望ましいことではなく、所望の波長に対する次数ｍ＝４
（図３４）及びｍ＝２（図３５）が、互いに対して素の
関係にない：（４，２）＝２という事実によって生じる
ものである。

【０１１９】第１の帯域透過フィルタと第２の帯域透過
フィルタとの複合式の場合、最大の透過率になる所望の
共通波長λＭについて次数を選択する際には、従って、
整数Ｍ１及びＭ２が互いに素の関係をなすように選択す
るのが望ましい。これは確保する選択の１つは、Ｍ１＝
１またはＭ２＝１とするか、あるいは、両方とも１とす
ることである。Ｍ１＝Ｍ２＝１の選択によって、２つの
ほぼ同じフィルタを直列に配置した、透過率低下という
犠牲を払うことにはなるが、いずれのフィルタ単独の場
合に比べて、狭い、または、中心の通過帯域を形成する
ことになるダブルキャビティが得られる。通過帯域フィ
ルタの最大透過率が、例えば、０．８の場合、Ｎ個の同
じフィルタを直列に配置すると、最大透過率は、（０．
８）Ｎになる。もう１つの適正な選択は、Ｍ１＝１及び
Ｍ２＝２，３，４またはそれ以上である。この後者の選
択は、第１のフィルタが広帯域フィルタで、第２のフィ
ルタが狭帯域フィルタの場合に行われる。広通過帯域フ
ィルタは、狭通過帯域フィルタの中心波長λｃと一致す
る中心波長を備えているのが望ましい。広帯域透過フィ
ルタは、狭帯域透過フィルタに関連した側波帯または縞
を抑制し、これによって、狭通過帯域フィルタは、直列
に組み合わせたこれら２つのフィルタに対する、λ＝λ
ｃにおいて、狭く、急峻に形成された単一の波長ピーク
が得られるようにする。

【０１２０】狭帯域透過フィルタと広帯域透過フィルタ
が、公称では一定の厚さの基板に配置される場合、２つ
のフィルタは、別個の、間隔をあけて向かい合った表面
に配置されることもあり得る。しかしながら、できれば
、これら２つのフィルタは、こうした基板の同じ表面に
配置するか、あるいは、十分な間隔をあけて異なる基板
上に配置し、介在する基板内における非ゼロの入射角で
の内部反射によって生じる望ましくない通過帯域におい
て光が「漏れる」のを妨げるようにするのが望ましい。

【０１２１】上述の光フィルタ／光センサに関する多様
な実施例は、分析分光学、比色法、測光学、及び、放射
測定を含むさまざまな用途において用いることが可能で
ある。分析分光光度計及び比色計の一部は、光源の照射
を受けるサンプルの正確な読取りを可能にするため、出
力信号におけるその影響を除去または補償しなければな
らない、組込み式照射光源を利用している。正確な波長
測定には、光源の周波数を較正する必要がある。これは
、分光光度計の出力信号を利用して、光源のスペクトル
応答を測定し、較正参照用テーブル（ＬＵＴ）にデジタ
ル方式で測定値を記憶することによって、最も簡単に行
われる。後続のサンプルに対するスペクトル測定時には
、各光センサ素子毎に、分光光度計の信号と光源較正値
の両方を利用して、光センサの出力信号を補正すること
が可能である。各光センサ素子は、１未満、１に等しい
、及び１を超える独立した利得係数Ｇを光センサの電気
出力信号に掛けて、該光センサが受信する狭い波長帯域
の中心波長λｃに従い、出力信号を変動させることがで
きる。これによって、図２３のフィルタ１５３に到達す
る光源について波長毎の補正が可能になり、さらに、波
長選択分光器の実施が可能になる。本発明の実施例に基
づいて作られる分光光度計または比色計によって、フィ
ルタに沿った選択方向においてピーク波長の変動を生じ
、各光センサ素子は、照射光源の影響を除去し、あるい
は、補償するため、別個に補償することが可能になって
いる。

【０１２２】比色計及び測光器の一部は、比色計に用い
られるＣＩＥ　Ｘ／Ｙ／Ｚ色整合フィルタのような追加
フィルタリングの利用を必要とする。これらのフィルタ
関数はメモリに記憶され、アレイをなす光センサ素子の
波長または位置の関数としての光学フィルタ関数に対応
する値を備えた電気出力信号を生じるために適用される
。本発明が比色計に用いられる場合、信号ストリームが
、３つのフィルタのそれぞれに別個に加えられ、当該技
術において周知の方法で、異なる波長領域に最大値を有
する３つの出力信号が発生することになる。

【０１２３】本発明を組み込んだ完全な集積パッケージ
のサイズがコンパクトであるため、その大幅な小形化が
可能になり、また、可搬式計測装置の作製が可能になる
。分光光度計に特有の用途の１つには、コンピュータ及
びテレビジョン受信器用のカラープリント及び表示スク
リーンについてモニタを行う搭載比色計に関するものが
ある。本発明のサイズの小ささを有効に利用する他の用
途には、化学的及び医学的プロセスを遠隔測定するため
の、手で支える分光光度計、比色計、及び、放射計の作
製、及び、コンピュータモニタ上の表示に対する色測定
、または、制御及び分析を行うための、手で支えるコン
ピュータ周辺装置の作製がある。化学的または医学的プ
ロセスは、小形化された分光光度計または本発明を組み
込んだ同様の装置を利用し、そのまま、リアルタイムで
モニタすることができる。

【０１２４】本発明のもう１つの用途には、選択された
色の記述のために組み込まれる任意に指定の電子フィル
タを備えた比色計の作製がある。この色の記述は、Ｒ／
Ｇ／ＢまたはＣ／Ｙ／ＭまたはＸ／Ｙ／Ｚによって指定
することもできるし、光信号の純色量に関する他の適当
な多くのパラメータによる記述で行うこともできる。

【０１２５】図３７には、比色計の性能分析に用いられ
るモデルの１つが示されている。既知の光源１７３で照
射されて、目１７５が受けることになる物体１７２に対
する目の反応を測定するために用いられる三刺激値Ｘ／
Ｙ／Ｚが、ＣＩＥ１９３１色合わせ関数を利用して計算
される。不輝物体の場合、比色計は、周囲光とは異なる
分光分布を有する付属のランプ１７７によって照射され
る各物体１７２を測定する。目１７５の三刺激反応を整
合させるため、光センサ１７９によって測定を受ける分
光分布は、周囲光源１７７の分光分布を組み込み、ラン
プ１７７によって生じる照射を除去または補償する較正
を通じて、補正しなければならない。この補正がすむと
、その結果生じる信号は、ＣＩＥ１９３１　　ｘ，ｙ，
ｚ色合わせ関数（または現在におけるそれらの同等物）
にたたみ込まれて、測定物体のＸ，Ｙ，Ｚ三刺激値が生
じることになる。目１７５の反応と光センサ１７９を含
む比色計の反応との色差は、１９７６ＣＩＥ　ＬＵＶ色
差式または他の適当な比色差アルゴリズムを用いて計算
することができる。

【０１２６】本発明のもう１つの用途は、所望の視感度
曲線にプリセットされる電子波長フィルタを含む、測光
器または輝度計の作製である。

【０１２７】本発明のもう１つの用途は、光センサアレ
イに対して所定の電子フィルタリングを加えない反射率
分光光度計に対するものである。この装置は、赤外線、
可視光、及び、紫外線の任意の組み合わせによる装置ま
たは任意の自己発光装置の走査に利用することが可能で
ある。本発明は、光ビームの光路内に、サンプルを収容
したセルが挿入される透過分光光度計の一部として用い
ることも可能である。

【０１２８】本発明のもう１つの用途は、図３８に示す
ように、本発明に従って構成される分光光度計によって
スペクトルの分離が行われる光学マルチプレクサを利用
した、複数チャネル通信受信器１８１としてのものであ
る。２つ以上の通信信号１８２及び１８３が、本発明に
従って作られた光フィルタ及びセンサシステム１８４で
、時間的に順次または同時に受信される。システム１８
４には、本発明に従って作られた光フィルタ１８５に加
え、光フィルタ１８５が透過または反射するフィルタリ
ングを施された光を受ける光センサアレイ１８６が含ま
れている。信号１８２及び１８３は、それぞれ、代表的
な、ほぼ単色の波長λ１及びλ２を備えた電磁信号であ
り、λ１及びλ２は、十分な間隔をあけているので、こ
れらの信号のそれぞれは、アレイ１８６における異なる
光センサまたは異なるる光センサグループによって受信
される。アレイ１８６における光センサのそれぞれによ
って生じる電気信号は、マルチプレクサ（「ＭＵＸ」）
１８７（任意選択）によって周期的に受け取られ、２つ
の通信信号１８２及び１８３を受信する光センサからの
信号は、重複しない時間期間にＭＵＸの出力信号として
送り出されることになる。所望の場合、一次的に重複し
ないＭＵＸ１８７からの出力信号は、さらに、別個に処
理することが可能である。理論的には、２００のセンサ
を備えた光センサアレイ１８６は、２００までの独立し
た通信チャネルを形成することができる。実際には、隣
接する光センサのグループを独立した各チャネル毎に利
用することによって、実施例１８１では、２０〜４０の
異なる通信チャネルを形成することが可能になる。通信
信号自体は、紫外波長、可視波長、または、赤外波長、
あるいは、これらの波長範囲の組み合わせを利用するこ
とができる。２つ以上のチャネルに対応する波長を備え
た光は、対応する光センサで同時に受けることができる
ので、マルチプレクサ１８７がなくても、やはり、通信
受信器の動作が可能である。従って、２つ以上の波長チ
ャネルの情報を同時に受信し、分離することができる。

【０１２９】本発明のもう１つの用途は、図３９に示す
ように、カラースキャナとしてのものである。複数の異
なる波長λを有する光ビーム１９１が、本発明に従って
作られた分光光度計または比色計１９３に到達する。光
ビーム１９１は、本発明に基づいて作られた細長い光フ
ィルタ１９５によって受けられ、光フィルタによって、
それぞれ、異なる中心波長に対応する一連の光センサの
行にスペクトル的に分解される。スペクトル的に分解さ
れた光は、それぞれ、異なる中心波長λ１、λ２、及び
、λ３に中心がくる波長範囲の分析を行う光センサ素子
の３つ以上の行１９７−１、１９７−２、及び、１９７
−３を含む光センサアレイによって受けられる。これら
の波長範囲は、部分的に重なる場合もあれば、完全に分
離している場合もある。光フィルタ１９５は、全ての光
センサ行を同時に照射することもできるし、あるいは、
こうした各行の光フィルタからの光で順次掃引すること
によって、光フィルタから出る光で光センサ行を１つず
つ照射することもできる。各行１９７−１、１９７−２
、及び、１９７−３における光センサによって生じる電
気信号は、入射光ビーム１９１に含まれる紫外波長領域
、可視波長領域、または、赤外波長領域の選択部分に存
在する波長を表す。各行１９７−１、１９７−２、及び
、１９７−３からの電気信号は、それぞれ、独立した出
力信号ライン１７９−１、１７９−２、及び、１７９−
３で送り出すこともできるし、あるいは、図３８に示す
ＭＵＸ装置と同様のマルチプレクサを利用し、これらの
信号を多重化して、単一のラインで送り出すことも可能
である。

【０１３０】光フィルタ自体は、図２３及び図２４に示
す光センサアレイ１５５を除去することにより、光モノ
クロメータとして用いることができる。光フィルタは、
入射光ビーム１５７をスペクトル的に分解し、光フィル
タから送り出される光の小セクタは、ほぼ単色になる。

【０１３１】図４０には、波長λ＝４０９、４３６、５
４６、及び、５７８ｎｍにおいて特有のピーク放出を生
じるＨｇ気体ランプ２１４からの光が、アイリスすなわ
ちスリット２１５を通り、レンズ２１７を経て、ミラー
２１９で反射され、本発明によって作られた波長フィル
タ２２１に向かうことになる。本発明の実施例の１つ２
１１に関する作業プロトタイプの概略が示されている。 この場合、特定のフィルタ２２１は、それぞれ、可変厚
さフィルタの一部として２つの平面状反射面を持つウエ
ッジを利用して作られた、狭帯域透過フィルタ及び広帯
域透過フィルタを備えている。 フィルタ２２１に沿った各空間位置ｘを透過する光は、
実施例の１つにおいてそのＦＷＨＭが６〜１４ｎｍの範
囲になる、狭い波長帯域内にあり、この透過した光は、
電子モジュール２２５の処理を受ける光センサの線形ア
レイ２２３が受ける。任意選択によって縦方向の並進ね
じ２２４を設け、フィルタ２２１と光センサアレイ２２
３の相対位置の調整を行うことも可能である。線形アレ
イ２２３の各光センサで受ける光の強度Ｉ（λ；ｘ）は
、図４１に示すように、線形アレイをなす光センサのそ
れぞれについて、中心波長λｃ（または可変位置ｘ）の
関数としてＣＲＴまたは他の表示モジュール２２７に表
示することができる。

【０１３２】光センサのアレイを制御し、その出力信号
をデジタル化するための電子装置は、周知のところであ
り、市販されている。該回路は、露光時間及び速度を制
御し、それぞれが、それぞれの感光素子によって発生す
る電荷を集めて、順次シフトアウトし、次に、信号スト
リームを増幅し、そのデジタル化を行う。

【０１３３】電子測定と信号処理によって、可変波長フ
ィルタと光センサアレイのアライメントに制御を加える
ことができる。分光光度計を既知の波長の単色光源にさ
らすと、図４２に示すように、光センサ２３１からの出
力信号が、その波長に対するフィルタとアライメントの
とれた、該アレイに沿った特定の感光素子を表示する。 未知の場合、異なる波長における追加測定を利用して、
正確なフィルタの勾配を識別し、所定のスペクトル範囲
をカバーする能動素子の数を求めることができる。この
プロセスは、追加の、従って、未使用の感光素子をアレ
イに沿って設けることによって、容易化することができ
る。追加素子によって、光センサ及びフィルタの製造及
びアセンブリ公差に裕度が得られる。図４２の場合、特
定のスペクトル帯域または波長を備えた各感光素子の見
出しが、帯域透過割当て参照テーブル（ＬＵＴ）２３５
として、デジタルメモリに記憶することができる。未使
用の、従って、割当てが施されていない、アレイ両端の
感光素子によって生じる信号は、サンプルチョッパ２３
７によって信号ストリームから「チョップ」される（廃
棄される）。

【０１３４】センサからのデジタル化信号は、一般に、
アレイに沿った光応答の不均一性によるエラーを含んで
いる。不均一性は、素子の光応答の変動、波長に依存す
る応答性、帯域透過形状、フィルタに沿った透過率の変
動、光学装置の不均一性によって生じる。これらの装置
に依存するエラーは、較正によって補償することができ
る。測定を通じて、各感光素子に対する較正係数を計算
し、既知の光源、例えば、黒体放射体に対する分光光度
計の応答に補正が加えられる。この係数は、較正ＬＵＴ
２３９にデジタル方式で記憶され、後続の全ての読取り
時に、乗算器モジュール２４１によって順次分光光度計
の出力に加えられる。順序づけには、サンプルチョッパ
２３７と協調して制御が加えられ、各較正係数が、確実
に、適合する感光素子の信号に加えられることになる。 暗電流レジスタ２４３は、アレイ２３１における能動光
センサのそれぞれについて、デジタル化暗電流信号を受
信して、記憶し、減算器モジュール２４５を用いて、セ
ンサ毎に、サンプルチョッパ２３７による電気出力信号
からこれらの値を引く。色補償または色比較のため、任
意選択により、もう１つの乗算器モジュール２４９を用
いて、フィルタテーブル２４７が設けられる。

【０１３５】以上の論考では、いくつかの構成を扱って
きたが、各構成に関連した問題点及び利点を指摘するの
は無駄ではない。本書で解説の全ての光学キャビティは
、別段の指示がない限り、位置に応じて変動する中心波
長λｃをもたらすものと仮定される（「可変波長フィル
タ」）。単一キャビティの狭帯域フィルタは、発生する
望ましくない縞を抑制する手段をもたらすものではない
。このため、これらの縞を基本の、または、所望の通過
帯域からできるだけ離しておくため、透過に関して、低
いエタロン次数（ｍ＝１または２）を用いる必要がある
。低エタロン次数を用いると、いわゆる狭帯域が広くな
る：中心波長は、次数の増大に応じて減少するので、こ
うした帯域のＦＷＨＭは、狭くなる。

【０１３６】光ビームを順次受けるように配置された、
２つのファブリーペローエタロンまたはエッジフィルタ
の組み合わせのような、ダブルキャビティまたは複合狭
帯域フィルタを利用すると、単一キャビティ構成に比べ
て、帯域は狭くなるが、総透過量が減少する。これらの
特徴は、単一キャビティの狭帯域フィルタに、単一キャ
ビティの広帯域フィルタを加えたものから成る複合フィ
ルタにも存在するものであり、各キャビティの可変中心
波長λｃのアライメントに注意を払う必要がある。

【０１３７】ダブルキャビティの狭帯域フィルタと広帯
域フィルタとの組み合わせによって、可変中心波長λｃ
のアライメントをとる公差が増し、任意の位置で狭帯域
出力信号が得られることになる。

【０１３８】ファブリーペローリフレクタと共に、狭い
帯域エッジフィルタ、または、スペーサを備えたファブ
リーペローエタロンを用いると、両方とも狭帯域の場合
、狭く、ほぼ矩形の通過帯域が得られ、透過率は比較的
高くなる。この構成に広帯域フィルタを追加すると、同
様の結果が得られるが、この場合、中心波長のアライメ
ントの問題が生じる。この広い帯域フィルタの代わりに
可変波長の広帯域フィルタを用いると、狭く、ほぼ矩形
の通過帯域が、高透過率で得られ、より高次のエタロン
次数を用いることによって、通過帯域の上昇及び降下が
一層急峻にすることができる。

【０１３９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、（１）
光ビームを連続した波長間隔に効率よく分散して、この
間隔を通る光ビームの内容を分析し；（２）波長間隔の
シフトまたは拡大について分析可能にし；（３）複数の
波長に感応する光検出素子が受ける光ビームの強度分布
を変更する融通性が得られるようにし；（４）各光検出
素子において、波長の異なる、鮮鋭に形成された極めて
狭い帯域の光が得られるようにし；（５）単一チップ上
に、コンパクトかつ丈夫で、コストの低い装置を組み立
てることができるようにする、コンパクトな装置が提供
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】入射光ビームを受容する標準ファブリーペロー
エタロンの動作を示す側面図である。

【図２】入射光ビームを受容する従来の多重層エッジフ
ィルタの側面図である。

【図３】２つの反射平面の間隔が空間座標Ｘに沿って単
調に増加する、本発明の第１実施例（透過モード）の側
面図である。

【図４】３つの狭帯域領域の重なりをプロットした図で
あり、波長の増加に従い自然な広がりが生じている。

【図５】図３に示す実施例に関して、２つの位置、ｘ＝
ｘ１、ｘ＝ｘ２　における透過強さのスペクトル対光波
長の関係をプロットした図である。

【図６】反射モードで動作する本発明の第１の実施例の
側面図である。

【図７】反射モードで動作する本発明の第２の実施例の
側面図である。

【図８】反射モードで動作する本発明の第３の実施例の
側面図である。

【図９】本発明に基づき、高域通過エッジフィルタを通
過した光を示す図である。

【図１０】本発明に基づき、低域透過エッジフィルタを
通過した光を示す図である。

【図１１】本発明に基づき、高域及び低域透過エッジフ
ィルタの組合わせを通過した光を示す図である。

【図１２】本発明に基づき、高域及び低域透過エッジフ
ィルタの組合わせを通過した光を示す図である。

【図１３】高域透過エッジフィルタと低域透過エッジフ
ィルタを直列に組み合わせた実施例の側面図である。

【図１４】平面反射層の１つが階段状構造の反射層に置
換された場合の本発明の別の実施例の側面図である。

【図１５】平面反射層の１つが階段状構造の反射層に置
換された場合の本発明の別の実施例の側面図である。

【図１６】本発明の実施例を実行するために好適な多層
薄膜フィルムフィルタの別の構造の断面図である。

【図１７】本発明の実施例を実行するために好適な多層
薄膜フィルムフィルタのある構造の断面図である。

【図１８】本発明に基づいて実行される２つの薄膜フィ
ルムフィルタに関する、透過率と波長との関係をプロッ
トした図である。

【図１９】本発明に基づいて実行される２つの薄膜フィ
ルムフィルタに関する、透過率と波長との関係をプロッ
トした図である。

【図２０】図１７に示された実施例に関する波長の関数
としての光ビームの反射をプロットした図である。

【図２１】本発明に基づいて構成された、別の多層薄膜
フィルムフィルタの断面図である。

【図２２】選択された方向にあるフィルタ内の２つの隣
接する反射面の間隔ｈ（ｘ）の距離ｘに関するいくつか
の可能な変数をプロットした図である。

【図２３】光センサ素子のアレイと共に、本発明に基づ
いて、１つのフィルタを用いた実施例の見取図である。

【図２４】光センサ素子のアレイと共に、本発明に基づ
いて、両端を突き合わせに配列された２つのフィルタを
用いた実施例の見取図である。

【図２５】本発明に基づいて構成された２つのフィルタ
の空間的変位と部分的に重なり合う選択された波長帯域
の関係をプロットした図である。

【図２６】２次元的に配列されたフィルタ及び光センサ
を用いた実施例の見取図である。

【図２７】本発明に基づいて、相互に隣接して配置され
た波長フィルタ及び光センサアレイの第１の実施例の側
面図である。

【図２８】本発明に基づいて、相互に隣接して配置され
た波長フィルタ及び光センサアレイの第２の実施例の側
面図である。

【図２９】本発明に基づいて、相互に隣接して配置され
た波長フィルタ及び光センサアレイの第３の実施例の側
面図である。

【図３０】本発明を実施するために使用可能な光源及び
光学装置の第１の構成の概略図である。

【図３１】本発明を実施するために使用可能な光源及び
光学装置の第２の構成の概略図である。

【図３２】環状又は曲線状に本発明に基づいて構成され
た光フィルタ及びセンサシステムの平面図である。

【図３３】フィルタの厚さｈ＝１８０．６７ｎｍのエタ
ロン形フィルタに対する、波長と近似の最大透過率の関
数として透過率の関係をプロットした図である。

【図３４】フィルタの厚さｈ＝７２２．７０ｎｍのエタ
ロン形フィルタに対する、波長と近似の最大透過率の関
数として透過率の関係をプロットした図である。

【図３５】フィルタの厚さｈ＝３６１．３５ｎｍのエタ
ロン形フィルタに対する、波長と近似の最大透過率の関
数として透過率の関係をプロットした図である。

【図３６】フィルタの厚さｈ＝５４９．２５ｎｍのエタ
ロン形フィルタに対する、波長と近似の最大透過率の関
数として透過率の関係をプロットした図である。

【図３７】対象から肉眼により認識された色彩パターン
と任意の光源により照射された対象から光センサにより
認識された色彩パターンに適合するための好適な方法を
概略的に示している。

【図３８】多重チャネル通信受信機に本発明を適用した
場合の概略図である。

【図３９】カラースキャナに本発明を適用した場合の概
略図である。

【図４０】本発明の構成及び作業プロトタイプの概略図
である。

【図４１】図４０のプロトタイプにより発生された、光
センサの各線形配列の中央波長の関数としての透過率を
プロットした図である。

【図４２】光センサアレイからの出力信号を処理するた
めに好適な電子回路の概略図である。

【符号の説明】

２４…光フィルタアセンブリ ２５…光ビーム ２６，２７…反射面 ２８…スペーサ ２９，３０…透過ビーム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フィルタの受光面の選択された空間方向の
   位置の変化につれて変動する光の中央波長で通過幅を有
   する光フィルタであって：フィルタ材料の第１の層は相
   互に空間を開けて対向する２つの受光面を備え；前記第
   １の層は、１つの受光面で受容された光であって、波長
   のうち選択された通過幅の波長を備えた光を部分的に透
   過しかつ部分的に反射し；２つの受光面の間隔が、選択
   された方向の位置の変化に応じて単調に増加し；少なく
   ともある位置において、２つの受光面の間隔がｍλｃ／
   ２ｎに等しく；ここで、ｍは正の整数であり、ｎは選択
   された通過幅の選択された波長λｃの光に関する材料の
   屈折率の実部であり；フィルタ材料の第２の層は相互に
   空間を開けて対向する２つの受光面を備え；２つの受光
   面の間隔は、選択された方向の変動に応じて変化し；前
   記第２の層は、波長λｃの光を部分的に透過し；前記第
   ２の層は、第１のフィルタ材料の第１の層の側部帯域の
   波長にほぼ等しい第２の波長の光はほぼ全てを吸収又は
   反射し；前記第２の層は、第１のフィルタ層及び第２の
   フィルタ層の一方を通過した光が他方のフィルタ層によ
   り受容されるように配置されていることを特徴とする、
   光フィルタ。