JPH0575344B2 - - Google Patents

Description

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す可変干渉装置
の斜視図である。第２図はバイモルフの動作を説
明するために供する説明図である。第３図は第１
図に示す可変干渉装置の動作の一例を示す特性図
である。第４図は本発明の他の実施例を示す断面
図である。第５図は本発明の更に他の実施例を示
す断面図である。第６図は従来の可変干渉装置の
構成断面図である。 １，２……透光性基板、３……スペーサ、４…
…反射膜、５……バイモルフ、６……ホルダー、
１０……圧電材料、１１……弾性体、１２……支
持具、２０……縦効果型圧電素子、２１……電
極、２２……ホルダー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２つの対向する反射体と該反射体を支持する
   支持体により上記２つの反射体に囲まれた空洞を
   擁するフアブリーペロー干渉計に、上記反射体の
   少なくとも一方をバイモルフ型圧電素子を用いて
   変形させることにより干渉特性を制御することを
   特徴とする可変干渉装置。 ２ 上記バイモルフ型圧電素子が圧電体と弾性体
   から成り、該弾性体が厚さ方向に迂曲しているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の可変
   干渉装置。 ３ 上記バイモルフ型圧電素子が上記反射体の少
   なくとも一方と一部あるいは全面で結合している
   特許請求の範囲第１項記載の可変干渉装置。 【特許請求の範囲】 ＜技術分野＞ 本発明はフアブリー・ペロー干渉計を利用した
   小型の分光装置に関するものである。 ＜従来の技術＞ 従来、分光装置としては、回折格子を用いたも
   のが多く使われている。これは、回折格子を機械
   的に回動させることにより必要な単色光を得るも
   のであつて、高い分解能が得られる反面、各光学
   素子の位置設定に高い精度を必要とし、また大型
   化する等の問題点を有している。一方、他の方式
   の分光装置として圧電素子の縦効果（電界の方向
   と伸縮の方向が同じ）を利用したフアブリー・ペ
   ロー干渉装置が知られている。第６図にこの構成
   を示す。この分光装置は対向する２つの反射鏡間
   隔を縦効果型圧電素子の伸縮によつて制御し、干
   渉特性の変化から必要な単色光を得るものであ
   る。この構造においては、２つの反射鏡の間隔は
   極めて精度よく制御しなければならず、２個の縦
   効果型圧電素子の制御は容易でない。また周囲温
   度の変動によるホルダーの熱膨張に起因して、反
   射鏡の間隔が変動する可能性がある。上記従来の
   構造では反射鏡の間隔制御の精度及び安定性に大
   きな問題があつた。 ＜発明の目的＞ 本発明はフアブリー・ペロー干渉計の原理に基
   づいて干渉計の光路長を高精度にかつ安定に制御
   することができ、分光機能を有する小型の可変干
   渉装置を提供することを目的とする。 ＜実施例＞ 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細
   に説明する。第１図は本発明の一実施例の説明に
   供する可変分光装置の斜視図である。透光性基板
   １，２はスペーサ３を介して所定の間隔をもつて
   対向している。その対向している内面には反射膜
   ４が形成され中空構造となつている。透光性基板
   １，２にはガラス、透光性セラミツクスまたは高
   分子樹脂が用いられる。反射膜４は金属膜または
   単層あるいは多層の誘電体膜から成る。スペーサ
   ３及び反射膜４は蒸着法、スパツタ法又はCVD
   法等の薄膜形成法によつて作製される。 ここで可変干渉装置の基本原理について説明す
   る。光が基板面に対して垂直に入射し、反射膜４
   での光の位相のとびがない場合を考える。反射膜
   ４間の距離をｄ、その間の媒体の屈折率をｎとす
   ると、フアブリー・ペロー干渉透過率Ｔ（λ）は
   次の式で表わされる波長λm毎に最大になる。 λm＝2nd／ｍ（ｍ＝１、２、３……） ここで、ｍ＝１の場合について考える。このと
   きのλ1の走査波長領域をλaからλb（ただしλb＜
   2λa）までとすると、反射膜４間の距離ｄがλa／
   2n≦ｄ≦λb／2nを満足するとき、波長λ1＝2nd
   を中心波長とする光が透過する。すなわちｄを
   λa／2nからλb／2nまで任意に変化させると、λa
   からλbまで波長領域の任意の波長の光だけを透
   過させることができる。例えば、走査波長領域を
   400〜750nmとすると、反射膜４間隔ｄは200nm
   から375nmの間で制御すればよい。この場合、反
   射膜４間は中空であるから屈折率は約１である。
   厳密にはλaより短波長の光も透過するので、λa
   以下の波長の光を除去するフイルターを用いる
   が、λa以下の波長の光に対して感度のない受光
   素子（図示せず）を用いればよい。 ここで、全体の構成について説明する。透光性
   基板２はホルダー６に固定されている。そして、
   バイモルフ５は透光性基板１のほぼ中央で、バイ
   モルフ５が軽く接触するか、あるいはごくわずか
   の間隔をあけて、バイモルフの動きが妨げられな
   いように、バイモルフ５の端部でホルダー６に固
   定されている。光線は透光性基板１，２のほぼ中
   央を通る。そのための光学系（図示せず）を具備
   する必要がある。その光学系は光フアイバ、レン
   ズ及び受光素子等の組合せである。またバイモル
   フ５には光軸を妨げないように切り込みをいれて
   おくとよい。 バイモルフ５とは圧電材料の横効果（電界方向
   と材料の伸縮方向が直交している）を利用して、
   伸縮方向の異なる２種類の圧電材料を貼り合せ
   て、電圧を印加すれば湾曲する性質をもつている
   圧電素子である。圧電材料にはチタン酸バリウ
   ム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛及びメタ
   ニオブ酸鉛等のセラミツクス系そしてポリフツ化
   ビニリデン等の高分子系材料がある。第２図に一
   般的なパラレル型バイモルフを示す。これは圧電
   材料１０が弾性体１１（通常金属板で電極になつ
   ている）を挾んで、サンドイツチ構造を成してい
   る。そしてこれを支持具１２で片端支持をしてい
   る。このときの変位量と発生力を示す。バイモル
   フの自由長（有効長）をｌ、幅をｗ、厚さをｔと
   し、印加電圧をＶとすると、弾性板の厚さが圧電
   材料に比べて充分薄いとき、無負荷状態での変位
   量U₀は次式で示される。 U₀＝6d₃₁（ｌ／ｔ）²・Ｖ ここでd₃₁は圧電定数で圧電材料固有の定数で
   ある。また変位量０のときの発生力は Ｆ＝３／２d₃₁Y₁₁ ^E（１−K₃₁ ²）・wt／ｌ・Ｖ で示される。ここでY₁₁ ^Eはある結晶方向の弾性定
   数で、K₃₁は電気機械間エネルギー結合係数であ
   る。チタン酸ジルコン酸鉛の代表的な数値示す
   と、d₃₁＝−190×10^-12m／Ｖ、Y₁₁ ^E＝６×
   10¹⁰N／m²、K₃₁＝0.3である。形状を適宜に選定
   すれば充分な発生力が得られる。このようにし
   て、バイモルフは電圧印加すると、湾曲しようと
   して、そのとき生ずる発生力は電圧で制御するこ
   とができる。本実施例ではバイモルフ５の先端が
   透光性基板１に接触していて、バイモルフに電圧
   を印加すると発生力が生じ、それが透光性基板１
   に作用する。これを受けて、透光性基板１は湾曲
   し、反射膜間の距離ｄが変化する。すなわち、バ
   イモルフに印加する電圧によつて反射膜間の距離
   ｄを変化させることができ、該干渉装置の干渉特
   性を制御することができる。 第３図は本実施例の動作の一例を示す。バイモ
   ルフの印加電圧が低いときには透光性基板１に掛
   る負荷は小さく、反射膜間の距離ｄは大きいの
   で、長波長に中心波長をもつた光が透過する。バ
   イモルフの印加電圧が高くなると、透光性基板１
   に掛る負荷は増加し、反射膜間の距離ｄは小さく
   なるので、透過光の中心波長は短波長側へシフト
   する。 バイモルフは印加する電圧の方向によつて、湾
   曲する向きが異なり、上に凸にも下に凸にも湾曲
   する。そこでバイモルフ５を透光性基板１を接着
   して透光性基板１を引き上げる力をも利用すれば
   バイモルフのより一層の小形化が図れる。 バイモルフの大きな利点は変位量が大きいこと
   である。透光性基板１を湾曲させるのには透過波
   長の半分程度のごくわずかの変位量が必要であ
   る。その点では縦効果を利用した積層型圧電素子
   （変位量は数μm程度）を用いることもできる。し
   かしそれは該積層型圧電素子及び干渉装置の位置
   設定にμmオーダーの精度が必要であることを意
   味する。バイモルフの変位量は数100μm程度あ
   り、各部品の設定位置精度が大幅に緩和される。
   このように干渉計が一体構造で構成されているこ
   と、外部から基板に加える力を制御して干渉計の
   光路長の制御を行なつていること及び駆動素子に
   バイモルフを用いていること等によつて可変干渉
   計の作製が容易となつた。 第４図に本発明による他の実施例を示す。バイ
   モルフは圧電材料１０と弾性体１１から構成され
   ていて、圧電材料１０が弾性体１１を挾持し、一
   体構造となつている。バイモルフは両端支持され
   ている。片端支持の場合に比べて、変位量は減少
   する。しかし、バイモルフの支持を弾性体部で行
   ない、その弾性体に曲線部をもたせることで、変
   位量の減少を低減している。両端支持の利点はバ
   イモルフの取付け精度が確保できることである。
   動作原理については第１図の実施例と同様であ
   る。 第５図に更に他の実施例を示す。バイモルフ５
   は透光性基板１に直接全面あるいは一部で固着さ
   れている。バイモルフに印加電圧に応じて発生す
   る力は透光性基板１全体に作用し、透光性基板１
   を変形させる。バイモルフ５には光線の通る部分
   に孔があけてある。本実施例では可変干渉装置を
   小形にすることができる。そしてバイモルフと可
   変干渉装置が一体となつているので、第１図及び
   第４図の実施例でホルダー６に対して要求されて
   いたバイモルフの取付け精度は、本実施例では全
   く不要である。 ＜発明の効果＞ 本発明によれば、一体構造のフアブリーペロー
   干渉計の光路長を外部から駆動系によつて制御す
   るため、高精度にかつ安定に制御することがで
   き、また複雑な機構部品を用いず、各部品の設定
   精度も大幅に緩和でき、かつバイモルフにはほと
   んど電流が流れないので、消費電力もごくわずか
   で動作させることができ、分光機能をもつた小型
   の可変干渉装置を容易に作製することができる。