KR20120004325A - 광 필터, 광 필터 모듈, 분광 측정기 및 광 기기 - Google Patents
광 필터, 광 필터 모듈, 분광 측정기 및 광 기기 Download PDFInfo
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Abstract
제 1 파장 대역(400nm~460nm)을 분광 가능하게 하고, 또한 상기 제 1 파장 대역 내의 제 1 파장을 중심 파장으로 하는 제 1 분광 대역과, 제 1 파장 대역 내의 제 2 파장을 중심 파장으로 하는 제 2 분광 대역을 갖는 제 1 파장 가변 밴드패스 필터와, 제 1 파장 대역에 인접하는 제 2 파장 대역(480nm~540nm)을 분광 가능하게 하며, 또한 제 2 파장 대역 내의 제 3 파장을 중심 파장으로 하는 제 3 분광 대역과, 제 2 파장 대역 내의 제 4 파장을 중심 파장으로 하는 제 4 분광 대역을 갖는 제 2 파장 가변 밴드패스 필터를 갖는 광 필터.
Description
본 발명은 광 필터, 광 필터 모듈, 분광 측정기 및 광 기기 등에 관한 것이다.
간섭 필터는 종래부터 분광 측정기 등에 이용되고 있다. 간섭 필터의 일 측면으로서, 투과 파장을 가변으로 제어하는 간섭 필터(페브리 패로 에탈론(Fabry-Perot etalon) 간섭 필터)가 알려져 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조). 특허 문헌 1에 기재된, 투과 파장이 가변인 투과 파장 가변 간섭 필터(이하, 가변 갭 에탈론 필터, 혹은 간단히 가변 갭 에탈론이라고 하는 경우가 있다)는, 서로 평행하게 유지된 한 쌍의 기판과, 이 한 쌍의 기판 상에 서로 대향함과 아울러 일정 간격의 갭을 갖도록 형성된 한 쌍의 다층막(광학막)을 구비하며, 외력에 의해 한 쌍의 다층막(광학막) 사이의 갭의 크기를 변화시켜서, 투과 파장을 가변으로 제어하고 있다.
그러나, 소망 파장 대역을 하나의 파장 가변 필터(예컨대, 가변 갭 에탈론 필터)로 커버하는 경우, 투과광의 파장 범위가 넓으면, 액츄에이터에 의해서 파장 가변 필터의 가동부를 광범위에 걸쳐서 이동시킬 필요가 생긴다. 즉, 파장 가변 필터의 가동부의 가동 범위가 커져서, 구동 전압이 증가해 버린다는 과제가 생긴다.
또한, 투과광의 파장 범위가 넓을수록 파장 가변 필터의 대역을 확보하기 위해서, 광학막의 구조가 복잡하게 된다는 과제도 생긴다. 즉, 소망 파장 대역의 전체 대역을 커버할 수 있는 광학막의 설계가 필요해져서, 광학막의 구조가 복잡하게 된다. 광학막의 구조가 복잡화되면, 제조상의 부담이 증가하고, 또한 투과광의 강도가 저하되는 등의 문제가 생기기 쉽게 된다.
본 발명의 적어도 하나의 측면에 의하면, 예컨대 파장 가변 필터의 가동 범위를 억제할 수 있다. 또한, 예컨대, 광학막의 구조의 복잡화를 억제할 수 있다.
(1) 본 발명의 광 필터의 일 측면은, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터와, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터와, 상기 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 및 상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터 각각을 구동하는 구동부와, 상기 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 및 상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터 각각의 분광 대역을 가변으로 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제 1 파장 가변 밴드패스 필터는, 소망 파장 대역에 있어서의 제 1 파장 대역의 광을 분광 가능하고, 또한 분광 대역으로서, 상기 제 1 파장 대역 내의 제 1 파장을 중심 파장으로 하는 제 1 분광 대역과, 상기 제 1 파장 대역 내의 제 2 파장을 중심 파장으로 하는 제 2 분광 대역을 적어도 갖고, 상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터는, 상기 소망 파장 대역에 있어서의 상기 제 1 파장 대역에 인접하는 제 2 파장 대역의 광을 분광 가능하고, 또한 분광 대역으로서, 상기 제 2 파장 대역 내의 제 3 파장을 중심 파장으로 하는 제 3 분광 대역과, 상기 제 2 파장 대역 내의 제 4 파장을 중심 파장으로 하는 제 4 분광 대역을 적어도 갖는다.
본 측면에서는, 소망 파장 대역을 하나의 파장 가변 필터로 커버하는 것이 아니라, 복수의(즉, 2 이상의) 파장 가변 밴드패스 필터를 이용해서 커버한다. 즉, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 및 제 2 파장 가변 밴드패스 필터가 적어도 마련된다. 제 1 파장 가변 밴드패스 필터는 소망 파장 대역에 있어서의 제 1 파장 대역의 광을 분광 가능하게 하고, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터는 소망 파장 대역에 있어서의 제 1 파장 대역에 인접하는 제 2 파장 대역의 광을 분광 가능하게 한다.
제 1 파장 가변 밴드패스 필터 및 제 2 파장 가변 밴드패스 필터는, 예컨대, 가변 갭 에탈론 필터에 의해서 구성할 수 있다. 가변 갭 에탈론의 갭 값을 제어함으로써, 하나의 광학 필터를 이용해서, 실질적으로 복수의(즉 2 이상의) 분광 대역을 실현하는 것이 가능하게 된다. 즉, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터는, 분광 대역으로서, 제 1 파장 대역 내의 제 1 파장을 중심 파장으로 하는 제 1 분광 대역과, 제 1 파장 대역 내의 제 2 파장 예컨대, 파장축 상에서, 제 1 파장으로부터 적어도 제 1 분광 대역의 대역폭 이상 이격되어 있는 파장)을 중심 파장으로 하는 제 2 분광 대역을 적어도 갖는다. 마찬가지로, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터는, 분광 대역으로서, 제 2 파장 대역 내의 제 3 파장을 중심 파장으로 하는 제 3 분광 대역과, 제 2 파장 대역 내의 제 4 파장 예컨대, 파장축 상에서, 제 3 파장으로부터 적어도 제 3 분광 대역의 대역폭 이상 이격되어 있는 파장)을 중심 파장으로 하는 제 4 분광 대역을 적어도 갖는다.
파장 가변 밴드패스 필터는, 하나의 광학 필터로, 실질적으로 복수의 분광 대역을 실현할 수 있어, 간이한 구성으로 넓은 파장역을 커버할 수 있어서, 사용이 편리하다는 특성을 갖는다. 이 파장 가변 밴드패스 필터를 복수개 사용해서, 각 필터에 분광하는 대역을 할당함으로써, 보다 넓은 범위의 파장역을 효율적으로 커버할 수 있는, 간소화된 구성을 갖는 광 필터를 실현할 수 있다. 이로써, 예컨대 개개의 파장 가변 밴드패스 필터의 가동부의 가동 범위를 억제하여, 액츄에이터의 구동 전압의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 예컨대 각 파장 가변 밴드패스 필터에 사용되는 광학막(예컨대, 굴절률이 다른 막을 적층한 구조를 갖고, 광의 반사 특성과 투과 특성을 함께 갖는 광학막)의 구조 또는 구성(두께 등을 포함한다)을 간소화할 수 있다. 본 측면에 의하면, 광 필터의 설계상의 부하(설계 부하) 및 제조상의 부하(프로세스 부하)를 저감할 수 있다.
(2) 본 발명의 광 필터의 다른 측면은, 상기 제 1 파장 가변 밴드패스 필터는, 제 1 기판과, 상기 제 1 기판과 대향하는 제 2 기판과, 상기 제 1 기판에 마련된 제 1 광학막과, 상기 제 2 기판에 마련되고, 상기 제 1 광학막과 대향하는 제 2 광학막과, 상기 제 1 기판에 마련된 제 1 전극과, 상기 제 2 기판에 마련되고, 상기 제 1 전극과 대향하는 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 정전력에 의해서, 상기 제 1 광학막과 상기 제 2 광학막 사이의 갭이 제어되어 상기 제 1 분광 대역 또는 상기 제 2 분광 대역의 광을 분광 가능하고, 상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터는, 제 3 기판과, 상기 제 3 기판과 대향하는 제 4 기판과, 상기 제 3 기판에 마련된 제 3 광학막과, 상기 제 4 기판에 마련되고, 상기 제 3 광학막과 대향하는 제 4 광학막과,상기 제 3 기판에 마련된 제 3 전극과, 상기 제 4 기판에 마련되고, 상기 제 3 전극과 대향하는 제 4 전극을 갖고, 상기 제 3 전극과 상기 제 4 전극 사이의 정전력에 의해서, 상기 제 3 광학막과 상기 제 4 광학막 사이의 갭이 제어되어 상기 제 3 분광 대역 또는 상기 제 4 분광 대역의 광을 분광 가능하다.
본 측면에서는, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 및 제 2 파장 가변 밴드패스 필터로서, 정전 구동식의 가변 갭 에탈론 필터를 사용한다. 제 1 파장 가변 밴드패스 필터는, 제 1 기판(예컨대, 고정 기판)과, 제 1 기판에 대향해서 배치되는 제 2 기판(예컨대, 가동 기판)을 갖는다. 제 1 기판(예컨대, 고정 기판)에는 정전 액츄에이터의 구성 요소인 제 1 전극이 형성되고, 또한 제 1 광학막이 형성되어 있다. 제 2 기판(예컨대, 가동 기판)에는 정전 액츄에이터의 구성 요소인 제 2 전극이, 예컨대 제 1 전극과 대향해서 배치되고, 예컨대 제 1 광학막과 대향하도록 제 2 광학막이 형성되어 있다. 제 1 광학막과 제 2 광학막은, 간섭계의 구성 요소인 반사막으로서의 기능을 갖는다. 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 소정의 전위차가 생기면, 전극간에, 예컨대 정전력(예컨대, 정전 인력)이 생긴다. 예컨대, 가동 기판인 제 2 기판은 가요성을 갖고 있어서, 제 2 기판에 정전력에 의한 휘어짐이 생겨서, 제 1 광학막과 제 2 광학막 사이의 갭(간섭 갭)의 크기가 변화되어(예컨대, 축소되어), 가변 갭 에탈론 필터의 광투과 대역(즉, 분광 대역)이 변화된다.
제 2 파장 가변 밴드패스 필터의 구성과 동작도 마찬가지다. 즉, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터는, 제 3 기판(예컨대, 고정 기판)과, 제 3 기판에 대향해서 배치되는 제 4 기판(예컨대, 가동 기판)을 갖는다. 제 3 기판(예컨대, 고정 기판)에는, 정전 액츄에이터의 구성 요소인 제 3 전극이 형성되고, 또한 제 3 광학막이 형성되어 있다. 제 4 기판(예컨대, 가동 기판)에는, 정전 액츄에이터의 구성 요소인 제 4 전극이, 제 3 전극과 대향해서 배치되고, 예컨대 제 3 광학막과 대향하도록 제 4 광학막이 형성되어 있다. 제 3 광학막과 제 4 광학막은, 간섭계의 구성 요소인 반사막으로서의 기능을 갖는다.
가변 갭 에탈론 필터는, 페브리 패로 간섭계의 원리를 이용한, 구성이 간이하고, 소형화, 저 가격에 적합한 파장 가변 필터이며, 본 측면에서는, 이 가변 갭 에탈론 필터를 복수 사용해서, 각 필터 각각에 다른 파장 대역의 광을 분광시킨다. 파장 가변 필터를 복수 이용함으로써, 하나의 필터에 있어서의 액츄에이터의 가동 범위가 좁아지고, 따라서, 구동 전압을 저감할 수 있으며(전력 절약 효과), 아울러서 1회의 구동 전압의 변화량이 작아지기 때문에, 구동 전압을 크게 변화시키는 경우에 비해서, 구동 전압의 정밀도가 향상된다는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 광학막의 설계도 용이화된다. 따라서, 설계 부하 및 프로세스 부하를 저감하는 것이 가능해진다.
본 측면에 의하면, 예컨대 간소화된 구성을 갖춰서, 소형 경량이며, 넓은 파장 범위를 커버 가능한, 사용이 편리한 광 필터를 실현할 수 있다.
(3) 본 발명의 광 필터의 다른 측면에서는, 상기 제 1 전극은, 상기 제 1 기판의 기판 두께 방향으로부터 본 평면도 상에서 상기 제 1 광학막 주위에 형성되고, 상기 제 2 전극은, 상기 제 2 기판의 기판 두께 방향으로부터 본 평면도 상에서 상기 제 2 광학막 주위에 형성되며, 상기 제 3 전극은, 상기 제 3 기판의 기판 두께 방향으로부터 본 평면도 상에서 상기 제 3 광학막 주위에 형성되고, 상기 제 4 전극은, 상기 제 4 기판의 기판 두께 방향으로부터 본 평면도 상에서 상기 제 4 광학막 주위에 형성되어 있다.
본 측면에서는, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 제 1 전극, 제 2 전극은 각각 제 1 광학막, 제 2 광학막 주위에 형성되어 있다. 또한, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터의 제 3 전극, 제 4 전극은 각각 제 3 광학막, 제 4 광학막 주위에 형성되어 있다. 이와 같이 제 1 광학막, 제 2 광학막 주위에 제 1 전극, 제 2 전극을 마련하고, 제 3 광학막, 제 4 광학막 주위에 제 3 전극, 제 4 전극을 마련함으로써 전극간에 생긴 정전력으로 제 1 광학막의 사이 및 제 2 광학막의 사이의 갭을 정밀도 좋게 제어하는 것이 가능해진다.
(4) 본 발명의 광 필터의 다른 측면에서는, 상기 제 1 광학막, 상기 제 2 광학막, 상기 제 3 광학막 및 상기 제 4 광학막은 같은 재료로 구성된다.
본 측면에서는, 복수의 파장 가변 밴드패스 필터 각각에 마련되는 광학막의 구성 재료를 공통화할 수 있다. 따라서, 광 필터의 제조 부하의 경감(예컨대, 제조 프로세스의 간소화)을 도모할 수 있다.
(5) 본 발명의 광 필터의 다른 측면에서는, 상기 제 2 파장 대역은 상기 제 1 파장 대역보다 긴 파장 측의 파장 대역이고, 또한 상기 제 2 파장 대역의 대역폭은 상기 제 1 파장 대역의 대역폭보다 넓게 설정되어 있다.
본 측면에서는, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터가 분광 가능하게 하는 제 2 파장 대역이, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터가 분광 가능하게 하는 제 1 파장 대역보다 긴 파장측의 파장 대역인 경우에, 제 2 파장 대역의 대역폭을 제 1 파장 대역의 대역폭보다 넓게 설정한다.
예컨대, 각 필터에서 사용하는 광학막의 재료(및 구성)를 공통화했을 때, 공통의 광학막을 이용해서 실현되는 밴드패스 필터의 대역폭은, 단파장측일수록 짧아지는 경향이 있다. 예컨대, 밴드패스 필터의 대역폭을 결정하는 파라미터로서, 그 밴드패스 필터를 투과하는 파장 자체가 포함되어 있는 경우에는, 파장이 짧을 수록, 그 파라미터의 값이 작아지고, 결과적으로 밴드패스 필터의 대역폭도 짧아진다. 또한, 분광 측정기에 있어서, 소정 대역폭의 8개의 분광 대역이 필요한 경우에, 제 1 파장 대역에 4개의 분광 대역을 할당하고, 제 2 파장 대역에 마찬가지로 4개의 분광 대역을 할당하는 경우를 상정한다. 이 경우, 상술한 사정으로부터, 단파장측의 제 1 파장 대역이 제 2 파장 대역에 비해서 짧아지고, 따라서 제 1 파장 대역에 있어서, 4개의 분광 대역을 할당하는(즉, 4점의 측정점을 확보하는) 것이 어렵게 되는 경우가 있을 수 있다. 이 경우에는, 단파장측의 파장 대역을 분광 가능하게 하는 제 1 파장 가변 밴드패스 필터에 사용하는 광학막에 관해서, 다른 재료의 사용(및 다른 구조의 채용) 등의 대책이 필요하게 된다. 이 경우에는, 광학막의 제조상의 부담이 증가된다.
그래서, 본 측면에서는, 제 1 파장 대역과 제 2 파장 대역에서 대역폭에 차이가 있는 것을 허용하여, 장파장측의 제 2 파장 대역의 대역폭을, 단파장측의 제 1 파장 대역의 대역폭보다 넓게 설정한다. 이로써, 단파장측의 제 1 파장 대역에 있어서, 분광 대역의 수를 무리하게 확보할 필요가 없어져서, 무리없는 광 필터의 설계가 가능해진다.
(6) 본 발명의 광 필터의 다른 측면에서는, 상기 제 1 파장 대역 내에 소정 대역폭의 복수의 분광 대역이 마련되고, 또한 상기 제 2 파장 대역 내에 상기 소정 대역폭의 복수의 분광 대역이 마련되며, 상기 제 1 파장 대역 내에 마련되는 상기 복수의 분광 대역의 수를 m이라고 하고, 상기 제 2 파장 대역 내에 마련되는 상기 복수의 분광 대역의 수를 n이라고 한 경우, m<n이 성립된다.
상기 (5)의 측면에서 설명한 바와 같이, 장파장측의 제 2 파장 대역의 대역폭을, 단파장측의 제 1 파장 대역의 대역폭보다 넓게 설정함으로써, 단파장측의 제 1 파장 대역에 있어서, 분광 대역의 수를 무리하게 확보할 필요가 없어진다.
그래서, 본 측면에서는, 제 1 파장 대역과 제 2 파장 대역 각각에 할당하는 분광 대역의 수를 균등하게 하지 않고, 단파장측의 제 1 파장 대역에서는 그 수를 적게 설정하는 설계 수법을 채용한다. 즉, 제 1 파장 대역 내에 마련되는 복수의 분광 대역의 수를 m이라고 하고, 제 2 파장 대역 내에 마련되는 복수의 분광 대역의 수를 n이라고 한 경우에, m<n이 성립된다.
예컨대, 7개의 분광 대역(7개의 측정 포인트)이 필요한 경우에, 제 1 파장 대역에는 3개(m=3)의 분광 대역(3개의 측정 포인트)을 설정하고, 제 2 파장 대역에는 4개(n=4)의 분광 대역(4개의 측정 포인트)을 설정한다. 이로써, 단파장측의 파장 대역에 관해서도, 공통의 광학막을 이용한 파장 가변 밴드패스 필터에 의한 분광이 가능해져서, 광 필터(복수의 파장 가변 밴드패스 필터를 구비한 광 필터 장치)의 전체적인 구성이 복잡하게 되지 않는다. 따라서, 제조상의 부하나 설계상의 부하의 증대가 생기지 않는다.
(7) 본 발명의 광 필터의 다른 측면에서는, 상기 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 분광 대역이 m회 변화되는 경우에 있어서의, 하나의 분광 대역당 유지 기간을 Δtm이라고 하고, 상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터의 분광 대역이 n회 변화되는 경우에 있어서의, 하나의 분광 대역당 유지 기간을 Δtn이라고 한 경우, Δtm>Δtn이 성립된다.
본 측면에서는, 각 파장 가변 밴드패스 필터에 있어서의, 하나의 분광 대역당 유지 기간에 착안한다. 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 분광 대역이 m회 변화되고, 상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터의 분광 대역이 n회 변화된다. 상기 (5)의 측면에서 설명한 바와 같이, m<n이 성립된다.
여기서, 예컨대 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 및 제 2 파장 가변 밴드패스 필터로서, 가변 갭 에탈론 필터를 사용하고 또한, 예컨대 각 파장 가변 밴드패스 필터에 있어서의 가동 기판(제 2 기판 및 제 4 기판)의 토탈 이동량(토탈 갭 변화량)이 같은 경우를 상정한다. 예컨대, 가동 기판의 토탈 갭 변화량을 G라고 했을 때, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터에 관해서는, 분광 대역을 1회 변화시킬 때마다 갭 값은 (G/m)만큼 변화되게 되고, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터에 관해서는 분광 대역을 1회 변화시킬 때마다, 갭 값은 (G/n)만큼 변화되게 된다. m<n이기 때문에, (G/m)>(G/n)이다. 즉, 각 밴드패스 필터의 1회당 갭 변화량을 비교하면, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 1회당 갭 변화량(G/m) 쪽이 크다. 따라서, 액츄에이터에 공급되는 구동 전압의, 1회당 변화량(스텝적인 전압 변화량)은, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 쪽이 크게 된다. 구동 전압의 변화량이 크면, 이 구동 전압이 안정되기까지의 세틀링 타임(안정화 시간)이 길어진다.
이 점에 착안해서, 본 측면에서는, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터에 있어서의 하나의 분광 대역당 유지 기간을 Δtm이라고 하고, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터에 있어서의 하나의 분광 대역당 유지 기간을 Δtn이라고 한 경우에, Δtm>Δtn로 설정한다. 즉, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 구동 전압의 1회당 변화량이 크다는 점에서, 세틀링 타임을 길게 취해서, 1회의 분광 대역의 유지 기간 Δtm을, Δtn에 비해서 길게 설정하는 것이다. 이로써, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 구동에 관해서는 구동 전압의 세틀링 기간을 확보할 수 있고, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터의 구동에 관해서는 쓸데없이 긴 유지 기간을 마련하는 일이 없어진다. 따라서, 무리없고, 또한 효율적인 분광 처리를 실현할 수 있다.
(8) 본 발명의 광 필터의 다른 측면에서는, 상기 제어부는, m·Δtm과, n·Δtn이 같아지도록, Δtm 및 Δtn을 설정한다.
본 측면에서는, 각 파장 가변 밴드패스 필터가 분광 처리를 개시하고 나서 분광 처리를 종료하기까지의 시간의 대략 균일화를 실현한다. 상기 (6)의 측면에서는 Δtm>Δtn로 설정된다. 여기서, Δtm 및 Δtn의 길이를 조정하면, m·Δtm과 n·Δtn을 대략 같게 할 수 있다. 이로써, 각 파장 가변 밴드패스 필터가 분광 처리를 개시하고 나서 분광 처리를 종료하기까지의 시간이, 대략 균일화되게 된다. 각 파장 가변 밴드패스 필터의, 토탈 분광 처리 시간이 균일화됨으로써, 예컨대 분광 측정기에 있어서의 신호 처리가 용이화된다(예컨대, 각 신호의 처리 타이밍을 맞추는 것이 쉬워진다). 이는, 분광 측정기 등의 광 기기에 있어서의 신호 처리의 효율화에 공헌한다.
(9) 본 발명의 광 필터의 다른 측면에서는, 상기 소망 파장 대역에 있어서의, 상기 제 2 파장 대역에 인접하는 제 3 파장 대역의 광을 분광 가능한 제 3 파장 가변 밴드패스 필터를 더 갖고, 상기 제 3 파장 대역은 상기 제 1 파장 대역 및 상기 제 2 파장 대역보다 긴 파장 측의 파장 대역으로, 상기 제 3 파장 대역의 대역폭은 상기 제 1 파장 대역의 대역폭보다 넓게 설정되어 있으며, 상기 제 3 파장 대역 내에, 상기 소정 대역폭의 복수의 분광 대역이 마련되고, 또한 상기 제 1 파장 대역 내에 마련되는 상기 복수의 분광 대역의 수를 m이라고 하며, 상기 제 2 파장 대역 내에 마련되는 상기 복수의 분광 대역의 수를 n이라고 하고, 상기 제 3 파장 대역 내에 마련되는 상기 복수의 분광 대역의 수를 s라고 한 경우, m<n≤s 또는 m≤n<s가 성립되며, 또한 m<n일 때, n=m+1이고, 또한 n<s일 때, s=n+1이다.
본 측면에서는, 3 이상의 파장 가변 밴드패스 필터를 사용하는 경우에, 각 파장 가변 밴드패스 필터에 설정되는 분광 대역의 수(갭 가변 수 또는 측정 포인트 수)에 제약을 둔다. 즉, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터에 설정되는 분광 대역 수를 m이라고 하며, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터에 설정되는 분광 대역수를 n이라고 하고, 제 3 파장 가변 밴드패스 필터에 설정되는 분광 대역수를 s라고 했을 때, m<n≤s 또는 m≤n<s가 성립되며, 또한, m과 n의 차, 또는 n과 s의 차는, 0 또는 1로 설정된다. 여기서 m, n, s는, 전제로서 2 이상의 자연수이다. 즉, m<n일 때, n=m+1가 성립되고, 또한 n<s일 때, s=n+1가 성립된다.
예컨대, 복수의 파장 가변 밴드패스 필터를 포함하는 광 필터에 있어서 설정 가능한 토탈 분광 대역의 수(토탈 가변 갭 수)를 X라고 하며(X는 짝수: 여기서는 16으로 한다), 4개의 파장 가변 밴드패스 필터를 사용하는 경우를 상정한다. 한편, 제 4 파장 가변 밴드패스 필터에 설정되는 분광 대역수를 p라고 한다.
이 경우, 각 파장 가변 밴드패스 필터에 균등하게 분광 대역 수를 할당하는 경우에는, 각 필터에 4개의 분광 대역이 할당되게 된다. 이에 비해서, 본 측면에서는, 예컨대 m=3, n=4, s=4, p=5와 같이 설정한다. 이 예에서는, m, n, s에 관해서는, m<n=s가 성립되고, 또한 n, s, p에 관해서는, n=s<p이 성립된다(여기서, n, s, p 각각을 다시 m, n, s로 치환하면, m=n<s가 성립되게 된다).
본 측면에서의 제약을 두면, 분광 대역을 길게 하는 것이 어려운 단파장역에서 대역폭을 짧게 하고, 장파장역에서 대역폭을 길게 하는 원칙(상기 (4) 측면의 원칙)을 기본으로 하면서, 인접하는 파장 대역의 광을 분광하는 2개의 파장 가변 밴드패스 필터간의, 분광 대역수의 차를 0 또는 1로 할 수 있다(분광 대역 수의 격차를 크게 하지 않는 효과가 있다). 따라서 무리없는 설계가 가능하다. 예컨대, (7)의 측면과 같이, 각 파장 가변 밴드패스 필터의 토탈 분광 처리 시간을 균일화하는 것이 용이하게 된다.
(10) 본 발명의 광 필터 모듈의 일 측면은, 상기 어느 하나의 광 필터와, 상기 광 필터를 투과한 광을 수광하는 수광 소자를 포함한다.
광 필터 모듈은 예컨대, 광통신 장치의 수신부(수광 광학계와 수광 소자를 포함함)로서 사용할 수 있고 또한, 예컨대 분광 측정기의 수광부(수광 광학계와 수광 소자를 포함함)로서 사용할 수 있다. 본 측면에 의하면, 투과광의 파장 범위를 넓게 취할 수 있어, 소형이며, 사용이 편리한 광 필터 모듈를 실현할 수 있다.
(11) 본 발명의 분광 측정기의 일 측면은, 상기 어느 하나의 광 필터와, 상기 광 필터를 투과한 광을 수광하는 수광 소자와, 상기 수광 소자로부터 얻어지는 신호에 기초한 신호 처리에 기초해서 사전 결정된 신호 처리를 실행하는 신호 처리부를 포함한다.
본 측면에 의하면, 예컨대, 간소화된 구성을 갖춰서, 소형 경량이며, 넓은 파장 범위를 커버가능한, 사용이 편리한 분광 측정기를 실현할 수 있다. 신호 처리부는 수광 소자로부터 얻어지는 신호(수광 신호)에 기초해서 소정의 신호 처리를 실행하여, 예컨대 샘플의 분광 광도 분포를 측정한다. 분광 광도 분포의 측정에 의해서, 예컨대, 샘플의 측색, 샘플의 성분 분석 등을 행할 수 있다. 한편, 수광 소자로부터 얻어지는 신호에 관해서, 노이즈를 제거하기 위한 보정을 실행하면, 분광 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이 노이즈는 예컨대, 각 필터의 투과율의 반치폭이 넓은 것에 기인해서, 각 필터에 대응하는 수광 신호에 중첩되는 불필요한 대역의 수광 성분 등이다.
(12) 본 발명의 광 기기의 일 측면은, 상기 어느 하나의 광 필터를 포함한다. 이로써, 간소화된 구성을 갖춰서, 소형 경량이며, 넓은 파장 범위를 커버가능한 사용이 편리한 광 기기(예컨대, 각종 센서나 광통신 응용 기기)를 실현할 수 있다.
도 1(a) 및 (b)는 분광 측정기의 전체 구성예와 광 필터의 구성예를 나타내는 도면,
도 2(a)~(d)는 가변 갭 에탈론 필터의 원리와 구조예를 나타내는 도면,
도 3(a) 및 (b)는 가변 갭 에탈론의 구체적인 구조예와, 그 동작을 설명하기 위한 도면,
도 4(a)~(c)는 가변 갭 에탈론 필터에 있어서의, 전극 및 광학막의 배치를 설명하기 위한 도면,
도 5는 정전 액츄에이터를 이용한 갭 제어에 대해서 설명하기 위한 도면,
도 6은 갭을 4단계로 변화시키는 것이 가능한 가변 갭 에탈론 필터의 투과 특성의 일례를 나타내는 도면,
도 7은, 합계 16단계의 갭 변화를 가능하게 하기 위한 가변 갭 에탈론 필터의 구성의 일례와, 그 구동 방법의 일례를 나타내는 도면,
도 8(a)~(d)는, 파장 가변 밴드패스 필터에 입사하는 광의 분광 특성을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 9(a)~(d)는, 파장 가변 밴드패스 필터에 입사하는 광의 분광 특성을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 10(a) 및 (b)는, 실시예 2에 있어서의 파장 가변 필터의 특성의 구체적인 설계예를 나타내는 도면,
도 11은 파장 가변 에탈론을 3개 이상 사용하는 경우에 있어서의, 각 필터가 분광 가능하게 하는 대역폭에 대한 고찰을 설명하기 위한 도면,
도 12(a)~(c)는, 복수의 가변 파장 밴드패스 필터의 구동 방법의 일례를 나타내는 도면,
도 13은 본 발명에 따른 일 실시예의 분석 기기의 일례인 측색기의 개략 구성을 나타내는 블록도,
도 14는 분광 측정기의 분광 측정 동작의 일례를 나타내는 흐름도,
도 15는 본 발명에 따른 일 실시예의 광 기기의 다른 예인 파장 다중 통신 시스템의 송신기의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2(a)~(d)는 가변 갭 에탈론 필터의 원리와 구조예를 나타내는 도면,
도 3(a) 및 (b)는 가변 갭 에탈론의 구체적인 구조예와, 그 동작을 설명하기 위한 도면,
도 4(a)~(c)는 가변 갭 에탈론 필터에 있어서의, 전극 및 광학막의 배치를 설명하기 위한 도면,
도 5는 정전 액츄에이터를 이용한 갭 제어에 대해서 설명하기 위한 도면,
도 6은 갭을 4단계로 변화시키는 것이 가능한 가변 갭 에탈론 필터의 투과 특성의 일례를 나타내는 도면,
도 7은, 합계 16단계의 갭 변화를 가능하게 하기 위한 가변 갭 에탈론 필터의 구성의 일례와, 그 구동 방법의 일례를 나타내는 도면,
도 8(a)~(d)는, 파장 가변 밴드패스 필터에 입사하는 광의 분광 특성을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 9(a)~(d)는, 파장 가변 밴드패스 필터에 입사하는 광의 분광 특성을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 10(a) 및 (b)는, 실시예 2에 있어서의 파장 가변 필터의 특성의 구체적인 설계예를 나타내는 도면,
도 11은 파장 가변 에탈론을 3개 이상 사용하는 경우에 있어서의, 각 필터가 분광 가능하게 하는 대역폭에 대한 고찰을 설명하기 위한 도면,
도 12(a)~(c)는, 복수의 가변 파장 밴드패스 필터의 구동 방법의 일례를 나타내는 도면,
도 13은 본 발명에 따른 일 실시예의 분석 기기의 일례인 측색기의 개략 구성을 나타내는 블록도,
도 14는 분광 측정기의 분광 측정 동작의 일례를 나타내는 흐름도,
도 15는 본 발명에 따른 일 실시예의 광 기기의 다른 예인 파장 다중 통신 시스템의 송신기의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시의 형태에 대해서 구체적으로 설명한다. 또한 이하에 설명하는 본 실시예는 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하는 것이 아니라, 본 실시예에서 설명되는 구성 모두가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적인 것이라고 한정하지 않는다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 광 필터(복수의 파장 가변 밴드패스 필터를 구비함)를 포함하는 광 기기(여기서는 분광 측정기로 함)를 예로 들어서, 광 필터의 구성예나 동작예에 대하여 설명한다. 한편, 분광 측정기의 예에서는, 예컨대 측색기, 분광분석기, 분광 스펙트럼 애널라이저 등을 들 수 있다.
(분광 측정기의 전체 구성예와 광 필터의 구성예)
도 1(a) 및 도 1(b)는, 분광 측정기의 전체 구성예와 광 필터의 구성예를 나타내는 도면이다. 예컨대, 샘플(200)을 측색하는 경우에는 광원(100)이 이용되고 또한, 샘플(200)을 분광 분석하는 경우에는 광원(100')이 이용된다.
도 1(a)에 도시된 바와 같이, 분광 측정기는 광원(100)(또는 100')과, 복수의 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(1)~가변 BPF(4))를 구비하는 광 필터(분광부)(300)와, 포토다이오드 등의 수광 소자(PD(1)~PD(4))를 포함하는 수광부(400)와, 수광부(400)로부터 얻어지는 수광 신호(광량 데이터)에 기초해서, 사전 결정된 신호 처리를 실행하여 분광 광도 분포 등을 구하는 신호 처리부(600)와, 가변 BPF(1)~가변 BPF(4) 각각을 구동하는 구동부(301)와, 가변 BPF(1)~가변 BPF(4) 각각의 분광 대역을 가변으로 제어하는 제어부(303)를 갖는다. 신호 처리부(600)는 신호 처리 회로(501)를 갖고, 필요에 따라서, 보정 연산부(500)를 마련하는 것도 가능하다. 분광 광도 분포의 측정에 의해서, 예컨대 샘플(200)의 측색이나, 샘플(200)의 성분 분석 등을 행할 수 있다.
한편, 광 필터(300) 및 수광부(400)에 의해서, 광 필터 모듈(350)이 구성된다. 광 필터 모듈(350)은, 분광 측정기에 적용할 수 있다는 점 외에, 예컨대 광통신 장치의 수신부(수광 광학계와 수광 소자를 포함함)로서도 사용 가능하다(이 예에 대해서는, 도 15를 이용해서 후술한다). 본 실시예에 있어서의 광 필터 모듈(350)은 투과광의 파장 범위를 넓게 취할 수 있어서, 소형 경량이며, 또한 사용이 편리하다는 이점이 있다.
또한, 신호 처리부(600)는, 상기한 바와 같이, 수광부(400)로부터 얻어지는 수광 신호(광량 데이터)를 보정하는 보정 연산부(500)를 포함할 수 있다. 예컨대, 수광부(400)로부터 얻어지는 신호에 관해서, 노이즈를 제거하기 위한 보정을 실행하면, 분광 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 한편, 노이즈는 예컨대, 가변 BPF(1)~(4) 각각의 투과율의 반치폭이 넓다는 점에 기인해서, 각 필터에 대응하는 수광 신호에 중첩되는 불필요한 대역의 수광 성분이다.
또한, 광원(100(100'))으로서는, 예컨대, 백열 전구, 형광등, 방전관, LED 등의 고체 발광 소자를 이용한 광원(고체 발광 소자 광원) 등을 사용할 수 있다.
도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 광 필터(300)는 실질적으로 파장 400nm~700nm의 광범위에 걸친 파장 대역(즉, 소망 대역)을 커버하는, 복수의 분광 대역을 설정 가능한 밴드패스 필터이다. 즉, 광 필터(300)는 제 1 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(1))와, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(2))와, 제 3 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(3))와, 제 4 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(4))를 갖는다.
제 1 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(1))는, 파장 400nm~460nm의 파장 대역(제 1 파장 대역)의 광을 분광하고, 또한 대역폭이 20nm로 설정되어 있는 4개의 분광 대역(투과 파장 대역)(b1~b4)을 갖는다. b1~b4 각각의 대역의 중심 파장은 400nm, 420nm, 440nm 및 460nm이다. 제 2 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(2))는, 480nm~540nm의 파장 대역(제 2 파장 대역)을 분광하고, 대역폭이 20nm로 설정되어 있는 4개의 분광 대역(투과 파장 대역)(b5~b8)을 갖는다. b5~b8 각각의 대역의 중심 파장은 480nm, 500nm, 520nm 및 540nm이다. 제 3 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(3))는, 파장 560nm~620nm의 파장 대역(제 3 파장 대역)을 분광하고, 대역폭이 20nm로 설정되어 있는 4개의 분광 대역(투과 파장 대역)(b9~b12)을 갖는다. b9~b12 각각의 대역의 중심 파장은 560nm, 580nm, 600nm 및 620nm이다. 제 4 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(4))는 640nm~700nm의 파장 대역(제 4 파장 대역)을 분광하고, 대역폭이 20nm로 설정되어 있는 4개의 분광 대역(투과 파장 대역)(b13~b16)을 갖는다. b13~b16 각각의 대역의 중심 파장은 640nm, 660nm, 680nm 및 700nm이다. 한편, 도 1(b)에 있어서, p1~p16 각각은, 광 필터(300)가 분광 측정기에서 사용되는 경우에 있어서의 측정 포인트를 나타내고 있다(즉, 16개의 측정 포인트가 설정되어 있게 된다).
도 1(a) 및 도 1(b)에 도시된 본 실시예에 있어서의 광 필터(300)는, 소망 파장 대역(커버할 파장 대역)을 하나의 파장 가변 필터로 커버하는 것이 아니라, 복수의(즉, 2 이상의) 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(1)~가변 BPF(4))를 이용해서 커버하는 구성을 채용한다.
즉, 2 이상의 파장 가변 밴드패스 필터(제 1 파장 가변 밴드패스 필터인 가변 BPF(1) 및 제 2 파장 가변 밴드패스 필터인 가변 BPF(2))가 적어도 마련된다.
파장 가변 밴드패스 필터는, 하나의 광학 필터로 실질적으로 복수의 분광 대역을 실현할 수 있어, 간이한 구성으로 넓은 파장역을 커버할 수 있어서, 사용이 편리하다는 특성을 갖는다. 본 실시예에서는, 이 파장 가변 밴드패스 필터를 복수개 사용하고, 각 필터에, 분광하는 대역을 할당함으로써, 보다 넓은 범위의 파장역을 효율적으로 커버 가능한, 간소화된 구성을 갖는 광 필터가 실현된다. 이로써, 예컨대, 개개의 파장 가변 밴드패스 필터의 가동부의 가동 범위를 억제하여, 액츄에이터의 구동 전압의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 예컨대, 각 파장 가변 밴드패스 필터에 사용되는 광학막(예컨대, 굴절률이 다른 막을 적층한 구조를 갖고, 광의 반사 특성과 투과 특성을 함께 가지는 광학막)의 구조 또는 구성(두께 등을 포함한다)을 간소화할 수 있다. 따라서, 광 필터의 설계상의 부하(설계 부하) 및 제조상의 부하(프로세스 부하)를 저감할 수 있다.
(가변 갭 에탈론 필터에 대해서)
도 1(a) 및 도 1(b)에 도시된 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(1)~가변 BPF(4)) 각각은, 예컨대, 가변 갭 에탈론 필터(간단히, 가변 갭 에탈론이라고 하는 경우가 있다)에 의해서 구성할 수 있다. 가변 갭 에탈론의 갭 값을 제어함으로써, 하나의 광학 필터를 이용해서, 실질적으로 복수의(즉 2 이상의) 분광 대역을 실현하는 것이 가능하다.
예컨대, 도 1(b)의 예에서는, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(1))는, 갭 값을 4단계에 걸쳐서 변화시킬 수 있는 가변 갭 에탈론을 이용해서 구성할 수 있다. 따라서, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(1))는, 실질적으로 분광 대역으로서, 제 1 파장 대역(400nm~460nm) 중 제 1 파장 400nm을 중심 파장으로 하는 제 1 분광 대역(b1)과, 제 1 파장 대역(400nm~460nm) 중 제 2 파장을 중심 파장으로 하는 제 2 분광 대역(b2)을 적어도 갖고 있다. 제 2 파장은 제 1 파장과는 달리, 또한 파장축 상에서, 제 1 파장으로부터 적어도 제 1 분광 대역의 대역폭(즉 20nm) 이상 이격되어 있는 파장으로, 여기서는 420nm이다. 또한, 중심 파장이 제 3 파장 440nm인 20nm의 대역폭을 갖는 제 3 분광 대역(b3), 중심 파장이 제 4 파장 460nm인 20nm의 대역폭을 갖는 제 4 분광 대역(b4)를 갖고 있다.
마찬가지로, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(2))는, 갭 값을 4단계에 걸쳐서 변화시킬 수 있는 가변 갭 에탈론을 이용하여 구성할 수 있다. 따라서, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(2))는, 실질적으로, 분광 대역으로서 제 2 파장 대역(480nm~540nm) 중 제 5 파장을 중심 파장으로 하는 제 5 분광 대역(b5)과, 제 2 파장 대역(480nm~540nm) 중 제 6 파장 500nm을 중심 파장으로 하는 제 6 분광 대역(b6)을 적어도 갖고 있다. 또한, 중심 파장이 제 7 파장 520nm인 20nm의 대역폭을 갖는 제 7 분광 대역(b7), 중심 파장이 제 8 파장 540nm인 20nm의 대역폭을 갖는 제 8 분광 대역(b8)을 갖고 있다.
도 2(a)~도 2(d)는, 가변 갭 에탈론 필터의 원리와 구조예를 나타내는 도면이다. 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 가변 갭 에탈론 필터는, 서로 대향해서 배치되는 제 1 기판(예컨대, 고정 기판)(20)과, 제 2 기판(예컨대, 가동 기판)(30)과, 제 1 기판(20)의 주면(표면)에 마련되는 제 1 광학막(40)과, 제 2 기판(30)의 주면(표면)에 마련되는 제 2 광학막(50)과, 각 기판 사이에 유지된, 각 기판간의 갭(거리)을 조정하기 위한 액츄에이터(예컨대, 정전 액츄에이터나 압전 소자 등)(80a, 80b)를 갖는다.
한편, 제 1 기판(20) 및 제 2 기판(30) 중 적어도 하나가 가동 기판이면 되고, 둘 다 가동 기판으로 하는 것도 가능하다. 액츄에이터(80a) 및 액츄에이터(80b)는 각각, 구동부(구동 회로)(301a) 및 구동부(구동 회로)(301b) 각각에 의해서 구동된다. 또한, 각 구동부(구동 회로)(301a, 301b)의 동작은, 제어부(제어 회로)(303)에 의해서 제어된다.
소정 각도 θ로 외부로부터 입사하는 광 Lin은, 거의 산란되지 않고 제 1 광학막(40)을 통과한다. 제 1 기판(20)에 마련된 제 1 광학막(40)과 제 2 기판(30)에 마련된 제 2 광학막(50) 사이에서, 광의 반사가 반복되고, 이로써 광의 간섭이 생겨서 특정 조건을 만족시키는 파장의 광만이 강화되고, 이 강화된 파장의 광의 일부는, 제 2 기판(30) 상의 제 2 광학막(50)을 통과해서 수광부(수광 소자)(400)에 도달한다. 간섭에 의해서 어떤 파장의 광이 강화될지는, 제 1 기판(20)과 제 2 기판(30) 사이의 갭(G1)에 의존한다. 따라서, 갭(G1)을 가변으로 제어함으로써, 통과하는 광의 파장 대역을 변화시킬 수 있다.
도 2(b)는, 가변 갭 에탈론 필터의 단면 구조의 일례를 나타내고 있다. 가변 갭 에탈론은, 대향해서 평행하게 배치되는 제 1 기판(20) 및 제 2 기판(30)과, 제 1 광학막(40) 및 제 2 광학막(50)을 갖는다. 갭(광학막 사이의 거리)은 G1로 설정되어 있다.
도 2(c)는, 제 1 기판(20)(예컨대, 유리 기판) 상에 형성되는 제 1 광학막(40)의 구조예를 나타내고 있다. 제 1 광학막(40)은, 한 쌍(원 페어)의 실리콘 산화막(SiO2막(굴절률 n=1.5)) 및 산화티탄막(TiO2막(굴절률 n=2.5))을 적어도 갖는 적층막이다. 제 1 광학막(40)은, 반사막으로서 기능하고, 또한 광투과막으로서의 기능을 함께 갖는다. 한편, 산화티탄막 위에는, 보호막으로서의 산화막이 형성되어 있다. 이 보호막으로서의 산화막의 두께를 조정함으로써, 갭(G1)을 미세 조정하는 것도 가능하다. 제 2 광학막(50)도 같은 구성으로 할 수 있다.
도 2(d)는, 적층하는 광학막의 페어 수에 의존해서, 밴드패스 필터의 광투과 특성이 어떻게 변화되는지를 나타내고 있다(단, 일례이다). 단층막(원 페어의 막)의 경우에는, 예컨대 실선으로 나타내는 밴드패스 필터 특성(투과율의 반치폭 w1)이 되고, 다층막(2페어 이상의 막)의 경우에는, 예컨대 실선으로 나타내는 밴드패스 필터 특성(투과율의 반치폭 w2(w2>w1))이 된다. 이와 같이, 광학막을 구성하는 페어수를 증가시킴으로써, 밴드패스 필터에 있어서의 투과율의 반치폭(즉, 광투과 대역의 대역폭)을 넓힐 수 있다.
단, 예컨대, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 400nm~700nm의 넓은 파장 대역을 하나의 밴드패스 필터로 커버하고자 하면, 광학막의 구조가 복잡화되어서, 설계상의 부담이나 프로세스상의 부담이 증대한다. 이에 비해서, 상기 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 복수의 파장 가변 필터를 채용하여, 각 파장 가변 필터 각각에 분광하는 대역을 할당함으로써, 하나의 파장 가변 필터의 부담을 경감할 수 있다.
즉, 가변 갭 에탈론은, 구성이 간이하고, 소형화, 저 가격에 적합한 파장 가변 필터로, 이 가변 갭 에탈론 필터를 복수 사용하여, 각 필터 각각에 다른 파장 대역을 분광시킴으로써, 예컨대 간소화된 구성을 갖추고, 소형 경량으로, 넓은 파장 범위를 커버 가능한 사용이 편리한 광 필터를, 무리없이 실현할 수 있다.
복수의 파장 가변 밴드패스 필터의 부담이 경감되어 있다는 점에서, 이들 복수의 파장 가변 밴드패스 필터 각각에 마련되는 광학막의 구성 재료를 공통화할 수 있다. 따라서, 광 필터의 제조 부하의 경감(예컨대, 제조 프로세스의 간소화)을 도모할 수 있다.
이하, 가변 갭 에탈론의 구체적인 구조예에 대하여 설명한다. 도 3(a) 및 도 3(b)는, 가변 갭 에탈론의 구체적인 구조예와, 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a)에 있어서, 제 1 기판(20)과, 예컨대 일체로, 제 2 기판(30)을 가동에 지지하는 지지부(22)가 형성되어 있다. 지지부(22)는, 제 2 기판(30)에 마련해도 되고, 또는 제 1, 제 2 기판(20, 30)과는 별체로 형성할 수도 있다.
제 1, 제 2 기판(20, 30)은, 각각 예컨대, 소다 유리, 결정성 유리, 석영 유리, 납 유리, 칼륨 유리, 붕규산 유리, 무알칼리 유리 등의 각종 유리나, 수정 등에 의해 형성할 수 있다. 이들 중에서도, 각 기판(20, 30)의 구성 재료로서는, 예컨대 나트륨(Na)이나 칼륨(K) 등의 알칼리 금속을 함유한 유리가 바람직하고, 이러한 유리에 의해 각 기판(20, 30)을 형성함으로써, 광학막(반사막)(40, 50)이나, 각 전극(60, 70)의 밀착성이나, 기판끼리의 접합 강도를 향상시키는 것이 가능해진다. 그리고, 이들 2개의 기판(20, 30)은, 예컨대 플라즈마 중합막을 이용한 표면 활성화 접합 등에 의해 접합됨으로써 일체화되어 있다. 제 1, 제 2 기판(20, 30) 각각은, 한 변이 예컨대 10mm의 정방형으로 형성되고, 다이어프램으로서 기능하는 부분의 최대 직경은 예컨대 5mm이다.
제 1 기판(20)은, 예컨대 두께가 500㎛로 형성되는 유리 기재를 에칭에 의해 가공함으로써 형성된다. 제 1 기판(20)은, 제 2 기판(30)과 대향하는 대향면 중 중앙의 제 1 대향면(20A1)에, 예컨대 원형의 제 1 광학막(40)이 형성되어 있다. 마찬가지로, 제 2 기판(30)은, 두께가 예컨대 200㎛로 형성되는 유리 기재를 에칭에 의해 가공함으로써 형성된다. 제 2 기판(30)은, 제 1 기판(20)과 대향하는 대향면(30A)의 중앙 위치에, 제 1 광학막(40)과 대향하는 예컨대, 원형의 제 2 광학막(50)이 형성되어 있다.
한편, 제 1, 제 2 광학막(40, 50)은, 예컨대 직경이 약 3mm의 원형 형상으로 형성되어 있다. 이 제 1, 제 2 광학막(40, 50)은, 예컨대 투과율의 반치폭도 좁고 분해능이 양호한, 예컨대 TiO2와 SiO2의 적층막으로 이루어지는 유전체 다층막을 사용할 수 있고, 또한 AgC층 등에 의해서 구성할 수도 있다. 제 1, 제 2 광학막(40, 50)은, 예컨대 스퍼터링 등의 수법에 의해 제 1, 제 2 기판(20, 30)에 형성할 수 있다. 광학막의 막 두께 치수는, 예컨대 0.03㎛로 형성되어 있다. 본 실시예에서는, 제 1, 제 2 광학막(40, 50)으로서, 가시광 전역을 분광할 수 있는 광학막을 이용한다.
또한, 제 1, 제 2 기판(20, 30)의 각 대향면(20A1, 20A2, 30A)과는 반대측의 면에서, 제 1, 제 2 광학막(40, 50)에 대응하는 위치에, 도시하지 않는 반사 방지막(AR)을 형성할 수 있다. 이 반사 방지막은, 저굴절률막 및 고굴절률막을 교대로 적층함으로써 형성되고, 제 1, 제 2 기판(20, 30)의 계면에서의 가시광의 반사율을 저하시켜서, 투과율을 증대시킨다.
이들 제 1, 제 2 광학막(40, 50)은, 도 3(a)에 나타내는 전압 비인가 상태에서 제 1 갭(G1)을 사이에 두고 대향 배치되어 있다. 한편, 여기서는 제 1 광학막(40)을 고정 거울로 하고, 제 2 광학막(50)을 가동 거울로 하지만, 상술한 제 1, 제 2 기판(20, 30)의 양태에 따라서, 제 1, 제 2 광학막(40, 50) 중 어느 하나 또는 둘 다를 가동으로 할 수 있다.
평면도 상에서 제 1 광학막(40) 주위의 위치이며, 제 1 기판(20)의 제 1 대향면(20A1) 주위의 제 2 대향면(20A2)에는, 예컨대 하부 전극(제 1 전극)(60)이 형성되어 있다. 한편, 이하의 설명에 있어서, 평면도 상에서란 각 기판의 기판 두께 방향으로부터 기판 평면을 본 경우를 말한다. 마찬가지로, 제 2 기판(30)의 대향면(30A)에는, 하부 전극(60)과 대향하여 상부 전극(제 2 전극)(70)이 마련되어 있다. 하부 전극(제 1 전극)(60)과 상부 전극(제 2 전극)(70)은, 제 2 갭(G2)을 사이에 두고, 대향 배치되어 있다. 한편, 하부 전극(60) 및 상부 전극(70)의 표면은, 절연막으로써 피복할 수 있다.
본 실시예에서는, 제 1 기판(20)이 제 2 기판(30)과 대향하는 면은, 제 1 광학막(40)이 형성되는 제 1 대향면(20A1)과, 평면도 상에서 제 1 대향면(20A1) 주위에 배치되고, 하부 전극(60)이 형성되는 제 2 대향면(20A2)를 갖는다. 제 1 대향면(20A1)과 제 2 대향면(20A2)은 동일면이어도 되지만, 본 실시예에서는 제 1 대향면(20A1)과 제 2 대향면(20A2) 사이에는 단차가 있어, 제 1 대향면(20A1) 쪽이 제 2 대향면(20A2)보다 제 2 기판(30)에 가까운 위치에 설정되어 있다. 이로써, 제 1 갭(G1)<제 2 갭(G2)인 관계가 성립된다.
또한, 광 필터(300)에서는, 평면도 상에서 제 2 광학막(50) 주위에 배치된 상부 전극(70)에 공통 전압(예컨대, 접지 전압)을 인가하고, 평면도 상에서 제 1 광학막(40) 주위에 배치된 하부 전극(60)에 전압을 인가함으로써, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 대향 전극간에 화살표로 나타내는 정전력(개별적으로는 정전 인력)(F1)을 발생시킬 수 있다. 즉, 하부 전극(60) 및 상부 전극(70)에 의해서 정전 액츄에이터(80)가 구성된다. 이 정전 인력(F1)에 의해서, 제 1, 제 2 광학막(40, 50) 사이의 제 1 갭(G1)을 초기 갭의 크기보다 작은 갭이 되도록 가변으로 제어할 수 있다. 광학막 사이의 갭의 크기에 의해서 투과광의 파장이 결정된다. 따라서, 갭을 변화시킴으로써 투과 파장을 선택하는 것이 가능해진다.
도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 입사광은, 예컨대 제 2 기판(30)의 상방으로부터 입사한다. 가변 갭 에탈론의 갭 값에 의해서 결정되는 파장 대역(분광 대역)의 광만이 제 1 기판(20)을 통과하여 출력광이 된다. 이 출력광은, 수광부(400)에 의해서 수광되어, 수광 강도에 따른 전기 신호(수광 신호)가 얻어진다.
도 3(a) 및 도 3(b)에 나타내는 예에서는, 가동 기판인 제 2 기판(30)의 가요성을 확보하기 위해서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상부 전극(제 2 전극)(70)이 형성되는 영역을, 예컨대 두께 치수가 50㎛ 정도인 얇은 두께부(34)로 하고 있다. 이 얇은 두께부(34)는, 제 2 광학막(50)이 배치되는 영역의 두꺼운 두께부(32), 및 지지부(22)와 접촉하는 영역의 두꺼운 두께부(36)보다 얇은 두께로 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 제 2 기판(30)은, 제 2 광학막(50) 및 상부 전극(70)이 형성되는 면(30A)은 평탄면이고, 제 2 광학막(50)이 배치되는 제 1 영역에 두꺼운 두께부(32)가 형성되며, 상부 전극(70)이 형성되는 제 2 영역에 얇은 두께부(34)가 형성된다. 이렇게 해서, 얇은 두께부(34)로써 가요성을 확보하면서, 두꺼운 두께부(32)가 휘어지지 않게 함으로써, 제 2 광학막(50)은 평면도를 유지하며 갭을 가변하는 것이 가능해진다.
도 4(a)~도 4(c)는, 가변 갭 에탈론 필터에 있어서의, 전극 및 광학막의 배치를 설명하기 위한 도면이다. 도 4(a)는 가변 갭 에탈론 필터의 단면도이고(참조 번호는 전술한 도면과 같다), 도 4(b)는, 상부 전극(제 2 전극)(70) 및 제 2 광학막(50)의 평면도 상에서의 배치를 나타내는 도면이고, 도 4(c)는, 하부 전극(제 1 전극)(60) 및 제 1 광학막(40)의 평면도 상에서의 배치를 나타내는 도면이다.
도 4(a)~도 4(c)에 명확하게 도시된 바와 같이, 제 1 기판(20)의 중앙부에 제 1 광학막(40)이 마련되고, 제 2 기판(30)의 중앙부에서, 제 1 광학막(40)에 대향하도록 제 2 광학막(50)이 마련되어 있다. 또한, 제 1 전극(제 1 구동 전극)(40)은, 제 1 기판(20)에 마련되며, 평면도 상에서 제 1 광학막(40) 주위에(구체적으로는, 제 1 광학막(40)을 둘러싸도록) 형성되어 있고, 제 2 전극(제 2 구동 전극)(50)은, 제 2 기판(30)에 마련되며, 평면도 상에서 제 2 광학막(50) 주위에(구체적으로는, 제 2 광학막(50)을 둘러싸도록) 형성되어 있다. 한편, 도 4(a) 및 도 4(b)에 있어서, 참조 부호 70A 및 60A는 각각, 인출 전극을 나타낸다.
이러한 구조를 갖는 광 필터(300)는, 광학막(제 1 광학막(40) 및 제 2 광학막(50))이 형성되는 영역과, 전극(하부 전극(60) 및 상부 전극(70))이 형성되는 영역이, 평면도 상에서 서로 다른 영역이 되고(도 4(b) 및 도 4(c) 참조), 따라서 특허 문헌 1에 기재된 예와 같이 광학막과 전극이 적층되는 일이 없다. 따라서, 제 1, 제 2 기판(20, 30) 중 적어도 하나(본 실시예에서는 제 2 기판(30))가 가동 기판이 되더라도, 광학막과 전극이 적층되지 않기 때문에 가동 기판은 가요성을 확보할 수 있다. 더욱이, 특허 문헌 1에 기재된 광 필터와는 달리, 하부 전극(60) 및 상부 전극(70) 상에는 광학막이 형성되지 않기 때문에, 투과형 또는 반사형 파장 가변 간섭 필터로서 광 필터(300)를 이용해도, 하부, 상부 전극(60, 70)을, 투명 전극으로 하는 제약도 생기지 않는다. 한편, 하부, 상부 전극(60, 70)을 가령 투명 전극으로 했다고 해도, 투과 특성에는 영향을 미친다. 이에 비해서, 도 4의 예에서는, 하부 전극(60) 및 상부 전극(70) 상에는 광학막이 형성되지 않고, 전극 부분은 광이 통과하지 않는 영역이 된다. 따라서, 투과형 파장 가변 간섭 필터인 광 필터(300)에서, 원하는 투과 특성을 확보하는 것이 용이하다.
도 5는, 정전 액츄에이터를 이용한 갭 제어에 대해서 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 구동부(구동 회로)(301)에는, DAC(D/A 변환기)(114)와, 디지털 제어부(112)가 마련된다. DAC(D/A 변환기)(114)는, 기준 전압원(120)으로부터 공급된, 값이 다른 복수의 기준 전압값 각각을 아날로그 전압으로 변환한다. 이 아날로그 전압은, 구동 전압으로서, 예컨대 정전 액츄에이터를 구성하는 상부 전극(제 2 전극)(70)에 인가된다. 한편, 하부 전극(제 1 전극)(60)의 전위는 고정되어 있다(예컨대, 접지되어 있다). 상부 전극(제 2 전극)(70)과 하부 전극(제 1 전극)(60) 사이에 전위차 ΔVseg가 생기면, 이에 따라 정전 인력이 발생하고, 가동 기판인 제 2 기판(30)이 휘어져서, 제 1 광학막(40)과 제 2 광학막(50) 사이의 갭이 변화된다 (즉, 갭이 축소된다).
도 6은, 갭을 4단계로 변화시키는 것이 가능한(즉, 갭 가변수가 4인) 가변 갭 에탈론 필터의 투과 특성의 일례를 나타내는 도면이다. 즉, 도 6은 갭을 4단계에 걸쳐서 변화시킨 경우의, 가변 갭 에탈론의 분광 대역의 변화를 나타내고 있다. 가변 갭 에탈론 필터를 투과하는 광의 파장 λ(λ0~λ3)와 갭(G)(G0~G3)의 관계는, 도 6에 도시한 바와 같이, 갭(G)이 좁아지면 필터의 분광 대역의 중심 파장 λ이 짧아진다는 관계에 있다 (한편, 가변 갭 에탈론에 있어서, 갭의 굴절률을 n으로 했을 때, 갭이 공기로 채워져 있다면 n=1이다).
도 7은, 합계 16단계의 갭 변화를 가능하게 하기 위한 가변 갭 에탈론 필터의 구성의 일례와, 그 구동 방법의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7에 있어서, 4개의 가변 갭 에탈론 필터(10A~10D)가 나란히 마련되어 있다. 여기서는, 일례로서 광학막의 초기갭(G1)이, 각 가변 갭 에탈론 필터(10A~10D)에서 같은 경우에 대해서 설명한다. 각 가변 갭 에탈론 필터(10A~10D) 각각은, 4단계의 갭 변화가 가능한, 가변수 4인 파장 가변 밴드패스 필터이다. 가변 갭 에탈론 필터(10A, 10B, 10C, 10D)의 순서로, 분광하는 파장 대역의 파장이 길어진다.
가변 갭 에탈론 필터(10A~10D) 각각의 초기갭은 모두 G1로 설정되어 있다. 단, 각 필터(10A~10D) 각각의, 구동 개시 직후의 인가 전압(구동 전압)의 레벨은 다르다. 즉, 각 필터(10A~10D) 각각의 구동 개시 직후의 인가 전압(구동 전압)은 VA, VB, VC, VD이며, VA>VB>VC>VD인 관계에 있다. 도 7에 도시된 구성을 갖는 광 필터(300)를, 예컨대 분광 측정기에 적용한 경우, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 16포인트(p1~p16)의 분광 측정이 가능하다.
(분광 분포를 구하는 방법에 대해서)
다음으로 수광 신호에 기초해서, 파장 가변 밴드패스 필터에 입사하는 광의 분광 특성을 구하는 방법에 대하여 설명한다. 도 8(a)~도 8(d)는, 파장 가변 밴드패스 필터에 입사하는 광의 분광 특성을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
여기서는, 도 8(a)에 있어서, 굵은 파선으로 나타낸 분광 강도 분포를 갖는 광(예컨대, 적색의 광)이, 파장 가변 밴드패스 필터(가변 갭 에탈론 필터)에 입사하는 경우를 생각한다. 가변 갭 에탈론 필터는, 갭을 4단계에 걸쳐서 변화시킴으로써, 실질적으로 도 8(b)에 나타낸 바와 같은, 4개의 분광 대역을 실현하는 것이 가능하다. 즉, 가변 갭 에탈론 필터는, 4개의 분광 대역을 갖는, 갭 가변수가 4인 파장 가변 밴드패스 필터이다.
도 8(c)에 나타낸 바와 같이, 갭 값이 G3일 때, 가변 갭 에탈론은, 파장 λ3을 중심 파장으로 한 투과 특성을 갖고 있다. 수광부(수광 소자)(400)에 도달하는 광량은, 파장 λ3을 중심 파장으로 한 가변 갭 에탈론의 투과 특성과 입사광의 강도에 따라 결정된다(구체적으로는, 투과율과 광 강도의 곱에 의해서 결정된다). 도 8(d)에 나타낸 바와 같이, 갭 값이 G2일 때, 가변 갭 에탈론은, 파장 λ2을 중심 파장으로 한 투과 특성을 갖고 있다.
도 9(a)~도 9(d)는, 파장 가변 밴드패스 필터에 입사하는 광의 분광 특성을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 9(a)에 나타낸 바와 같이, 갭 값이 G1일 때, 가변 갭 에탈론은, 파장 λ1을 중심 파장으로 한 투과 특성을 갖고 있다. 도 9(b)에 나타낸 바와 같이, 갭 값이 G0일 때, 가변 갭 에탈론은, 파장 λ0을 중심 파장으로 한 투과 특성을 갖고 있다.
수광부(400)로부터는, 도 9(c)에 나타낸 바와 같은 수광 광량에 따라 전류 I3~I0 각각이 출력된다. 각 필터의 중심 파장 λ과, 전류의 전류치의 관계를 구함으로써, 도 9(d)에 나타낸 바와 같은 분광 특성을 나타내는 특성선을 도시할 수 있다. 구체적으로는, 도 9(c)에 나타낸 측정 데이터(전류값)에 기초해서, 신호 처리부(600)(도 1 참조)가 보완 연산(선형 보완 등)을 실행함으로써, 입사광의 분광 분포가 검출된다. 즉, 도 9(d)에 나타낸 그래프에 있어서의 전류값은, 수광 강도로 대체할 수 있기 때문에, 입사한 광의 분광 특성이 검출되게 된다.
(실시예 2)
상술한 실시예에서는, 인접하는 제 1 파장 대역(400nm~460nm)과 제 2 파장 대역(480nm~540nm) 각각의 대역폭은 같았다(도 1(b) 참조). 이에 비해서, 본 실시예에서는, 인접하는 제 1 파장 대역과 제 2 파장 대역 각각의 대역폭에 차이를 둔다. 즉, 제 2 파장 대역은, 제 1 파장 대역보다 긴 파장측의 파장 대역일 때, 제 2 파장 대역의 대역폭은, 제 1 파장 대역의 대역폭보다 넓게 설정된다. 이것은, 단파장측일수록, 긴 파장 대역을 확보하는 것이 어렵게 된다는 것을 고려한 것이다.
예컨대, 제 1 파장 대역을 분광하는 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 및 제 2 파장 대역을 분광하는 제 2 파장 가변 밴드패스 필터 각각에서 사용하는 광학막의 재료(및 구성)를 공통화했을 때, 공통의 광학막을 이용하여 실현되는 밴드패스 필터의 대역폭은, 단파장측일수록 짧아지는 경향이 있다. 예컨대, 밴드패스 필터의 대역폭을 결정하는 파라미터로서, 그 밴드패스 필터를 투과하는 파장 자체가 포함되어 있는 경우에는, 파장이 짧을수록, 그 파라미터의 값이 작아지고, 결과적으로 밴드패스 필터의 대역폭도 짧아진다.
예컨대, 분광 측정기에 있어서, 소정 대역폭의 8개의 분광 대역이 필요한 경우에, 제 1 파장 대역에 4개의 분광 대역을 할당하고, 제 2 파장 대역에 마찬가지로 4개의 분광 대역을 할당하는 경우를 상정한다. 이 경우, 상술한 사정으로부터, 단파장측의 제 1 파장 대역이, 제 2 파장 대역에 비해서 짧아지고, 따라서 제 1 파장 대역에 있어서, 4개의 분광 대역을 할당하는(즉, 4점의 측정점을 확보하는) 것이 어렵게 되는 경우가 있을 수 있다. 이 경우에는, 단파장측의 파장 대역을 분광하는 제 1 파장 가변 밴드패스 필터에 사용하는 광학막에 관해서, 다른 재료의 사용(및 다른 구조의 채용) 등의 대책이 필요하게 된다. 이 경우에는, 광학막의 제조상의 부담이 증가한다.
그래서, 본 실시예에서는, 제 1 파장 대역과 제 2 파장 대역에서 대역폭에 차이가 있는 것을 허용하여, 장파장측의 제 2 파장 대역의 대역폭을, 단파장측의 제 1 파장 대역의 대역폭보다 넓게 설정한다. 이로써, 단파장측의 제 1 파장 대역에 있어서, 분광 대역의 수를 무리하게 확보할 필요가 없어져서, 무리없는 광 필터의 설계가 가능해진다. 이하, 구체적으로 설명한다.
(파장 대역의 대역폭에 대한 고찰)
먼저 도 2(c)를 이용해서 설명한 바와 같이, 광학막은 굴절률이 다른 한 쌍의 막(적층막)을 1단위(원 페어)로 해서 구성할 수 있다. 상측에 적층되는 막은 굴절률 nH가 크고, 하측에 적층되는 막은 굴절률 nL이 작다.
광학막으로서, 원 페어의 적층막을 사용하는 경우(상측막 1층, 하측막 1층, 합계 2층의 경우), 분광 대역의 단파장측의 에지 파장을 λ1로 하고, 장파장측의에지 파장을 λ2로 한다. 이 때, λ1과 λ2는 각각, 하기 (1) 식 및 (2) 식과 같이 나타낼 수 있다.
여기서 λ0는 중심 파장이고, Δg는 하기 (3) 식으로 결정되는 정수임)
따라서, 분광 대역의 대역폭 Δλ은, 하기 (4) 식으로 나타낼 수 있다.
(4) 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 분광 대역의 대역폭은, 중심 파장 λ0에 의존하고 있어, 중심 파장(λ0)이 짧아질수록, 분광 대역의 대역폭도 짧아진다.
여기서, 일례로서, 4개의 가변 갭 에탈론 필터를 이용해서 분광 측정을 실행하는 경우를 생각한다. 측정 범위를 가시광 영역의 400nm~700nm로 해서, 입사광의 분광 분포를, 20nm 폭의 대역마다 구하기 위해서는, 16개소의 파장으로 측정할 필요가 있다. 각 가변 필터에서 4개소씩 측정하면 바람직하지만, 단파장측의 필터는 (4) 식보다 대역이 짧기 때문에, 장파장측에 비해서 4개소의 측정이 곤란하게 되기 쉽다. 그 대책으로서, 단파장측의 광학막은 다른 구조로 할 필요가 생기는 경우도 있을 수 있다. 그래서, 본 실시예에서는, 장파장측의 필터로 단파장측보다 많은 측정 개소를 마련하도록 한다. 간이하게 측정을 실시하는 것이 가능해진다.
즉, 제 1 파장 대역 내에, 소정 대역폭(예컨대, 20nm 피치)의 복수의 분광 대역이 마련되고, 또한 제 1 파장 대역보다 긴 파장측의 제 2 파장 대역내에, 소정 대역폭(예컨대, 20nm 피치)의 복수의 분광 대역이 마련되며, 제 1 파장 대역 내에 마련되는 복수의 분광 대역의 수를 m이라고 하고, 제 2 파장 대역 내에 마련되는 복수의 분광 대역의 수를 n이라고 한 경우에, m<n이 성립된다.
즉, 본 실시예에서는, 상기 (4)식으로부터, 장파장측의 제 2 파장 대역의 대역폭쪽이 길어지기 때문에, 이에 맞춰서, 제 1 파장 대역과 제 2 파장 대역 각각에 할당하는 분광 대역의 수를 균등하게 하지 않고, 단파장측의 제 1 파장 대역에서는, 그 수를 적게 설정하는 설계 수법이 채용된다.
예컨대, 7개의 분광 대역(7개의 측정 포인트)이 필요한 경우에, 제 1 파장 대역에는 3개(m=3)의 분광 대역(3개의 측정 포인트)을 설정하고, 제 2 파장 대역에는 4개(n=4)의 분광 대역(4개의 측정 포인트)을 설정한다. 이로써, 단파장측의 파장 대역에 관해서도, 공통의 광학막을 이용한 파장 가변 밴드패스 필터에 의한 분광이 가능해져서, 광 필터(복수의 파장 가변 밴드패스 필터를 구비하는 광 필터 장치) 전체적인 구성이 복잡화되지 않는다. 따라서, 제조상의 부하나 설계상의 부하의 증대가 생기지 않는다.
또한, 종래에는, 넓은 파장 대역을 하나의 파장 가변 필터를 사용해서 커버했었지만, 이 종래 예에서는, 필터의 가동부의 가동 범위가 커지기 때문에, 구동 전압의 다이나믹 레인지가 넓어져서, 구동 전압의 피크치가 높아진다. 또한, 전파장 대역을 커버할 수 있는 광학막의 설계가 필요해져서, 광학막의 구조가 복잡하게 된다. 본 실시예에서는, 파장 가변 필터를 복수개 이용해서, 각 파장 가변 필터에 다른 파장 대역을 할당함으로써, 하나의 파장 가변 필터의 분광 처리의 부담을 경감할 수 있다. 즉, 파장 가변 필터를 복수 이용함으로써, 하나의 필터의 측정 범위가 좁아지기 때문에, 액츄에이터의 가동 범위도 좁아지고, 따라서 구동 전압을 저감할 수 있고(전력 절약 효과) 및, 1회의 구동 전압의 변화량이 작아지기 때문에, 구동 전압을 크게 변화시키는 경우에 비해서, 구동 전압의 정밀도가 향상된다는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 광학막의 설계도 용이화된다. 따라서, 설계 부하 및 프로세스 부하를 저감하는 것이 가능해진다.
(구체적인 설계예)
도 10(a) 및 도 10(b)는, 실시예 2에 있어서의 파장 가변 필터의 특성의 구체적인 설계예를 나타내는 도면이다. 한편, 여기서는, 파장 가변 필터는 분광 측정 장치에 사용되는 것으로 한다.
도 10(a)에 나타낸 바와 같이, 광 필터는 전체적으로, 400nm~700nm의 소망 대역을 커버한다. 종래에는, 하나의 파장 가변 필터(하나의 파장 가변 밴드패스 필터)로 전체 대역을 커버했었지만, 도 10(a)에 나타낸 예에서는, 4개의 파장 가변 필터(제 1 파장 가변 필터~제 4 파장 가변 필터)를 사용해서 각 필터에 다른 파장 대역을 할당한다.
제 1 파장 가변 필터는, 400nm~440nm의 제 1 파장 대역을 분광하고, 제 1 파장 대역 내에서 3점의 측정 포인트(p1~p3)가 설정된다. 즉, 3개의 분광 대역이 설정된다. 또한, 제 2 파장 가변 필터는, 460nm~520nm의 제 2 파장 대역을 분광해서, 제 2 파장 대역 내에서 4점의 측정 포인트(p4~p7)가 설정된다. 즉, 4개의 분광 대역이 설정된다. 또한, 제 3 파장 가변 필터는, 540nm~600nm의 제 3 파장 대역을 분광하고, 제 3 파장 대역 내에서 4점의 측정 포인트(p8~p11)가 설정된다. 즉, 4개의 분광 대역이 설정된다. 또한, 제 4 파장 가변 필터는, 620nm~700nm의 제 4 파장 대역을 분광하고, 제 3 파장 대역 내에서 5점의 측정 포인트(p12~p16)가 설정된다. 즉, 5개의 분광 대역이 설정된다.
도 10(b)에는, 복수의 파장 가변 필터 각각의 특성의 설계예가 도시되어 있다. 여기서는, 2층의 광학막(원 페어의 광학막)을 각 필터에서 공통으로 사용하는 것으로 하고, 또한 상측의 막의 굴절률 nH이 2.5, 하측의 막의 굴절률 nL이 1.5이며, 설정되는 하나의 분광 대역의 폭을 20nm로 해서 시뮬레이션이 행해지고 있다.
상술한 바와 같이, 가장 파장이 짧은 대역을 분광하는 제 1 파장 가변 필터에 관해서, 넓은 대역을 확보하는 것이 어렵게 되지만, 본 예에서는, 측정 포인트 수를 줄이고 있기 때문에, 필요 대역을 무리없이 확보할 수 있다.
즉, 제 1 파장 가변 필터에 관해서, 중심 파장 λ0은 420nm이며, 필요 대역은 400nm~440nm이다. 상기 (4)식에 있어서, 대역폭 Δλ은 139nm이 되고, 이 때 단파장측의 에지 파장 λ1은 362nm이며, 장파장측의 에지 파장 λ2은 501nm이다. λ1와 λ2로 결정되는 파장 대역(362nm~501nm)은, 상기한 필요 대역(400nm~440nm)을 만족한다. 따라서, 가장 짧은 파장 대역을 분광하는 제 1 파장 가변 필터에 있어서, 다른 필터와 공통의 광학막을 이용했다고 해도, 무리없이 필요 대역을 커버할 수 있다.
다른 파장 가변 필터에 관해서도, 필요 대역을 무리없이 확보할 수 있다. 즉, 제 2 파장 가변 필터에 관해서, 중심 파장 λ0은 490nm이고, 필요 대역은 460nm~520nm이며, 대역폭 Δλ은 162nm이 되고, 이 때 단파장측의 에지 파장 λ1은 422nm이고, 장파장측의 에지 파장 λ2은 584nm이며, λ1와 λ2로 결정되는 파장 대역(422nm~584nm)은, 필요 대역(460nm~520nm)을 만족한다.
또한, 제 3 파장 가변 필터에 관해서, 중심 파장 λ0은 570nm이며, 필요 대역은 540nm~600nm이고, 대역폭Δλ은 188nm이 되며, 이 때 단파장측의 에지 파장 λ1은 491nm이고, 장파장측의 에지 파장 λ2은 679nm이며, λ1와 λ2로 결정되는 파장 대역(491nm~679nm)은, 필요 대역(540nm~600nm)을 만족한다.
또한, 제 4 파장 가변 필터에 관해서, 중심 파장 λ0은 660nm이며, 필요 대역은 620nm~700nm이고, 대역폭Δλ은 218nm이 되며, 이 때 단파장측의 에지 파장 λ1은 569nm이고, 장파장측의 에지 파장 λ2은 787nm이며, λ1와 λ2로 결정되는 파장 대역(569nm~787nm)은, 필요 대역(620nm~700nm)을 만족한다.
(파장 가변 에탈론을 3개 이상 사용하는 경우에 있어서의 대역폭에 대한 고찰)
도 11은, 파장 가변 에탈론을 3개 이상 사용하는 경우에 있어서의, 각 필터가 분광하는 대역폭에 대한 고찰을 설명하기 위한 도면이다. 도 11에 있어서, W는 소망 파장 대역이고, W1은 제 1 파장 가변 밴드패스 필터가 분광하는 제 1 파장 대역이고, W2는 제 2 파장 가변 밴드패스 필터가 분광하는 제 2 파장 대역이며, W3은, 제 3 파장 가변 밴드패스 필터가 분광하는 제 3 파장 대역이다. 또한, 제 1 파장 대역~제 3 파장 대역 각각의 대역폭은, W1L, W2L, W3L이다.
제 1 파장 대역(W1)에 있어서, 2개의 측정 포인트(p1, p2)가 설정되어 있다. 제 1 파장 대역(W1)에 있어서의 측정 포인트의 수(즉, 설정되는 분광 대역의 수)를 m이라고 하면, 도 11에 나타낸 예에서는 m=2이다. 또한, 제 2 파장 대역(W2)에 있어서, 3개의 측정 포인트(p3, p4, p5)가 설정되어 있다. 제 2 파장 대역(W2)에 있어서의 측정 포인트의 수(즉, 설정되는 분광 대역의 수)를 n이라고 하면, 도 11에 나타낸 예에서는 n=3이다. 또한, 제 3 파장 대역(W3)에 있어서, 4개의 측정 포인트(p6, p7, p8, p9)가 설정되어 있다. 제 2 파장 대역(W2)에 있어서의 측정 포인트의 수(즉, 설정되는 분광 대역의 수)를 s라고 하면, 도 11에 나타낸 예에서는 s=4이다.
즉, 도 11에 나타낸 예에서는, m<n<s이며, 인접하는 파장 대역에 있어서의 분광 대역의 수의 차는 1이다(n=m+1, s=m+1). 단, 이에 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 도 10(a)에 나타낸 예와 같이, 인접하는 파장 대역에 있어서의 분광 대역의 수가 같은 경우도 있을 수 있다(m=n 또는 n=s).
따라서, 상기의 예를 종합적으로 고찰하면, m, n, s의 관계에 관해서, 이하의 제약이 도출된다. 여기서 m, n, s는, 전제로서 2 이상의 자연수이다. 즉, 「제 1 파장 대역(W1) 내에 마련되는 복수의 분광 대역의 수를 m이라고 하고, 제 2 파장 대역(W2)에서 마련되는 복수의 분광 대역의 수를 n이라고 하며, 제 3 파장 대역(W3) 내에 마련되는 복수의 분광 대역의 수를 s라고 한 경우에, m<n≤s 또는 m≤n<s가 성립되고, 또한 m<n일 때, n=m+1이고, 또한 n<s일 때, s=n+1이다」라고 할 수 있다.
m, n, s에 관해서, 이러한 제약을 마련하면, 분광 대역을 길게 하는 것이 어려운 단파장역에서 대역폭을 짧게 하고, 장파장역에서 대역폭을 길게 한다고 하는 원칙을 기본으로 하면서, 인접하는 파장 대역을 분광하는 2개의 파장 가변 밴드패스 필터간의, 분광 대역수의 차를 0 또는 1로 할 수 있다(분광 대역수의 격차를 크게 하지 않는 효과가 있다). 따라서 무리없는 설계가 가능하다. 예컨대, 설정되는 분광 대역의 수에 큰 차가 있으면, 각 파장 가변 밴드패스 필터의 토탈 분광 처리 시간에 큰 편차가 생기지만, 인접하는 파장 대역간에서, 분광 대역수의 차가 0 또는 1로 되고 있으면, 각 파장 가변 밴드패스 필터의 토탈 분광 처리 시간을, 예컨대 대략 균일하게 하는 것이 용이하게 된다.
(실시예 3)
본 실시예에서는, 각 파장 가변 밴드패스 필터에 있어서의, 하나의 분광 대역당 유지 기간에 착안한다. 예컨대, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 분광 대역이 m회 변화되는 경우에 있어서의 하나의 분광 대역당 유지 기간을 Δtm이라고 하고, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터의 분광 대역이 n 회(n> m)변화되는 경우에 있어서의 하나의 분광 대역당 유지 기간을 Δtn이라고 한 경우에, Δtm>Δtn로 설정한다.
여기서, 예컨대 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 및 제 2 파장 가변 밴드패스 필터로서, 가변 갭 에탈론 필터를 사용한다. 또한, 각 파장 가변 밴드패스 필터에 있어서의 가동 기판의 토탈 이동량(토탈 갭 변화량)은 통상, 각 대역의 필터에서 다르지만, 일례로서 토탈 갭 변화량이 같은 경우를 상정한다. 예컨대, 가동 기판의 토탈 갭 변화량을 G라고 했을 때, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터에 관해서는, 분광 대역을 1회 변화시킬 때마다, 갭 값은 (G/m)만큼 변화되게 되고, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터에 관해서는, 분광 대역을 1회 변화시킬 때마다, 갭 값은 (G/n)만큼 변화되게 된다. m<n이기 때문에, (G/m)>(G/n)이다. 즉, 각 밴드패스 필터의 1회당 갭 변화량을 비교하면, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 1회당 갭 변화량 (G/m)쪽이 크다. 따라서, 액츄에이터에 공급되는 구동 전압의, 1회당 변화량(스텝적인 전압 변화량)은, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 쪽이 크게 된다. 구동 전압의 변화량이 크면, 그 구동 전압이 안정되기까지의 세틀링 타임(안정화 시간)이길어진다.
이 점에 착안해서, 본 측면에서는, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터에 있어서의 하나의 분광 대역당 유지 기간을 Δtm이라고 하고, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터에 있어서의 하나의 분광 대역당 유지 기간을 Δtn이라고 한 경우에, Δtm>Δtn으로 설정한다. 즉, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 구동 전압의 1회당 변화량이 크기 때문에, 세틀링 타임을 길게 잡아서, 1회의 분광 대역의 유지 기간 Δtm을 Δtn에 비해 길게 설정하는 것이다. 이로써, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 구동에 관해서는 구동 전압의 세틀링 기간을 확보할 수 있고, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터의 구동에 관해서는 쓸데없이 긴 유지 기간을 마련하는 일이 없게 된다. 따라서, 무리없고 또한 효율적인 분광 처리가 실현된다.
또한, 본 실시예에서는, 각 파장 가변 밴드패스 필터가 분광 처리를 개시하고 나서 분광 처리를 종료하기까지의 시간을 대략 균일화하는 것도 가능하다. 즉, 제어부(303)(도 1 참조)가, m·Δtm과, n·Δtn가 같아지도록, Δtm 및 Δtn을 설정함으로써, 각 필터의 토탈 처리 시간을 대략 같게 하는 것도 가능하다. 즉, Δtm>Δtn, 또한 m<n일 때, Δtm 및 Δtn의 길이를 조정하면, m·Δtm과, n·Δtn을 대략 같게 할 수 있다. 각 파장 가변 밴드패스 필터의, 토탈 분광 처리 시간이 균일화됨으로써, 예컨대 분광 측정기에 있어서의 신호 처리가 용이화된다. 예컨대 각 신호의 처리 타이밍을 맞추기 쉽게 된다. 이것은, 분광 측정기 등의 광 기기에 있어서의 신호 처리의 효율화에 공헌한다. 이하, 구체적으로 설명한다.
도 12(a)~도 12(c)는, 복수의 가변 파장 밴드패스 필터의 구동 방법의 일례를 나타내는 도면이다. 우선, 도 12(a) 및 도 12(b)를 참조한다. 도 12(a)는 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 구동 전압 파형예를 나타내고, 도 12(b)는, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터의 구동 전압 파형예를 나타낸다.
도 12(a)에 있어서, 시각 t1에 제 1 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(1))를 이용한 측정이 개시되고, 시각 t2에 있어서 에탈론의 갭이 갱신되며, 시각 t3에서, 측정이 종료된다. 합계, 2회의 분광 측정(측정 1a 및 측정 2a)이 실행된다. 측정 개시부터 측정 종료까지의 시간을 T라고 하여, 1회의 측정 시간(하나의 갭의 유지 기간)을 Δtm라고 한다. 또한, 시각 t1에 있어서의 구동 전압의 레벨은 VA0이고, 시각 t2에 있어서의 구동 전압의 레벨은 VA1이며, 시각 t3에 있어서의 구동 전압의 레벨은 VA2이다. VA1과 VA0의 차(및 VA2와 VA1의 차)는 ΔVx이다. 또한, 시각 t1~시각 t3에 있어서의, 갭의 토탈 변화량을 G라고 한다.
또한, 도 12(b)에 있어서, 시각 t1에, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(2))를 이용한 측정이 개시되며, 시각 t4에서 에탈론의 갭의 첫번째 갱신이 이루어지고, 시각 t5에서 에탈론의 갭의 두번째 갱신이 이루어지며, 시각 t3에서 측정이 종료된다. 합계, 3회의 분광 측정(측정 1b, 측정 2b 및 측정 3b)이 실행된다. 측정 개시로부터 측정 종료까지의 시간은, 도 12(a)의 경우와 같이 T이고, 또한 1회의 측정 시간(하나의 갭의 유지 기간)을 Δtn이라고 한다. Δtn<Δtm이다. 또한, 시각 t1에 있어서의 구동 전압의 레벨은 VB0이고, 시각 t4에 있어서의 구동 전압의 레벨은 VB1이며, 시각 t5에 있어서의 구동 전압의 레벨은 VB2이고, 시각 t3에 있어서의 구동 전압의 레벨은 VB3이다. VB1와 VB0의 차(VB2와 VB1의 차, VB3와 VB2의 차)는, ΔVy이다. 여기서, ΔVy<ΔVx이다. 또한, 시각 t1~시각 t3에 있어서의, 갭의 토탈 변화량을 G라고 한다.
도 12(a) 및 도 12(b)와 같은 구동 전압 파형이라고 하면, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(1))의 측정 개시부터 측정 종료까지의 시간과, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(2))의 측정 개시로부터 측정 종료까지의 시간을 같게(모두 T) 할 수 있다.
도 12(c)는, 또한, 제 3 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(3))를 추가하여, 3개의 필터에 의해서 분광 측정을 행하는 경우의, 하나의 갭당 유지 기간(측정 시간)의 예를 나타내고 있다. 인접하는 제 1 파장 대역(W1)과 제 2 파장 대역(W2), 및 인접하는 제 2 파장 대역(W2)과 제 3 파장 대역(W3)을 생각한다. 제 1 파장 대역(W1)의 대역폭은 W1L이고, 제 2 파장 대역(W2)의 대역폭은 W2L이며, 제 3 파장 대역(W3)의 대역폭은 W3L이다. 또한, 제 1 파장 대역(W1)에서의 측정 포인트수(분광 대역수)는 m이고, 제 2 파장 대역(W2)에서의 측정 포인트수(분광 대역수)는 n이며, 제 3 파장 대역(W3)에서의 측정 포인트수(분광 대역수)는 s이다.
가변 갭 에탈론의 가동 기판의 토탈 갭 변화량을 G라고 했을 때, 제 1 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(1)에 관해서는, 분광 대역을 1회 변화시킬 때마다 갭 값은(G/m)만큼 변화되게 되고, 제 2 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(2))에 관해서는, 분광 대역을 1회 변화시킬 때마다 갭 값은(G/n)만큼 변화되게 된다. 그리고, 제 3 파장 가변 밴드패스 필터(가변 BPF(3))에 관해서는, 분광 대역을 1회 변화시킬 때마다, 갭 값은(G/s)만큼 변화되게 된다. 여기서, (G/m)>(G/n)>(G/s)가 성립된다.
각 필터의 1회의 갭 갱신당 구동 전압의 변화량을 ΔVx, ΔVy, ΔVz라고 하면, ΔVx>ΔVy>ΔVz이다. 각 필터의 하나의 갭의 유지 기간(1회의 측정 시간)을 Δtm, Δtn, Δts라고 하면, Δtm>Δtn>Δts이다. 여기서, Δtm, Δtn, Δts의 길이를 적절하게 조정함으로써, 각 필터의 토탈 측정 시간 T에 관해서, T≒m·Δtm≒n·Δtn≒s·Δts로 할 수 있다.
이와 같이, 3개 이상의 필터를 사용하는 경우에도, 각 필터의 1회의 측정 시간을 적절하게 조정함으로써, 각 필터의 측정 개시부터 측정 종료까지의 시간을 일정하게 할 수 있다. 따라서, 예컨대 분광 측정기에 있어서의 신호 처리에 있어서, 신호의 처리 타이밍을 맞추기 쉽게 되어, 효율적인 신호 처리를 행할 수 있다.
(실시예 4)
도 13은, 본 발명에 따른 일 실시예의 분석 기기의 일례인 측색기의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 도 13에 있어서, 측색기(700)는, 광원 장치(202)와, 분광 측정기(203)와, 측색 제어 장치(204)를 구비하고 있다.
이 측색기(700)는 광원 장치(202)로부터 검사 대상 A를 향해서, 예컨대 백색광을 사출하고, 검사 대상 A에서 반사된 광인 검사 대상광을 분광 측정기(203)에 입사시킨다. 그리고, 분광 측정기(203)에서 검사 대상광을 분광하고, 분광한 각 파장의 광의 광량을 측정하는 분광 특성 측정을 실시한다. 바꿔 말하면, 검사 대상 A에서 반사된 광인 검사 대상광을 광 필터(에탈론)(10)에 입사시키고, 에탈론(10)로부터 투과한 투과광의 광량을 측정하는 분광 특성 측정을 실시한다. 그리고, 측색 제어 장치(204)는, 획득한 분광 특성에 기초해서, 검사 대상 A의 측색 처리, 즉 어떤 파장의 색이 어느 정도 포함되어 있는지를 분석한다.
광원 장치(202)는, 광원(210), 복수의 렌즈(212)(도 1에는 하나만 기재)를 구비하여, 검사 대상 A에 대해서 백색광을 사출한다. 또한, 복수의 렌즈(212)에는 콜리메이터 렌즈가 포함되어 있고, 광원 장치(202)는 광원(210)으로부터 사출된 백색광을 콜리메이터 렌즈에 의해 평행광으로 해서, 도시하지 않는 투사 렌즈로부터 검사 대상 A을 향해서 사출한다.
분광 측정기(203)는, 도 13에 나타낸 바와 같이, 에탈론(10)과, 수광 소자를 포함하는 수광부(220)와, 구동 회로(230)와, 제어 회로부(240)를 구비하고 있다. 또한, 분광 측정기(203)는, 에탈론(10)에 대향하는 위치에, 검사 대상 A에서 반사된 반사광(측정 대상광)을, 내부로 도광하는 도시하지 않는 입사 광학 렌즈를 구비하고 있다.
수광부(220)는, 복수의 광전 교환 소자(수광 소자)에 의해 구성되어 있어서, 수광량에 따른 전기 신호를 생성한다. 그리고, 수광부(220)는, 제어 회로부(240)에 접속되어 있어서, 생성한 전기 신호를 수광 신호로서 제어 회로부(240)에 출력한다. 한편, 에탈론(10)과 수광부(수광 소자)(220)로 유닛화하여, 광 필터 모듈을 구성할 수 있다.
구동 회로(230)는, 에탈론(10)의 하부 전극(60), 상부 전극(70) 및 제어 회로부(240)에 접속된다. 구동 회로(230)는, 제어 회로부(240)로부터 입력되는 구동 제어 신호에 기초해서, 하부 전극(60) 및 상부 전극(70) 사이에 구동 전압을 인가하여, 제 2 기판(30)을 소정의 변위 위치까지 이동시킨다. 구동 전압으로서는, 하부 전극(60)과 상부 전극(70) 사이에 원하는 전위차가 생기도록 인가되면 되며, 예컨대 하부 전극(60)에 소정의 전압을 인가하고, 상부 전극(70)을 어스 전위로 해도 된다. 구동 전압으로서는, 직류 전압을 이용하는 것이 바람직하다.
제어 회로부(240)는 분광 측정기(203)의 전체 동작을 제어한다. 이 제어 회로부(240)는, 도 13에 나타낸 바와 같이, 예컨대 CPU(250), 기억부(260) 등에 의해 구성되어 있다. 그리고, CPU(250)는, 기억부(260)에 기억된 각종 프로그램, 각종 데이터에 기초해서, 분광 측정 처리를 실시한다. 기억부(260)는, 예컨대 메모리나 하드디스크 등의 기록 매체를 구비하여 구성되고, 각종 프로그램, 각종 데이터 등을 적절하게 판독 가능하게 기억한다.
여기서, 기억부(260)에는, 프로그램으로서, 전압 조정부(261), 갭 측정부(262), 광량 인식부(263) 및 측정부(264)가 기억되어 있다. 한편, 갭 측정부(262)는 상술한 바와 같이 생략해도 된다.
또한, 기억부(260)에는, 제 1 갭(G1)의 간격을 조정하기 위해서 정전 액츄에이터(80, 90)에 인가하는 전압값 및 이 전압값을 인가하는 시간을 관련지은 도 7에 나타내는 전압 테이블 데이터(265)가 기억되어 있다.
측색 제어 장치(204)는, 분광 측정기(203) 및 광원 장치(202)에 접속되어 있고, 광원 장치(202)의 제어, 분광 측정기(203)에 의해 취득되는 분광 특성에 기초한 측색 처리를 실시한다. 이 측색 제어 장치(204)에서는, 예컨대 범용 퍼스널 컴퓨터나, 휴대 정보 단말, 기타, 측색 전용 컴퓨터 등을 이용할 수 있다.
그리고, 측색 제어 장치(204)는, 도 13에 나타낸 바와 같이, 광원 제어부(272), 분광 특성 취득부(270), 및 측색 처리부(271) 등을 구비해서 구성되어 있다. 광원 제어부(272)는 광원 장치(202)에 접속되어 있다. 그리고, 광원 제어부(272)는, 예컨대 이용자의 설정 입력에 기초해서, 광원 장치(202)에 소정의 제어 신호를 출력하여, 광원 장치(202)로부터 소정 밝기의 백색광을 사출시킨다. 분광 특성 취득부(270)는 분광 측정기(203)에 접속되고, 분광 측정기(203)로부터 입력되는 분광 특성을 취득한다.
측색 처리부(271)는, 분광 특성에 기초해서 검사 대상 A의 색도를 측정하는 측색 처리를 실시한다. 예컨대, 측색 처리부(271)는, 분광 측정기(203)로부터 획득된 분광 특성을 그래프화하여, 도시하지 않는 프린터나 디스플레이 등의 출력 장치에 출력하는 등의 처리를 실시한다.
도 14는, 분광 측정기(203)의 분광 측정 동작의 일례를 나타내는 흐름도이다. 우선, 제어 회로부(240)의 CPU(250)는, 전압 조정부(261), 광량 인식부(263) 및 측정부(264)를 기동시킨다. 또한, CPU(250)는 초기 상태로서 측정회 변수 n을 초기화(n=0로 설정)한다(스텝 S1). 한편, 측정회 변수 n은, 0 이상의 정수의 값을 취한다.
그 후, 측정부(264)는, 초기 상태, 즉 정전 액츄에이터(80)에 전압이 인가되지 않는 상태에서, 에탈론(10)을 투과한 광의 광량을 측정한다(스텝 S2). 한편, 이 초기 상태에 있어서의 제 1 갭(G1)의 크기는, 예컨대 분광 측정기의 제조시에 미리 측정하여, 기억부(260)에 기억해 두어도 된다. 그리고, 여기서 획득한 초기 상태의 투과광의 광량, 및 제 1 갭(G1)의 크기를 측색 제어 장치(204)에 출력한다.
다음으로 전압 조정부(261)는, 기억부(260)에 기억되어 있는 전압 테이블 데이터(265)를 판독한다(스텝 S3). 또한, 전압 조정부(261)는 측정회 변수 n에 「1」을 가산한다(스텝 S4).
그 후, 전압 조정부(261)는, 전압 테이블 데이터(265)로부터, 측정회 변수 n에 대응하는 제 1, 제 2 전극(62, 64)의 전압 데이터 및 전압 인가 기간 데이터를 취득한다(스텝 S5). 그리고, 전압 조정부(261)는, 구동 회로(230)에 구동 제어 신호를 출력하고, 전압 테이블 데이터(265)의 데이터에 기초해서 정전 액츄에이터(80)를 구동하는 처리를 실시한다(스텝 S6).
또한, 측정부(264)는, 인가 시간 경과 타이밍에 분광 측정 처리를 실시한다(스텝 S7). 즉, 측정부(264)는, 광량 인식부(263)에 의해 투과광의 광량을 측정시킨다. 또한, 측정부(264)는, 측정된 투과광의 광량과, 투과광의 파장을 관련지은 분광 측정 결과를 측색 제어 장치(204)에 출력하는 제어를 행한다. 한편, 광량의 측정은, 복수회 또는 모든 회수의 광량의 데이터를 기억부(260)에 기억시켜 두고, 복수회마다의 광량의 데이터 또는 모든 광량의 데이터의 취득 후에, 모아서 각각의 광량을 측정할 수도 있다.
그 후, CPU(250)는 측정회 변수 n이 최대치 N에 이르렀는지 여부를 판단해서(스텝 S8), 측정회 변수 n이 N이라고 판단하면, 일련의 분광 측정 동작을 종료한다. 한편, 스텝 S8에 있어서, 측정회 변수 n이 N 미만인 경우, 스텝 S4으로 돌아가서, 측정회 변수 n에 「1」을 가산하는 처리를 실시하고, 이 후, 스텝 S5~스텝 S8의 처리를 반복한다.
(광 기기의 다른 예)
도 15는 본 발명에 따른 일 실시예의 광 기기의 다른 예인 파장 다중 통신 시스템의 송신기의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 파장 다중(WDM:Wavelength Division Multiplexing) 통신에서는, 파장이 다른 신호는 간섭하지 않는다는 특성을 이용해서, 파장이 다른 복수의 광신호를 하나의 광 파이버 내에서 다중적으로 사용하면, 광 파이버 회선을 증설하지 않고 데이터의 전송량을 향상시킬 수 있게 된다.
도 15에 있어서, 파장 다중 송신기(800)는, 광원(100)으로부터의 광이 입사되는 광 필터(300)를 갖고, 광 필터(300)로부터는 복수의 파장 λ0, λ1, λ2, …의 광이 투과된다. 파장마다 송신기(311, 312, 313)가 마련된다. 송신기(311, 312, 313)로부터의 복수 채널분의 광 펄스 신호는, 파장 다중 장치(321)에서 하나로 합해져서 하나의 광 파이버 전송로(331)로 송출된다.
본 발명은 광 부호 분할 다중(OCDM: Optical Code Division Multiplexing) 송신기에도 마찬가지로 적용할 수 있다. OCDM은, 부호화된 광 펄스 신호의 패턴 매칭에 의해서 채널을 식별하지만, 광 펄스 신호를 구성하는 광 펄스는, 다른 파장의 광성분을 포함하고 있기 때문이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 의하면, 예컨대 파장 가변 필터를 복수 이용함으로써, 하나의 필터의 측정 범위가 좁아졌기 때문에, 액츄에이터의 가동 범위도 좁아지고, 따라서 하나의 필터당 구동 전압을 저감할 수 있다. 또한, 예컨대, 1회의 구동 전압의 변화량이 적어지기 때문에, 구동 전압을 보다 정확하게 제어할 수 있고, 이 점에서, 구동 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 예컨대, 각 파장 가변 필터의 대역이 좁아지기 때문에, 광학막의 구조가 간단화된다. 따라서, 사용 가능한 광학막의 종류의 자유도가 증가하는 등의 메리트가 있다. 또한, 예컨대 넓은 파장 대역을 커버하는 경우에도, 광학막의 재료(및 구조)를 공통화할 수 있다. 따라서, 설계적, 프로세스적으로도 부하가 경감된다. 또한, 예컨대 장파장측의 파장 대역의 대역폭을 길게 함으로써, 단파장측에 필요한 측정 파장 범위(대역)를 짧게 할 수 있다. 따라서, 단파장측에서, 필요한 대역을 무리없이 확보할 수 있어, 각 파장대의 측정을 용이하게 행할 수 있게 된다. 또한, 예컨대, 단파장측의 파장 대역에 있어서, 측정 포인트 수를 감소시킴으로써, 단파장측의 파장 대역에 있어서도 무리없는 측정을 행할 수 있다.
본 발명은, 광 필터, 광 필터 모듈, 분광 측정기(측색 센서나 가스 센서 등) 및 광 기기(광통신 장치 등) 등에 이용하기 적합하다.
이상, 몇 가지 실시예에 대해서 설명했지만, 본 발명의 신규 사항 및 효과로부터 실체적으로 일탈하지 않는 많은 변형이 가능하다는 것은 당업자에는 용이하게 이해할 수 있는 것이다. 따라서, 이러한 변형예는 모두 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 한다. 예컨대, 명세서 또는 도면에 있어서, 적어도 한번, 보다 넓은 의미의 또는 같은 의미의 다른 용어와 같이 기재된 용어는, 명세서 또는 도면의 어떤 개소에서도, 그 다른 용어에 대체할 수 있다.
100(100') : 광원 200 : 샘플
300 : 광 필터 301 : 구동부
303 : 제어부 400 : 수광부
500 : 보정 연산부 600 : 신호 처리부
20 : 제 1 기판 20A1 : 제 1 대향면
20A2 : 제 2 대향면 30 : 제 2 기판
30A : 대향면 40 : 제 1 광학막
50 : 제 2 광학막 60 : 하부 전극(제 1 전극)
70 : 상부 전극(제 2 전극) 80 : 정전 액츄에이터(갭 가변 구동부)
300 : 광 필터 301 : 구동부
303 : 제어부 400 : 수광부
500 : 보정 연산부 600 : 신호 처리부
20 : 제 1 기판 20A1 : 제 1 대향면
20A2 : 제 2 대향면 30 : 제 2 기판
30A : 대향면 40 : 제 1 광학막
50 : 제 2 광학막 60 : 하부 전극(제 1 전극)
70 : 상부 전극(제 2 전극) 80 : 정전 액츄에이터(갭 가변 구동부)
Claims (13)
- 제 1 파장 가변 밴드패스 필터와,
제 2 파장 가변 밴드패스 필터와,
상기 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 및 상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터 각각을 구동하는 구동부와,
상기 제 1 파장 가변 밴드패스 필터 및 상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터 각각의 분광 대역을 가변으로 제어하는 제어부
를 포함하고,
상기 제 1 파장 가변 밴드패스 필터는, 소망 파장 대역에 있어서의 제 1 파장 대역의 광을 분광 가능하고, 또한 분광 대역으로서, 상기 제 1 파장 대역 내의 제 1 파장을 중심 파장으로 하는 제 1 분광 대역과, 상기 제 1 파장 대역 내의 제 2 파장을 중심 파장으로 하는 제 2 분광 대역을 적어도 갖고,
상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터는, 상기 소망 파장 대역에 있어서의 상기 제 1 파장 대역에 인접하는 제 2 파장 대역의 광을 분광 가능하고, 또한 분광 대역으로서, 상기 제 2 파장 대역 내의 제 3 파장을 중심 파장으로 하는 제 3 분광 대역과, 상기 제 2 파장 대역 내의 제 4 파장을 중심 파장으로 하는 제 4 분광 대역을 적어도 갖는 것
을 특징으로 하는 광 필터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 파장 가변 밴드패스 필터는,
제 1 기판과,
상기 제 1 기판과 대향하는 제 2 기판과,
상기 제 1 기판에 마련된 제 1 광학막과,
상기 제 2 기판에 마련되고, 상기 제 1 광학막과 대향하는 제 2 광학막과,
상기 제 1 기판에 마련된 제 1 전극과,
상기 제 2 기판에 마련되고, 상기 제 1 전극과 대향하는 제 2 전극
을 갖고,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 정전력에 의해서, 상기 제 1 광학막과 상기 제 2 광학막 사이의 갭이 제어되어 상기 제 1 분광 대역 또는 상기 제 2 분광 대역의 광을 분광 가능하고,
상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터는,
제 3 기판과,
상기 제 3 기판과 대향하는 제 4 기판과,
상기 제 3 기판에 마련된 제 3 광학막과,
상기 제 4 기판에 마련되고, 상기 제 3 광학막과 대향하는 제 4 광학막과,
상기 제 3 기판에 마련된 제 3 전극과,
상기 제 4 기판에 마련되고, 상기 제 3 전극과 대향하는 제 4 전극
을 갖고,
상기 제 3 전극과 상기 제 4 전극 사이의 정전력에 의해서, 상기 제 3 광학막과 상기 제 4 광학막 사이의 갭이 제어되어 상기 제 3 분광 대역 또는 상기 제 4 분광 대역의 광을 분광 가능한
것을 특징으로 하는 광 필터.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 전극은, 상기 제 1 기판의 기판 두께 방향으로부터 본 평면도 상에서 상기 제 1 광학막 주위에 형성되고,
상기 제 2 전극은, 상기 제 2 기판의 기판 두께 방향으로부터 본 평면도 상에서 상기 제 2 광학막 주위에 형성되며,
상기 제 3 전극은, 상기 제 3 기판의 기판 두께 방향으로부터 본 평면도 상에서 상기 제 3 광학막 주위에 형성되고,
상기 제 4 전극은, 상기 제 4 기판의 기판 두께 방향으로부터 본 평면도 상에서 상기 제 4 광학막 주위에 형성되어 있는
것을 특징으로 하는 광 필터.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 광학막, 상기 제 2 광학막, 상기 제 3 광학막 및 상기 제 4 광학막은 같은 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 필터.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 파장 대역은 상기 제 1 파장 대역보다 긴 파장 측의 파장 대역이고, 또한 상기 제 2 파장 대역의 대역폭은 상기 제 1 파장 대역의 대역폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 광 필터.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 파장 대역 내에 소정 대역폭의 복수의 분광 대역이 마련되고, 또한 상기 제 2 파장 대역 내에 상기 소정 대역폭의 복수의 분광 대역이 마련되며, 상기 제 1 파장 대역 내에 마련되는 상기 복수의 분광 대역의 수를 m이라고 하고, 상기 제 2 파장 대역 내에 마련되는 상기 복수의 분광 대역의 수를 n이라고 한 경우, m<n이 성립되는 것을 특징으로 하는 광 필터.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 파장 가변 밴드패스 필터의 분광 대역이 m회 변화되는 경우에 있어서의, 하나의 분광 대역당 유지 기간을 Δtm이라고 하고, 상기 제 2 파장 가변 밴드패스 필터의 분광 대역이 n회 변화되는 경우에 있어서의, 하나의 분광 대역당 유지 기간을 Δtn이라고 한 경우, Δtm>Δtn이 성립되는 것을 특징으로 하는 광 필터.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제어부는, m·Δtm과, n·Δtn이 같아지도록, Δtm 및 Δtn을 설정하는 것을 특징으로 하는 광 필터.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소망 파장 대역에 있어서의, 상기 제 2 파장 대역에 인접하는 제 3 파장 대역의 광을 분광 가능한 제 3 파장 가변 밴드패스 필터를 더 갖고,
상기 제 3 파장 대역은 상기 제 1 파장 대역 및 상기 제 2 파장 대역보다 긴 파장 측의 파장 대역으로, 상기 제 3 파장 대역의 대역폭은 상기 제 1 파장 대역의 대역폭보다 넓게 설정되어 있으며, 상기 제 3 파장 대역 내에, 상기 소정 대역폭의 복수의 분광 대역이 마련되고, 또한 상기 제 1 파장 대역 내에 마련되는 상기 복수의 분광 대역의 수를 m이라고 하며, 상기 제 2 파장 대역 내에 마련되는 상기 복수의 분광 대역의 수를 n이라고 하고, 상기 제 3 파장 대역 내에 마련되는 상기 복수의 분광 대역의 수를 s라고 한 경우, m<n≤s 또는 m≤n<s가 성립되며, 또한 m<n일 때, n=m+1이고, 또한 n<s일 때, s=n+1인
것을 특징으로 하는 광 필터.
- 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 광 필터와,
상기 광 필터를 투과한 광을 수광하는 수광 소자
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 필터 모듈.
- 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 광 필터와,
상기 광 필터를 투과한 광을 수광하는 수광 소자와,
상기 수광 소자로부터 얻어지는 신호에 기초한 신호 처리에 기초해서 사전 결정된 신호 처리를 실행하는 신호 처리부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 측정기.
- 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 광 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 기기.
- 분광 대역의 광을 복수의 파장 가변 밴드 필터가 분담해서 수광하는 광 필터로서,
인접한 분광 대역을 분담하는 상기 파장 가변 밴드 필터에 있어서,
짧은 파장 측의 상기 분광 대역을 담당하는 상기 파장 가변 밴드 필터보다, 긴 파장 측의 상기 분광 대역을 담당하는 상기 파장 가변 밴드 필터가, 분담하는 상기 분광 대역이 넓은 것
을 특징으로 하는 광 필터.
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