JP2017044797A - 波長可変フィルター - Google Patents

Abstract

【課題】バンドパスフィルターを用いることなく４５０ｎｍ〜１１００ｎｍの幅の波長から所望の波長の光を選択的に透過させることができる波長可変フィルターを提供する。
【解決手段】波長可変フィルター２００は、同一の光軸１１１上に配置されるｎ＋１個（ｎは整数）の偏光板１０１と、偏光板１０１の間に配置され、入射光が透過する順に水晶複屈折板１０２、超広帯域４分の１波長板１０３及び超広帯域２分の１波長板１０４を光軸１１１上に配列して構成されるｎ個のユニットと、偏光板１０１及びユニットを内部に保持する筐体２０１とを有する波長可変フィルターであって、ｎ個の各水晶複屈折板１０２の厚さが、最も薄い水晶複屈折板の厚さをｄとしたときに２^ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜ｎ）であり、超広帯域２分の１波長板１０４を内部に保持し且つ筐体２０１の内部で光軸１１１を中心として回転可能な筒状の回転体と、回転体を回転させる回転機構とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、超広帯域波長板を用いた波長可変フィルターに関する。

波長可変フィルターの一つとして、リオフィルターが知られている。

リオフィルターは、例えば図８に示すように、透過軸の平行な４枚の偏光板８０１ａ乃至８０１ｄの間にそれぞれ位相素子としての複屈折板８０２ａ乃至８０２ｃが、その結晶光学軸と透過軸とが４５度をなすように配置されている。複屈折板８０２ａ乃至８０２ｃの素材としては、方解石や水晶等の一軸性結晶が用いられる。複屈折板８０２の厚さは、一つ前の複屈折板８０２の厚さの２倍となるように、即ち複屈折板８０２ａの厚さをｄとすると、複屈折板８０２ｂの厚さが２ｄ、複屈折板８０２ｃの厚さが４ｄとなるように構成されている。複屈折板８０２ａ乃至８０２ｃを透過するスペクトルの各光学位相差ｄΔｎ（ｄは厚さ、Δｎは複屈折率）は、λ_０を特定波長としたとき、それぞれ、λ_０、２λ_０、４λ_０となる。従って、それらを透過するスペクトルを重ね合わせると、特定波長であるλ_０のところで鋭いピークが得られる。

しかしながら、従来のリオフィルターは、波長幅が１ｎｍの光を取り入れて、０．０１ｎｍ〜０．０３ｎｍの狭帯域で精密に調整するものであった。そのため、大きく波長の異なる複数の波長の光について観測する場合には、その数だけバンドパスフィルターを用いて適宜交換しなければならず、煩雑な作業が必要であった。

ところで、可視光領域の波長帯（４５０ｎｍ〜１１００ｎｍ）の全体に亘って連続的に適切なリタデーションが得られる超広帯域波長板として、例えば特許文献１又は特許文献２に開示されるような波長板が知られていた。

特開２００７−２５６９３７号公報 特開２００８−１９８２４４号公報

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものである。即ち、本発明は、バンドパスフィルターを用いることなく４５０ｎｍ〜１１００ｎｍの幅の波長から所望の波長の光を選択的に透過させることができる波長可変フィルターを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明に係る波長可変フィルターは、同一の光軸上に配置されるｎ＋１個（ｎは整数）の偏光板と、偏光板の間に配置され、入射光が透過する順に水晶複屈折板、超広帯域４分の１波長板及び超広帯域２分の１波長板を光軸上に配列して構成されるｎ個のユニットと、偏光板及びユニットを内部に保持する筐体とを有する波長可変フィルターであって、ｎ個の各水晶複屈折板の厚さが、最も薄い水晶複屈折板の厚さをｄとしたときに２^ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜ｎ）であり、超広帯域２分の１波長板を内部に保持し且つ筐体の内部で光軸中心に回転可能な筒状の回転体と、回転体を回転させる回転機構とを備えることを特徴とする。

回転機構は、筐体の外部に設けられるステッピングモーターであっても良い。

回転機構は、回転体に隣接して設けられる超音波モーターであっても良い。

回転機構は、筐体の外周に回転可能に設けられる環状部材と、環状部材に付加される磁石と、回転体に付加される磁石とであっても良い。

本発明によれば、バンドパスフィルターを用いることなく４５０ｎｍ〜１１００ｎｍの幅の波長から所望の波長の光を選択的に透過させることができる波長可変フィルターを提供できる。

本発明に係る波長可変フィルター２００が備える光学系１００を示した図である。 本発明に係る波長可変フィルター２００の構造を示した断面図である。 超広帯域２分の１波長板１０４を光軸中心に回転させる回転機構の第１実施形態を示した図である。 超広帯域２分の１波長板１０４を光軸中心に回転させる回転機構の第２実施形態を示した図である。 超広帯域２分の１波長板１０４を光軸中心に回転させる回転機構の第３実施形態を示した図である。 水晶複屈折板１０２を透過した光の干渉を示した図である。 本発明に係る波長可変フィルター２００を透過した光の波長のピーク値の移動を示した図である。 従来のリオフィルターの光学系を示した図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る波長可変フィルターの一実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る波長可変フィルター２００が備える光学系１００を示した図である。なお、光は、図１における左側から入射する。図示されるように、光学系１００は、偏光板１０１ａ乃至１０１ｆと、偏光板１０１ａ乃至１０１ｆの間に配置されるユニットとから構成されている。偏光板１０１ａ乃至１０１ｆの間に配置されるユニットは、入射光が透過する順に、位相素子としての水晶複屈折板１０２、超広帯域４分の１波長板１０３及び超広帯域２分の１波長板１０４を配列して構成されている。なお、偏光板１０１ａ乃至１０１ｆ、水晶複屈折板１０２ａ乃至１０２ｅ、超広帯域４分の１波長板１０３ａ乃至１０３ｅ及び超広帯域２分の１波長板１０４ａ乃至１０４ｅは、同一の光軸１１１上に平行に配置されている。

偏光板１０１ａ乃至１０１ｆは、所望の透過波長範囲に応じて公知の様々な偏光板を用いることができる。例えば、市販されているワイヤーグリット偏光板のように、可視域から赤外域まで偏光作用を有する偏光板が挙げられる。また、偏光板１０１ａ乃至１０１ｆは、透過軸が平行となるように、即ち平行ニコルとなるように配置されている。

水晶複屈折板１０２ａ乃至１０２ｅの厚さは、従来のリオフィルターと同様に、即ち最も薄い水晶複屈折板の厚さをｄとしたときに２^ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜ｎ）となるように構成されている。具体的には、水晶複屈折板１０２ａの厚さをｄとしたとき、水晶複屈折板１０２ｂの厚さが２ｄ、水晶複屈折板１０２ｃの厚さが４ｄ、水晶複屈折板１０２ｄの厚さが８ｄ、水晶複屈折板１０２ｅの厚さが１６ｄとなっている。ここで、基準となる厚さｄは、適合させる所望の波長に応じて任意に決定して良い。また、水晶複屈折板１０２ａ乃至１０２ｅは、結晶光学軸が偏光板１０１ａ乃至１０１ｆの透過軸に対して４５度をなすように配置されている。

なお、図１では薄い水晶複屈折板１０２を有するユニットを左から順番に配置した形態を示しているが、ユニットの順序はこれに限定されない。後述する図２においては、厚い水晶複屈折板１０２を有するユニットほど中心寄りに配置する形態となっている。厚い水晶複屈折板１０２を有するユニットほど中心寄りに配置することにより、波長可変フィルター２００の重心の偏りを低減できる他、厚さが増すことで温度要求が厳しくなる水晶複屈折板１０２の温度の安定性を高めることができる。

次に、図２を参照しながら本発明に係る波長可変フィルター２００の構造について説明する。

図２は、本発明に係る波長可変フィルター２００の構造を示した断面図である。図示されるように、波長可変フィルター２００は、光学系１００と、筐体２０１と、ガラス板２０２と、ガラス板２０３と、超広帯域２分の１波長板１０４ａ乃至１０４ｅを光軸１１１を中心として回転させる回転機構とを備えている。光は、図２における左側から入射する。なお、回転機構については、図３乃至図５を参照しながら後述するため、図２においては省略する。また、偏光板１０１ａ乃至１０１ｆ、水晶複屈折板１０２ａ乃至１０２ｅ、超広帯域４分の１波長板１０３ａ乃至１０３ｅ及び超広帯域２分の１波長板１０４ａ乃至１０４ｅを保持するための内部構造についても、図３を参照しながら後述するため、図２においては省略する。

筐体２０１は、前後が開口した筒状の部材であり、光学系１００を内部に保持した上で屈折液によって内部が満たされる。筐体２０１の材料については特に限定されず、合成樹脂やステンレスといった種々の材料から任意に選択して良い。なお、筐体２０１の内部を満たす屈折液としては、例えばシリコーンオイルが挙げられる。

ガラス板２０２及びガラス板２０３は、筐体２０１の前後の開口に固定され、筐体２０１の内部を密封する。なお、筐体２０１の内部に満たされた屈折液がガラス板２０２及びガラス板２０３を固定した部位の隙間から漏れ出ることを防ぐため、ガラス板２０２及びガラス板２０３は、オイルシール等のシール部材と共に筐体２０１の前後の開口にそれぞれ固定されることが好ましい。

図２に示される光学系１００は、最も厚い水晶複屈折板１０２ｅを有する第５ユニットが中心に配置され、２番目に厚い水晶複屈折板１０２ｄを有する第４ユニットが第５ユニットの左隣に、３番目に厚い水晶複屈折板１０２ｃを有する第３ユニットが第５ユニットの右隣にそれぞれ配置されている。そして、最も薄い水晶複屈折板１０２ａを有する第１ユニットが左端に配置され、２番目に薄い水晶複屈折板１０２ｂを有する第２ユニットが右端に配置されている。このように、厚い水晶複屈折板１０２を有するユニットほど中心寄りに配置することにより、波長可変フィルター２００の重心の偏りを低減できる他、厚さが増すことで温度要求が厳しくなる水晶複屈折板１０２の温度の安定性を高めることができる。

次に、図３を参照しながら、超広帯域２分の１波長板１０４ａ乃至１０４ｅを光軸１１１を中心として回転させる回転機構の第１実施形態について説明する。なお、図３は第１ユニット及びその周辺のみを示しているが、他のユニットも同様の形態である。

図３は、超広帯域２分の１波長板１０４ａを光軸１１１を中心として回転させる回転機構の第１実施形態を示した図である。図示されるように、波長可変フィルター２００は、ステッピングモーター３０１と、フォトセンサー３０２と、回転体３０３と、軸受３０４と、オイルシール３０５とを備えている。

ステッピングモーター３０１は、回転体３０３を回転させる駆動モーターであり、筐体２０１の外部に設けられる。

フォトセンサー３０２は、回転体３０３の回転角度を検出するためのセンサーであり、筐体２０１の外部に設けられる。

回転体３０３は、超広帯域２分の１波長板１０４ａを保持するための筒状部材であり、外周の一部が円盤状に形成されている。回転体３０３の外周の一部に形成された円盤状の部位は、筐体２０１の外に出ており、外周部にギアが形成されている。かかるギアは、ステッピングモーター３０１の軸に付加されたピニオンギア３０６と噛み合っている。回転体３０３の材料については特に限定されず、合成樹脂やチタンといった種々の材料から任意に選択して良い。

軸受３０４は、筐体２０１の内部に設けられ、回転体３０３を回転可能に保持する。

オイルシール３０５は、屈折液が筐体２０１から漏れ出ることを防ぐためのシール部材であり、軸受３０４に隣接して設けられている。

回転体３０３は、軸受３０４によって、筐体２０１の内部で光軸１１１を中心として回転可能となっている。従って、ステッピングモーター３０１を駆動することにより、超広帯域２分の１波長板１０４ａを内部に保持している回転体３０３を光軸１１１を中心として回転させることができる。

なお、ステッピングモーター３０１は、回転体３０３のそれぞれにつき一つずつ備えることによりそれぞれの回転体３０３を個別に回転させても良く、ギアを介して、全ての回転体３０３を一つのステッピングモーター３０１によって回転させても良い。

偏光板１０１ａ、水晶複屈折板１０２ａ及び超広帯域４分の１波長板１０３ａを筐体２０１の内部において保持する構造は特に限定されず、例えば、図３に示すように、筐体２０１の内部に設けられる環状の保持部材３１０によって保持されて良い。この点は、図４及び図５においても同様である。

次に、図４を参照しながら、超広帯域２分の１波長板１０４ａ乃至１０４ｅを光軸１１１を中心として回転させる回転機構の第２実施形態について説明する。なお、図４は第１ユニット及びその周辺のみを示しているが、他のユニットも同様の形態である。

図４は、超広帯域２分の１波長板１０４ａを光軸１１１を中心として回転させる回転機構の第２実施形態を示した図である。図示されるように、波長可変フィルター２００は、超音波モーター４０１と、フォトセンサー４０２と、回転体４０３と、軸受３０４とを備えている。

超音波モーター４０１は、回転体４０３を回転させる駆動モーターであり、回転体４０３に隣接して筐体２０１の内部に設けられる。

フォトセンサー４０２は、回転体４０３の回転角度を検出するためのセンサーであり、筐体２０１の内部に設けられる。

回転体４０３は、超広帯域２分の１波長板１０４ａを保持するための筒状部材である。回転体４０３の材料については特に限定されず、合成樹脂やチタンといった種々の材料から任意に選択して良い。

軸受３０４は、筐体２０１の内部に設けられ、回転体４０３を回転可能に保持する。

回転体４０３は、軸受３０４によって、筐体２０１の内部で光軸１１１を中心として回転可能となっている。従って、超音波モーター４０１を駆動することにより、超広帯域２分の１波長板１０４ａを内部に保持している回転体４０３を光軸１１１を中心として回転させることができる。

なお、超音波モーター４０１は、回転体４０３のそれぞれにつき一つずつ備える。

次に、図５を参照しながら、超広帯域２分の１波長板１０４ａ乃至１０４ｅを光軸１１１を中心として回転させる回転機構の第３実施形態について説明する。なお、図５は第１ユニット及びその周辺のみを示しているが、他のユニットも同様の形態である。

図５は、超広帯域２分の１波長板１０４ａを光軸１１１を中心として回転させる回転機構の第３実施形態を示した図である。図示されるように、波長可変フィルター２００は、環状部材５０１と、環状部材５０１に付加される磁石５０２と、回転体５０３と、回転体５０３に付加される磁石５０４と、フォトセンサー４０２と、軸受３０４とを備えている。

環状部材５０１は、筐体２０１の外周に回転可能に設けられており、その一部に磁石５０２が付加されている。環状部材５０１の材料については特に限定されず、合成樹脂やステンレスといった種々の材料から任意に選択して良い。

フォトセンサー４０２は、回転体５０３の回転角度を検出するためのセンサーである。

回転体５０３は、超広帯域２分の１波長板１０４ａを保持するための筒状部材であり、その一部に磁石５０４が付加されている。回転体５０３の材料については特に限定されず、合成樹脂やチタンといった種々の材料から任意に選択して良い。

軸受３０４は、筐体２０１の内部に設けられ、回転体５０３を回転可能に保持する。

回転体５０３は、軸受３０４によって、筐体２０１の内部で光軸１１１を中心として回転可能となっており、環状部材５０１と回転体５０３とは、環状部材５０１に付加された磁石５０２と回転体５０３に付加された磁石５０４とによって同期して回転する。従って、環状部材５０１をステッピングモーター等によって回転させることにより、超広帯域２分の１波長板１０４ａを内部に保持している回転体５０３を光軸１１１を中心として回転させることができる。

なお、環状部材５０１、磁石５０２及び磁石５０４は、回転体５０３のそれぞれにつき一つずつ備える。

次に、本発明に係る波長可変フィルター２００の動作について説明する。

本発明に係る波長可変フィルター２００は、超広帯域２分の１波長板１０４ａ乃至１０４ｅを回転機構によって回転させることにより、４５０ｎｍ〜１１００ｎｍの幅の波長から所望の波長の光を選択的に透過させることができる。

具体的には、波長可変フィルター２００に入射した光は、まず、偏光板１０１ａに入射する。次に、偏光板１０１ａを透過して直線偏光となった光は、結晶光学軸が偏光板１０１ａの透過軸に対して４５度をなすように配置された水晶複屈折板１０２ａに入射する。水晶複屈折板１０２ａを透過した光は、波長及び水晶複屈折板１０２ａの厚さＤ１に応じた傾きを持つ直線偏光又は楕円偏光となる（円偏光の場合を含む）。次に、水晶複屈折板１０２ａを透過した光は、超広帯域４分の１波長板１０３ａに入射する。超広帯域４分の１波長板１０３ａを透過した光は、超広帯域４分の１波長板１０３ａに入射したときの傾き及び回転方向（回転方向については、円偏光又は楕円方向の場合）に応じた傾きを持つ直線偏光となる。次に、超広帯域４分の１波長板１０３ａを透過した光は、超広帯域２分の１波長板１０４ａに入射する。ここで、２分の１波長板は、入射した光の振動方向（偏光面）にπ（＝λ／２）の位相差を与え、また、入射した光の偏光面が２分の１波長板の高速軸（又は低速軸）に対してθ度の方位角で入射した時に、その振動方向を（２×θ度）回転させる。従って、超広帯域２分の１波長板１０４ａを透過した光は、超広帯域２分の１波長板１０４ａの回転角度に応じて傾きが変化する。次に、超広帯域２分の１波長板１０４ａを透過した光は、偏光板１０１ｂに入射する。以後、同様の変化を繰り返す。

次に、超広帯域２分の１波長板１０４ａ乃至１０４ｅを回転させる角度について説明する。

超広帯域２分の１波長板１０４を回転させる角度は、対応する水晶複屈折板１０２の厚さに応じたもの、即ちその超広帯域２分の１波長板１０４が含まれるユニットの水晶複屈折板１０２の厚さに応じたものとする。例えば、超広帯域２分の１波長板１０４ａを５度回転させるときは、超広帯域２分の１波長板１０４ｂを１０度、超広帯域２分の１波長板１０４ｃを２０度、超広帯域２分の１波長板１０４ｄを４０度、超広帯域２分の１波長板１０４ｅを８０度、それぞれ回転させる。

より具体的に説明すると、水晶複屈折板１０２の厚さを２倍ずつ厚くすることにより、透過光波形の山の数が２倍ずつ増え、また、山の幅が小さくなっていく（干渉縞の山の間隔は、水晶複屈折板の厚さに反比例する）。その結果、それらの複屈折板１０２を重ねると、図６に示すように、山が重なった所だけで光が透過することで狭帯域の山が残り、山が重ならない所では谷が山を打ち消すために光が透過しない。例えば、波長が６００ｎｍのところに透過光のピークが来るようにすれば、６００ｎｍを中心とする狭帯域の光が得られる。そして、超広帯域２分の１波長板１０４を、対応する水晶複屈折板１０２の厚さに応じたもの、即ちその超広帯域２分の１波長板１０４が含まれるユニットの水晶複屈折板１０２の厚さに応じた角度で回転させると、図７に示すように、透過光のピーク値を徐々に移動させることができる。

以上説明した本発明に係る波長可変フィルター２００によれば、内部の光学素子を交換することなく、所望の波長の光を選択的に透過させることができる。なお、ユニットの数は５つに限定されず、所望の透過光量や波長純度に応じて任意に増減することができる。例えば、ユニットの数を増やし且つそれに応じて偏光板１０１の数を増やせば、透過する波長の幅が狭くなり、より波長純度の高い光を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変が可能であることは言うまでもない。

例えば、偏光板１０１、水晶複屈折板１０２及び超広帯域４分の１波長板１０３は、隣接するもの同士を密着させて一体化しても良い。隣接する偏光板１０１、水晶複屈折板１０２及び超広帯域４分の１波長板１０３を密着させて一体化することにより、波長可変フィルター２００をより小型化できる他、拡散する光を通しやすくすることができる。

その他、例えば、フォトセンサー３０２を筐体２０１の内部に設けても良い。

本発明に係る波長可変フィルターは、可視域から赤外域に至る超広帯域で、所望の波長の光だけを選択的に透過させることができるため、分光器として使用できる。また、様々な物質の色彩を広範囲で連続的に分光観測として使用することもできるため、検出した波長のデータに基づいて、物質の特定や欠陥等の検出が可能となる。更に、ハロゲンランプ等の白色光源を入射させれば、任意の波長の光だけを透過させて照射する光源として使用することもできる。

１００ 光学系
１０１ 偏光板
１０２ 水晶複屈折板
１０３ 超広帯域４分の１波長板
１０４ 超広帯域２分の１波長板
１１１ 光軸
２００ 波長可変フィルター
２０１ 筐体
２０２ ガラス板
２０３ ガラス板
３０１ ステッピングモーター
３０２ フォトセンサー
３０３ 回転体
３０４ 軸受
３０５ オイルシール
３０６ ピニオンギア
３１０ 保持部材
４０１ 超音波モーター
４０２ フォトセンサー
４０３ 回転体
５０１ 環状部材
５０２ 磁石
５０３ 回転体
５０４ 磁石
８０１ 偏光板
８０２ 複屈折板

Claims (4)

1. 同一の光軸上に配置されるｎ＋１個（ｎは整数）の偏光板と、
   前記偏光板の間に配置され、入射光が透過する順に水晶複屈折板、超広帯域４分の１波長板及び超広帯域２分の１波長板を前記光軸上に配列して構成されるｎ個のユニットと、
   前記偏光板及び前記ユニットを内部に保持する筐体とを有する波長可変フィルターであって、
   前記ｎ個の各水晶複屈折板の厚さが、最も薄い水晶複屈折板の厚さをｄとしたときに２^ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜ｎ）であり、
   前記超広帯域２分の１波長板を内部に保持し且つ前記筐体の内部で前記光軸中心に回転可能な筒状の回転体と、
   前記回転体を回転させる回転機構とを備えることを特徴とする波長可変フィルター。
2. 前記回転機構が、前記筐体の外部に設けられるステッピングモーターである請求項１に記載の波長可変フィルター。
3. 前記回転機構が、前記回転体に隣接して設けられる超音波モーターである請求項１に記載の波長可変フィルター。
4. 前記回転機構が、前記筐体の外周に回転可能に設けられる環状部材と、前記環状部材に付加される磁石と、前記回転体に付加される磁石とである請求項１に記載の波長可変フィルター。