JP5151944B2 - 光フィルタ及びそれを備えた光モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、光フィルタ及びそれを備えた光モジュールに関するものである。
従来、入射光から目的とする波長の光を選択して出射する光フィルタとして、一対の基板を対向配置し、これら基板の対向する面それぞれにミラーを設け、これらのミラーの周囲にそれぞれ電極を設けるとともに、一方のミラーの周囲にダイアフラム部を設け、これら電極間の静電力によりダイアフラム部を変位させてこれらのミラー間のギャップ（エアーギャップ）を変化させることにより、所望の波長の光を取り出すエアギャップ型かつ静電駆動型の光フィルタが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
このような光フィルタでは、製造時に一対のミラー間のギャップをサブミクロンから数ミクロンと非常に狭い範囲で制御する必要があり、しかも、これらのミラー間のギャップを精度良く維持し、かつ、所望のギャップ量に制御することが重要である。
このような光フィルタでは、ミラー間のギャップを変化させることにより、このミラー間のギャップに対応した波長の光を選択的に取り出すことができる。
特開２００３−５７４３８号公報
特開２００８−１１６６６９号公報
このような光フィルタでは、ミラー間のギャップを変化させることにより、このミラー間のギャップに対応した波長の光を選択的に取り出すことができる。
ところで、従来のエアギャップ型かつ静電駆動型の光フィルタでは、ミラー間の平行度やミラーの平坦度が低下すると、取り出した光の分光特性が低下するために、一対のミラーを平行かつ平坦に保持することが光フィルタの特性を維持する上で最も重要となる。
しかしながら、この光フィルタから所望の波長の光を選択的に取り出すために、エアギャップ静電駆動によりミラー間のギャップを可変させた場合、ダイアフラム部の撓みが可動側のミラーに伝搬し、ミラーが湾曲して平坦度が低下してしまい、したがって、取り出した光の最大透過率が低下するとともに、その半値幅も増大する、いわゆるブロードな波形を呈することとなり、その結果、取り出した光の分光特性が大幅に低下してしまうという問題点があった。
しかしながら、この光フィルタから所望の波長の光を選択的に取り出すために、エアギャップ静電駆動によりミラー間のギャップを可変させた場合、ダイアフラム部の撓みが可動側のミラーに伝搬し、ミラーが湾曲して平坦度が低下してしまい、したがって、取り出した光の最大透過率が低下するとともに、その半値幅も増大する、いわゆるブロードな波形を呈することとなり、その結果、取り出した光の分光特性が大幅に低下してしまうという問題点があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、所望の波長の光を選択的に取り出すためにミラー間のギャップを可変させた場合においても、この可変に伴い発生する撓みが可動側のミラーに伝搬することを抑制することができ、その結果、最大透過率が高くかつ半値幅が狭く、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる光フィルタ及びそれを備えた光モジュールを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明は以下の光フィルタ及びそれを備えた光モジュールを採用した。
すなわち、本発明の光フィルタは、互いに対向した状態で接合または接着され、互いに対向する面のいずれか一方または双方に１つ以上の段差を有する凹部が形成された第１の基板及び第２の基板と、前記凹部の前記第１の基板及び第２の基板の対向する面に第１のギャップを介して設けられた一対のミラーと、前記一対のミラーの周囲かつ前記第１の基板及び第２の基板の対向する面に第２のギャップを介して設けられた一対の電極と、前記一対のミラーの周囲かつ前記第１の基板及び第２の基板のいずれか一方または双方に形成された第１のダイアフラム部と、前記第１のダイアフラム部の内周側及び外周側のいずれか一方または双方に形成された第２のダイアフラム部と、を備えてなることを特徴とする。
すなわち、本発明の光フィルタは、互いに対向した状態で接合または接着され、互いに対向する面のいずれか一方または双方に１つ以上の段差を有する凹部が形成された第１の基板及び第２の基板と、前記凹部の前記第１の基板及び第２の基板の対向する面に第１のギャップを介して設けられた一対のミラーと、前記一対のミラーの周囲かつ前記第１の基板及び第２の基板の対向する面に第２のギャップを介して設けられた一対の電極と、前記一対のミラーの周囲かつ前記第１の基板及び第２の基板のいずれか一方または双方に形成された第１のダイアフラム部と、前記第１のダイアフラム部の内周側及び外周側のいずれか一方または双方に形成された第２のダイアフラム部と、を備えてなることを特徴とする。
本発明の光フィルタでは、第１のダイアフラム部の内周側及び外周側のいずれか一方または双方に、第２のダイアフラム部を形成したことにより、この光フィルタから所望の波長の光を選択的に取り出すためにこれらのミラー間のギャップを可変させた場合においても、第１のダイアフラム部に生じた撓みが第２のダイアフラム部により緩和され、可動側のミラーに伝搬する撓み量を減少させる。これにより、この撓みに起因する可動側のミラーの湾曲も小さなものとなり、このミラーの平坦度の低下も小さなものとなり、これらのミラーから取り出される光の最大透過率も高くかつ半値幅も狭いものとなる。よって、分光特性に優れた光を取り出すことが可能になり、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することも可能になる。
以上により、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる光フィルタを提供することができる。
以上により、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる光フィルタを提供することができる。
本発明の光フィルタは、前記第２のダイアフラム部の肉厚は、前記第１のダイアフラム部の肉厚以下であることを特徴とする。
この光フィルタでは、第２のダイアフラム部の肉厚を第１のダイアフラム部の肉厚以下としたことにより、第１のダイアフラム部に生じた撓みが第２のダイアフラム部により効率的に緩和され、可動側のミラーに伝搬する撓み量を大きく減少させる。これにより、この撓みに起因する可動側のミラーの湾曲も極めて小さなものとなり、このミラーの平坦度の低下も極めて小さなものとなり、これらのミラーから取り出される光の最大透過率も極めて高くかつ半値幅も極めて狭いものとなる。よって、分光特性に優れた光を取り出すことができ、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる。
この光フィルタでは、第２のダイアフラム部の肉厚を第１のダイアフラム部の肉厚以下としたことにより、第１のダイアフラム部に生じた撓みが第２のダイアフラム部により効率的に緩和され、可動側のミラーに伝搬する撓み量を大きく減少させる。これにより、この撓みに起因する可動側のミラーの湾曲も極めて小さなものとなり、このミラーの平坦度の低下も極めて小さなものとなり、これらのミラーから取り出される光の最大透過率も極めて高くかつ半値幅も極めて狭いものとなる。よって、分光特性に優れた光を取り出すことができ、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる。
本発明の光フィルタは、前記第１のダイアフラム部及び前記第２のダイアフラム部は、前記第１の基板及び第２の基板のいずれか一方または双方を選択除去してなることを特徴とする。
この光フィルタでは、第１のダイアフラム部及び第２のダイアフラム部が、第１の基板及び第２の基板のいずれか一方または双方を選択除去したことにより、第１のダイアフラム部及び第１のダイアフラム部それぞれの加工精度及びこれらの間の加工精度が高くなり、これらのミラーから取り出される光の分光特性が極めて優れたものとなる。
この光フィルタでは、第１のダイアフラム部及び第２のダイアフラム部が、第１の基板及び第２の基板のいずれか一方または双方を選択除去したことにより、第１のダイアフラム部及び第１のダイアフラム部それぞれの加工精度及びこれらの間の加工精度が高くなり、これらのミラーから取り出される光の分光特性が極めて優れたものとなる。
本発明の光フィルタは、前記第１のダイアフラム部及び前記第２のダイアフラム部は、一体化してなることを特徴とする。
この光フィルタでは、第１のダイアフラム部及び第２のダイアフラム部を一体化したことにより、第１のダイアフラム部と第２のダイアフラム部とで個別に緩和していた第１のダイアフラム部に生じた撓みを、一体化されたダイアフラム部により一括して緩和することで、より効率的に緩和することができる。
この光フィルタでは、第１のダイアフラム部及び第２のダイアフラム部を一体化したことにより、第１のダイアフラム部と第２のダイアフラム部とで個別に緩和していた第１のダイアフラム部に生じた撓みを、一体化されたダイアフラム部により一括して緩和することで、より効率的に緩和することができる。
本発明の光フィルタは、前記第１の基板及び前記第２の基板は、光透過性を有することを特徴とする。
この光フィルタでは、第１の基板及び第２の基板を、光透過性を有することとしたことにより、基板における光の透過率が向上し、取り出した光の強度も高くなる。よって、光の取り出し効率が向上する。
この光フィルタでは、第１の基板及び第２の基板を、光透過性を有することとしたことにより、基板における光の透過率が向上し、取り出した光の強度も高くなる。よって、光の取り出し効率が向上する。
本発明の光フィルタは、互いに対向した状態で接合または接着され、互いに対向する面のいずれか一方または双方に１つ以上の段差を有する凹部が形成された第１の基板及び第２の基板と、前記凹部の前記第１の基板及び第２の基板の対向する面に第１のギャップを介して設けられた一対のミラーと、前記一対のミラーの周囲かつ前記第１の基板及び第２の基板の対向する面に第２のギャップを介して設けられた一対の電極と、前記一対のミラーの周囲かつ前記第１の基板及び第２の基板のいずれか一方または双方に形成された少なくとも１つの第１のヒンジ部と、前記第１のヒンジ部の内周側及び外周側のいずれか一方または双方に形成された少なくとも１つの第２のヒンジ部と、を備えてなることを特徴とする。
本発明の光フィルタでは、前記第１のヒンジ部の内周側及び外周側のいずれか一方または双方に、少なくとも１つの第２のヒンジ部を形成したことにより、この光フィルタから所望の波長の光を選択的に取り出すためにこれらのミラー間のギャップを可変させた場合においても、第１のヒンジ部に生じた撓みが第２のヒンジ部により緩和され、可動側のミラーに伝搬する撓み量を減少させる。これにより、この撓みに起因する可動側のミラーの湾曲も小さなものとなり、このミラーの平坦度の低下も小さなものとなり、これらのミラーから取り出される光の最大透過率も高くかつ半値幅も狭いものとなる。よって、分光特性に優れた光を取り出すことが可能になり、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することも可能になる。
以上により、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる光フィルタを提供することができる。
以上により、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる光フィルタを提供することができる。
本発明の光フィルタは、前記第２のヒンジ部の梁幅は、前記第１のヒンジ部の梁幅以下であることを特徴とする。
この光フィルタでは、第２のヒンジ部の梁幅を第１のヒンジ部の梁幅以下としたことにより、第１のヒンジ部に生じた撓みが第２のヒンジ部により効率的に緩和され、可動側のミラーに伝搬する撓み量を大きく減少させる。これにより、この撓みに起因する可動側のミラーの湾曲も極めて小さなものとなり、このミラーの平坦度の低下も極めて小さなものとなり、これらのミラーから取り出される光の最大透過率も極めて高くかつ半値幅も極めて狭いものとなる。よって、分光特性に優れた光を取り出すことができ、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる。
この光フィルタでは、第２のヒンジ部の梁幅を第１のヒンジ部の梁幅以下としたことにより、第１のヒンジ部に生じた撓みが第２のヒンジ部により効率的に緩和され、可動側のミラーに伝搬する撓み量を大きく減少させる。これにより、この撓みに起因する可動側のミラーの湾曲も極めて小さなものとなり、このミラーの平坦度の低下も極めて小さなものとなり、これらのミラーから取り出される光の最大透過率も極めて高くかつ半値幅も極めて狭いものとなる。よって、分光特性に優れた光を取り出すことができ、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる。
本発明の光フィルタは、前記第１の基板及び前記第２の基板のいずれか一方は半導体材料であることを特徴とする。
この光フィルタでは、第１の基板及び第２の基板のいずれか一方を半導体材料としたことにより、入射光として、この半導体材料を透過可能な波長の電磁波、例えば、近赤外線を用いることが可能となる。よって、入射光の波長の幅が増大する。
この光フィルタでは、第１の基板及び第２の基板のいずれか一方を半導体材料としたことにより、入射光として、この半導体材料を透過可能な波長の電磁波、例えば、近赤外線を用いることが可能となる。よって、入射光の波長の幅が増大する。
本発明の光モジュールは、本発明の光フィルタを備えてなることを特徴とする。
この光モジュールでは、本発明の光フィルタを備えたことにより、最大透過率が高くかつ半値幅が狭く、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる光モジュールを提供することができる。
この光モジュールでは、本発明の光フィルタを備えたことにより、最大透過率が高くかつ半値幅が狭く、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、取り出す光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる光モジュールを提供することができる。
本発明の光フィルタ及びそれを備えた光モジュールを実施するための最良の形態について説明する。
ここでは、光フィルタとして、エアギャップ型かつ静電駆動型の光フィルタについて説明する。
なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、必要に応じて、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明することとする。その場合に、水平面内の所定方向をＸ軸方向、水平面内かつＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。
ここでは、光フィルタとして、エアギャップ型かつ静電駆動型の光フィルタについて説明する。
なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、必要に応じて、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明することとする。その場合に、水平面内の所定方向をＸ軸方向、水平面内かつＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。
「第１の実施形態」
図１は、本実施形態の光フィルタを示す平面図、図２は同光フィルタを示す断面図である。
図において、符号１はエアギャップ型で静電駆動型のエタロン素子からなる光フィルタであり、この光フィルタ１は、第１の基板２と、第１の基板２に対向した状態で接合（または接着）された第２の基板３と、第１の基板２の対向する側の面２ａの中央部に設けられた円形状のミラー４Ａと、第２の基板３の中央部に形成された第１の凹部５の底部にミラー４Ａと第１のギャップＧ１を介して対向して設けられた円形状のミラー４Ｂと、第１の基板２のミラー４Ａの周囲に設けられた円環状の電極６Ａと、第２の基板３の第１の凹部５の周囲に形成された底浅の円環状の第２の凹部７に電極６Ａと第２のギャップＧ２を介して対向して設けられた円環状の電極６Ｂと、第１の基板２内かつ電極６Ａの外周部とほぼ対応する位置にエッチング（選択除去）により形成された薄肉の円環状の第１のダイアフラム部８と、第１の基板２内かつダイアフラム部８の内周側かつミラー４Ａの外側にエッチング（選択除去）により形成され、その厚みがダイアフラム部８の厚み以下の円環状の第２のダイアフラム部９とにより構成されている。
そして、第２のギャップＧ２を介して対向して設けられた電極６Ａ、６Ｂと、ダイアフラム部８とにより、静電アクチュエータが構成されている。
図１は、本実施形態の光フィルタを示す平面図、図２は同光フィルタを示す断面図である。
図において、符号１はエアギャップ型で静電駆動型のエタロン素子からなる光フィルタであり、この光フィルタ１は、第１の基板２と、第１の基板２に対向した状態で接合（または接着）された第２の基板３と、第１の基板２の対向する側の面２ａの中央部に設けられた円形状のミラー４Ａと、第２の基板３の中央部に形成された第１の凹部５の底部にミラー４Ａと第１のギャップＧ１を介して対向して設けられた円形状のミラー４Ｂと、第１の基板２のミラー４Ａの周囲に設けられた円環状の電極６Ａと、第２の基板３の第１の凹部５の周囲に形成された底浅の円環状の第２の凹部７に電極６Ａと第２のギャップＧ２を介して対向して設けられた円環状の電極６Ｂと、第１の基板２内かつ電極６Ａの外周部とほぼ対応する位置にエッチング（選択除去）により形成された薄肉の円環状の第１のダイアフラム部８と、第１の基板２内かつダイアフラム部８の内周側かつミラー４Ａの外側にエッチング（選択除去）により形成され、その厚みがダイアフラム部８の厚み以下の円環状の第２のダイアフラム部９とにより構成されている。
そして、第２のギャップＧ２を介して対向して設けられた電極６Ａ、６Ｂと、ダイアフラム部８とにより、静電アクチュエータが構成されている。
第１の基板２及び第２の基板３は、共に光透過性を有するとともに絶縁性を有する材料からなる矩形状（正方形状）のもので、特にガラス等の透明材料により構成されていることが好ましい。
このガラスとしては、具体的には、ソーダガラス、結晶化ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、カリウムガラス、ホウケイ酸ガラス、ホウケイ酸ナトリウムガラス、無アルカリガラス等が好適に用いられる。
このように、第１の基板２及び第２の基板３を共に光透過性を有する材料とすることにより、電磁波のうち所望の波長帯域の電磁波や可視光線を入射光として用いることができる。
また、第１の基板２及び第２の基板３を共に半導体材料、例えばシリコンで形成すれば、入射光として近赤外線を用いることができる。
このガラスとしては、具体的には、ソーダガラス、結晶化ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、カリウムガラス、ホウケイ酸ガラス、ホウケイ酸ナトリウムガラス、無アルカリガラス等が好適に用いられる。
このように、第１の基板２及び第２の基板３を共に光透過性を有する材料とすることにより、電磁波のうち所望の波長帯域の電磁波や可視光線を入射光として用いることができる。
また、第１の基板２及び第２の基板３を共に半導体材料、例えばシリコンで形成すれば、入射光として近赤外線を用いることができる。
ミラー４Ａ、４Ｂは、第１のギャップＧ１を介して互いに対向して配置されたもので、高屈折率層と低屈折率層とが交互に複数積層された誘電体多層膜により構成されている。なお、ミラー４Ａ、４Ｂは、誘電体多層膜に限定されることなく、例えば、炭素を含有する銀の合金膜等を用いることもできる。
これらミラー４Ａ、４Ｂのうち、一方のミラー４Ａは変形可能な第１の基板２に設けられているので可動ミラーと称し、他方のミラー４Ｂは変形しない第２の基板３に設けられているので固定ミラーと称することもある。
これらミラー４Ａ、４Ｂのうち、一方のミラー４Ａは変形可能な第１の基板２に設けられているので可動ミラーと称し、他方のミラー４Ｂは変形しない第２の基板３に設けられているので固定ミラーと称することもある。
この光フィルタ１を可視光線の領域あるいは赤外線の領域で用いる場合、誘電体多層膜における高屈折率層を形成する材料としては、例えば、酸化チタン（Ｔｉ２Ｏ）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）等が用いられる。また、光フィルタ１を紫外線の領域で用いる場合、高屈折率層を形成する材料としては、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化トリウム（ＴｈＯ２）等が用いられる。
一方、誘電体多層膜における低屈折率層を形成する材料としては、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等が用いられる。
一方、誘電体多層膜における低屈折率層を形成する材料としては、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等が用いられる。
この高屈折率層及び低屈折率層の層数及び厚みについては、必要とする光学特性に基づいて適宜に設定される。一般に、誘電体多層膜により反射膜（ミラー）を形成する場合、その光学特性を得るために必要な層数は１２層以上である。
電極６Ａ、６Ｂは、第２のギャップＧ２を介して互いに対向して配置されたもので、入力される駆動電圧に応じてこれら電極６Ａ、６Ｂ間に静電力を発生させ、ミラー４Ａ、４Ｂを互いに対向した状態で相対移動させる静電アクチュエータの一部を構成するものである。
これにより、電極６Ａ、６Ｂは、ダイアフラム部８、９を図２中上下方向に変位させてミラー４Ａ、４Ｂ間の第１のギャップＧ１を変化させ、この第１のギャップＧ１に対応する波長の光を出射するようになっている。
なお、本実施形態では、第１の基板２の対向面２ａと第２の基板３に形成された第２の凹部７とは平行になっているので、電極６Ａ、６Ｂ間も平行となっている。
これにより、電極６Ａ、６Ｂは、ダイアフラム部８、９を図２中上下方向に変位させてミラー４Ａ、４Ｂ間の第１のギャップＧ１を変化させ、この第１のギャップＧ１に対応する波長の光を出射するようになっている。
なお、本実施形態では、第１の基板２の対向面２ａと第２の基板３に形成された第２の凹部７とは平行になっているので、電極６Ａ、６Ｂ間も平行となっている。
これら電極６Ａ、６Ｂを形成する材料としては導電性であればよく、特に限定はされないが、例えば、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ａｕ等の金属、あるいはカーボン、チタン等を分散した樹脂、多結晶シリコン（ポリシリコン）、アモルファスシリコン等のシリコン、窒化シリコン、ＩＴＯ等の透明導電材料等が用いられる。
これら電極６Ａ、６Ｂには、図１に示すように、配線１１Ａ、１１Ｂが接続されており、これら電極６Ａ、６Ｂは、これら配線１１Ａ、１１Ｂを介して電源（図示せず）に接続されている。
なお、これら配線１１Ａ、１１Ｂは、第１の基板２に形成された配線溝１２Ａ、あるいは第２の基板３に形成された配線溝１２Ｂに形成されている。したがって、第１の基板２と第２の基板３との接合に干渉しないようになっている。
なお、これら配線１１Ａ、１１Ｂは、第１の基板２に形成された配線溝１２Ａ、あるいは第２の基板３に形成された配線溝１２Ｂに形成されている。したがって、第１の基板２と第２の基板３との接合に干渉しないようになっている。
電源は、駆動信号として、電極６Ａ、６Ｂに電圧を印加することにより、電極６Ａ、６Ｂを駆動させ、これらの間に所望の静電力を発生させるものである。なお、この電源には制御装置（図示せず）が接続されており、この制御装置によって電源を制御することにより、電極６Ａ、６Ｂ間の電位差を調整することができるようになっている。
ダイアフラム部８は、このダイアフラム部８が形成されていない第１の基板２の箇所に比べて厚さが薄くなっている。このように、第１の基板２のうち他の箇所に比べて厚さが薄い箇所は、弾性（可撓性）を有して変形可能（変位可能）になっており、これにより、このダイアフラム部８は、第１のギャップＧ１を変化させてミラー４Ａ、４Ｂ間の間隔を所望の波長の光に対応する間隔に変化させることにより、所望の波長の光を出射させる波長選択機能を有するようになっている。
ダイアフラム部９は、静電アクチュエータの一部を構成する電極６Ａ、６Ｂとミラー４Ａ、４Ｂとの間に形成されたもので、ダイアフラム部８と比べて厚さが薄くなっている。このように、ダイアフラム部９の厚みをダイアフラム部８の厚み以下とすることで、このダイアフラム部９がダイアフラム部８と比べて撓み易くなり、その結果、ダイアフラム部８にて発生する撓みを吸収し、この撓みがミラー４Ａに伝搬するのを抑制することが可能になる。これにより、第１のギャップＧ１を変化させた際にダイアフラム部８に生じた撓みを効率的に緩和することが可能になり、ミラー４Ａに伝搬する撓み量も大きく減少させることが可能になる。
これらダイアフラム部８、９それぞれの形状や厚み、及びダイアフラム部８、９間の間隔等は、所望の波長の範囲の光を出射させることができればよく、具体的には、ミラー４Ａ、４Ｂ間の間隔の変化量及び変化の速さ等を勘案し、この光フィルタ１に求められる出射光の波長の範囲に対応して設定される。
これらダイアフラム部８、９は、第１の基板２を上面からエッチング（選択除去）することにより形成されているが、これらダイアフラム部８、９は、このダイアフラム部９がダイアフラム部８にて発生する撓みを吸収し、この撓みがミラー４Ａに伝搬するのを抑制することができるに十分な厚みがあればよく、第１の基板２を上面及び下面の双方からエッチング（選択除去）することにより形成してもよい。
本実施形態の光フィルタ１では、制御装置及び電源が駆動されず、したがって、電極６Ａと電極６Ｂとの間に電圧が印加されていない場合、ミラー４Ａとミラー４Ｂとは第１のギャップＧ１を介して対向している。そこで、この光フィルタ１に光が入射すると、図３に示すように、この第１のギャップＧ１に対応した波長の光、例えば７２０ｎｍの波長の光が出射されることとなる。
ここで、制御装置及び電源を駆動させて電極６Ａと電極６Ｂとの間に電圧を印加すると、これら電極６Ａと電極６Ｂとの間には、電圧（電位差）の大きさに対応した静電力が発生する。このように、制御装置が電源を制御することにより、電極６Ａ、６Ｂ間に所望の電圧を印加し、電極６Ａと電極６Ｂとの間に所望の静電力を発生させることができる。このようにして電極６Ａ、６Ｂ間に所望の静電力が発生すると、図４に示すように、この静電力により電極６Ａ、６Ｂが相互に引きつけられて第１の基板２が第２の基板３側に向かって変形し、ミラー４Ａとミラー４Ｂとの第１のギャップＧ１が電圧が印加されていない場合と比べて狭くなる。
この場合、静電力によりダイアフラム部８に発生する撓みは、その内側にあるダイアフラム部９により吸収されて緩和されるので、このダイアフラム部８に発生した撓みがミラー４Ａにそのまま伝搬することはない。したがって、ミラー４Ａに伝搬する撓み量を減少させることが可能になり、この撓みに起因するミラー４Ａの湾曲も小さなものとなり、このミラー４Ａの平坦度の低下も小さなものとなる。よって、ダイアフラム部８に発生した撓みは、ダイアフラム部９により吸収され、効率よく抑制され、この撓みに起因するミラー４Ａの湾曲及び平坦度の低下も抑制される。その結果、ミラー４Ａの湾曲が極めて小さなものとなり、その平坦度も良好に保持される。
このように、ダイアフラム部８に発生した撓みは、ダイアフラム部９により吸収されて効率よく抑制され、ミラー４Ａに伝搬されないので、ミラー４Ａの平坦度も良好に保持され、このミラー４Ａとミラー４Ｂとは安定した状態の第１のギャップＧ１’を介して対向することとなる。
そこで、この光フィルタ１に光が入射すると、図５に示すように、この安定した状態の第１のギャップＧ１’に対応した最大透過率も高くかつ半値幅も狭い波長の光、例えば５９０ｎｍの波長の光が出射されることとなり、透過波長が短波長側にシフトすることとなる。
そこで、この光フィルタ１に光が入射すると、図５に示すように、この安定した状態の第１のギャップＧ１’に対応した最大透過率も高くかつ半値幅も狭い波長の光、例えば５９０ｎｍの波長の光が出射されることとなり、透過波長が短波長側にシフトすることとなる。
以上説明したように、本実施形態の光フィルタ１によれば、第１の基板２内かつダイアフラム部８の内周側に、厚みがダイアフラム部８の厚み以下の円環状のダイアフラム部９を形成したので、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、この取り出された光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる。
「第２の実施形態」
図６は、本実施形態の光フィルタを示す断面図、図７は図６の要部を示す拡大断面図である。
本実施形態の光フィルタ２１が第１の実施形態の光フィルタ１と異なる点は、第１の実施形態の光フィルタ１では、第１の基板２内かつダイアフラム部８の内周側に、所定の間隔をおいて、厚みがダイアフラム部８の厚み以下の円環状のダイアフラム部９を形成したのに対し、本実施形態の光フィルタ２１では、これらダイアフラム部８、９を共通化して、１つの幅広の円環状のダイアフラム部２２とした点であり、その他の構成要素については、第１の実施形態の光フィルタ１と全く同様である。
図６は、本実施形態の光フィルタを示す断面図、図７は図６の要部を示す拡大断面図である。
本実施形態の光フィルタ２１が第１の実施形態の光フィルタ１と異なる点は、第１の実施形態の光フィルタ１では、第１の基板２内かつダイアフラム部８の内周側に、所定の間隔をおいて、厚みがダイアフラム部８の厚み以下の円環状のダイアフラム部９を形成したのに対し、本実施形態の光フィルタ２１では、これらダイアフラム部８、９を共通化して、１つの幅広の円環状のダイアフラム部２２とした点であり、その他の構成要素については、第１の実施形態の光フィルタ１と全く同様である。
このダイアフラム部２２の形状や厚み等は、所望の波長の範囲の光を出射させることができればよく、具体的には、ミラー４Ａ、４Ｂ間の間隔の変化量及び変化の速さ等を勘案し、この光フィルタ１に求められる出射光の波長の範囲に対応して設定される。
このダイアフラム部２２は、第１の基板２を上面からエッチング（選択除去）することにより形成されているが、このダイアフラム部２２は、このダイアフラム部２２にて発生する撓みを吸収し、この撓みがミラー４Ａに伝搬するのを抑制することができるに十分な厚みがあればよく、第１の基板２を上面及び下面の双方からエッチング（選択除去）することにより形成してもよい。
以上説明したように、本実施形態の光フィルタ１によれば、第１の基板２内かつダイアフラム部８の内周側に、厚みがダイアフラム部８の厚み以下の円環状のダイアフラム部９を形成したので、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、この取り出された光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる。
「第３の実施形態」
図８は、本実施形態の光フィルタを示す平面図、図９は同光フィルタを示す断面図である。
本実施形態の光フィルタ３１が第１の実施形態の光フィルタ１と異なる点は、第１の実施形態の光フィルタ１では、第１の基板２をガラス等の光透過性を有する材料により形成し、第１の基板２及び第２の基板３に第２のギャップＧ２を介して互いに対向するように電極６Ａ、６Ｂを設け、第１の基板２内かつ電極６Ａの外周部とほぼ対応する位置に円環状のダイアフラム部８を、このダイアフラム部８の内周側にダイアフラム部８の厚み以下の円環状のダイアフラム部９を形成したのに対し、本実施形態の光フィルタ３１では、第１の基板３２をシリコン等の半導体材料により形成し、この第１の基板３２には電極６Ａを設けずに、この第１の基板３２内かつ電極６Ｂの外周部とほぼ対応する複数の位置（図８では、４箇所）に第１のヒンジ部３３を形成し、さらに、これらの第１のヒンジ部３３の内周側かつミラー４Ａの外側の複数の位置（図８では、４箇所）に、その梁幅が第１のヒンジ部３３の梁幅以下の第２のヒンジ部３４を形成した点であり、その他の構成要素については、第１の実施形態の光フィルタ１と全く同様である。
図８は、本実施形態の光フィルタを示す平面図、図９は同光フィルタを示す断面図である。
本実施形態の光フィルタ３１が第１の実施形態の光フィルタ１と異なる点は、第１の実施形態の光フィルタ１では、第１の基板２をガラス等の光透過性を有する材料により形成し、第１の基板２及び第２の基板３に第２のギャップＧ２を介して互いに対向するように電極６Ａ、６Ｂを設け、第１の基板２内かつ電極６Ａの外周部とほぼ対応する位置に円環状のダイアフラム部８を、このダイアフラム部８の内周側にダイアフラム部８の厚み以下の円環状のダイアフラム部９を形成したのに対し、本実施形態の光フィルタ３１では、第１の基板３２をシリコン等の半導体材料により形成し、この第１の基板３２には電極６Ａを設けずに、この第１の基板３２内かつ電極６Ｂの外周部とほぼ対応する複数の位置（図８では、４箇所）に第１のヒンジ部３３を形成し、さらに、これらの第１のヒンジ部３３の内周側かつミラー４Ａの外側の複数の位置（図８では、４箇所）に、その梁幅が第１のヒンジ部３３の梁幅以下の第２のヒンジ部３４を形成した点であり、その他の構成要素については、第１の実施形態の光フィルタ１と全く同様である。
そして、第１のヒンジ部３３と、電極６Ｂと、電極６Ｂと第１の基板３２との第２のギャップＧ３と、第２のヒンジ部３４とにより、静電アクチュエータが構成されている。
第１のヒンジ部３３と第２のヒンジ部３４とは、その長手方向が互いに４５度傾斜するように形成されている。
すなわち、第１のヒンジ部３３は、電極６Ｂの外周部とほぼ対応する円周上に等間隔に、Ｘ軸方向に平行なものが２個、Ｙ軸方向に平行なものが２個、計４個設けられている。
また、第２のヒンジ部３４は、第１のヒンジ部３３の内周側かつミラー４Ａの外周部とほぼ対応する円周上に等間隔に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して４５度傾斜したものが４個設けられている。
すなわち、第１のヒンジ部３３は、電極６Ｂの外周部とほぼ対応する円周上に等間隔に、Ｘ軸方向に平行なものが２個、Ｙ軸方向に平行なものが２個、計４個設けられている。
また、第２のヒンジ部３４は、第１のヒンジ部３３の内周側かつミラー４Ａの外周部とほぼ対応する円周上に等間隔に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して４５度傾斜したものが４個設けられている。
本実施形態の光フィルタ３１では、制御装置が駆動されていない場合、ミラー４Ａとミラー４Ｂとは第２のギャップＧ３を介して対向している。そこで、この光フィルタ１に光が入射すると、この第１のギャップＧ１に対応した波長の光、例えば７２０ｎｍの波長の光が出射されることとなる。
ここで、制御装置を駆動させると静電力が発生し、この静電力により第１の基板３２が第２の基板３側に向かって変形し、ミラー４Ａとミラー４Ｂとの第１のギャップＧ１が電圧が印加されていない場合と比べて狭くなる。
ここで、制御装置を駆動させると静電力が発生し、この静電力により第１の基板３２が第２の基板３側に向かって変形し、ミラー４Ａとミラー４Ｂとの第１のギャップＧ１が電圧が印加されていない場合と比べて狭くなる。
この場合、静電力によりヒンジ部３３に発生する撓みは、その内側にあるヒンジ部３４により吸収されて緩和されるので、このヒンジ部３３に発生した撓みがミラー４Ａにそのまま伝搬することはない。したがって、ミラー４Ａに伝搬する撓み量を減少させることが可能になり、この撓みに起因するミラー４Ａの湾曲も小さなものとなり、このミラー４Ａの平坦度の低下も小さなものとなる。よって、ヒンジ部３３に発生した撓みは、ヒンジ部３４により吸収され、効率よく抑制され、この撓みに起因するミラー４Ａの湾曲及び平坦度の低下も抑制される。その結果、ミラー４Ａの湾曲が極めて小さなものとなり、その平坦度も良好に保持される。
このように、ヒンジ部３３に発生した撓みは、ヒンジ部３４により吸収されて効率よく抑制され、ミラー４Ａに伝搬されないので、ミラー４Ａの平坦度も良好に保持され、このミラー４Ａとミラー４Ｂとは安定した状態の第１のギャップＧ１’を介して対向することとなる。
そこで、この光フィルタ１に光が入射すると、この安定した状態の第１のギャップＧ１’に対応した最大透過率も高くかつ半値幅も狭い波長の光、例えば５９０ｎｍの波長の光が出射されることとなり、透過波長が短波長側にシフトすることとなる。
そこで、この光フィルタ１に光が入射すると、この安定した状態の第１のギャップＧ１’に対応した最大透過率も高くかつ半値幅も狭い波長の光、例えば５９０ｎｍの波長の光が出射されることとなり、透過波長が短波長側にシフトすることとなる。
以上説明したように、本実施形態の光フィルタ１によれば、第１の基板３２内かつ電極６Ｂの外周部とほぼ対応する複数の位置に第１のヒンジ部３３を形成し、さらに、これらの第１のヒンジ部３３の内周側かつミラー４Ａの外側の複数の位置に、その梁幅が第１のヒンジ部３３の梁幅以下の第２のヒンジ部３４を形成したので、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、この取り出された光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができる。
図１０は、本発明の光フィルタにおける反り低減効果を示すシミュレーション（有限要素解析）結果を示す図であり、図中、Ａは第１の実施形態の光フィルタ１を、Ｂは第２の実施形態の光フィルタ２１を、Ｃは従来の光フィルタを、それぞれ示している。
図１０によれば、電圧印加に起因した変位量の増加に伴い、いずれの構造においても、ミラーにおける反り量は線形に増加するが、本発明の光フィルタ１、２１は、従来の光フィルタと比べて変位に対する反り量が小さく、本発明の効果がシミュレーション結果により実証された。
例えば、２００μｍの変位量に対して、従来の光フィルタでは１７μｍの反りが生じるが、本発明の光フィルタ１、２１では、反りが１０〜１１μｍに留まっており、従来の光フィルタと比べて約４０％の反り量の軽減を図ることができる。
図１０によれば、電圧印加に起因した変位量の増加に伴い、いずれの構造においても、ミラーにおける反り量は線形に増加するが、本発明の光フィルタ１、２１は、従来の光フィルタと比べて変位に対する反り量が小さく、本発明の効果がシミュレーション結果により実証された。
例えば、２００μｍの変位量に対して、従来の光フィルタでは１７μｍの反りが生じるが、本発明の光フィルタ１、２１では、反りが１０〜１１μｍに留まっており、従来の光フィルタと比べて約４０％の反り量の軽減を図ることができる。
次に、本実施形態に係る光フィルタ１、２１、３１の応用例として、光フィルタ１（２１、３１）を備えた光学フィルタ装置モジュール（光モジュール）について説明する。
図１１は、本発明の光学フィルタ装置モジュールの一実施形態を示す図であり、図１１中、符号５０は光学フィルタ装置モジュールである。
この光学フィルタ装置モジュール５０は、光フィルタ１（２１、３１）からなるフィルタ部５１を備えたもので、検体Ｗに対して特定の帯域の光を照射し、この検体Ｗの反射光から予め設定した波長の光を選択的に取り出し（分光し）、その強度を測定するようにしたものである。
図１１は、本発明の光学フィルタ装置モジュールの一実施形態を示す図であり、図１１中、符号５０は光学フィルタ装置モジュールである。
この光学フィルタ装置モジュール５０は、光フィルタ１（２１、３１）からなるフィルタ部５１を備えたもので、検体Ｗに対して特定の帯域の光を照射し、この検体Ｗの反射光から予め設定した波長の光を選択的に取り出し（分光し）、その強度を測定するようにしたものである。
すなわち、この光学フィルタ装置モジュール５０は、光源５２とレンズ５３とを有し、検体Ｗに対して所定の光、例えば可視光線や赤外線を照射する光源光学系５４と、フィルタ部５１と検出素子５５とを有し、検体Ｗからの反射光を検出する検出部光学系５６と、光源５２の照度等を制御する光源制御回路５７と、フィルタ部５１を制御するフィルタ制御回路５８と、検出素子５５で検出された検出信号を受信し、さらに光源制御回路５７、フィルタ制御回路５８に接続するプロセッサ５９と、を備えたものである。
このような光学フィルタ装置モジュール５０では、検体Ｗに対して可視光線や赤外線などの特定の帯域の光を照射する。すると、例えば検体Ｗの表面状態などに対応して反射光が生じ、これがフィルタ部５１に入射する。フィルタ部５１では、電極６Ａ、６Ｂへの電圧印加（あるいは無印加）により、予め設定した波長の光を選択的に取り出す（分光する）ようにしておく。これにより、反射光から特定の波長域のみが選択的に取り出され、検出素子５５で検出されるようになる。したがって、例えば検出素子５５としてフィルタ部５１で取り出される光を選択的に検出するものを用いることにより、感度良く反射光を検出することが可能になる。
よって、この光学フィルタ装置モジュール５０によれば、検体Ｗの表面状態等を感度良く検出することができる。
また、フィルタ部５１を構成する光フィルタとして、上述した光フィルタ１（２１、３１）を用いているので、モジュール自体として、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、この取り出された光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができるものとなる。
また、フィルタ部５１を構成する光フィルタとして、上述した光フィルタ１（２１、３１）を用いているので、モジュール自体として、分光特性に優れた光を取り出すことができ、しかも、この取り出された光の分光特性を低下させることなく良好に維持することができるものとなる。
１、２１、３１…光フィルタ、２…第１の基板、３…第２の基板、４Ａ、４Ｂ…ミラー、５…第１の凹部、６Ａ、６Ｂ…電極、７…第２の凹部、８…第１のダイアフラム部、９…第２のダイアフラム部、１１Ａ、１１Ｂ…配線、１２Ａ、１２Ｂ…配線溝、２２…ダイアフラム部、３２…第１の基板、３３…第１のヒンジ部、３４…第２のヒンジ部、５０…光学フィルタ装置モジュール、５１…フィルタ部（光フィルタ）
Claims (6)
- 第１の基板と、
前記第１の基板に対向して配置された第２の基板と、
前記第１の基板の前記第２の基板に対向する第一面に配置された第１のミラーと、
前記第２の基板に設けられ、前記第１のミラーに対向して配置された第２のミラーと、
前記第１の基板の第一面に設けられ、前記第１基板および前記第２基板を厚さ方向から見た平面視において、前記第１のミラーの周囲に配置された第１の電極と、
前記第２の基板に設けられ、前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、
前記第１基板の前記第一面とは反対の第二面に設けられ、前記平面視において、前記第１のミラーの周囲に配置された第１のダイアフラム部と、
前記第１基板の前記第二面に設けられ、前記平面視において、前記第１のミラーと前記第１のダイアフラム部との間に配置された第２のダイアフラム部と、
を備え、
前記第１のダイアフラム部は、前記平面視において前記第１の電極と重なって配置され、
前記第２のダイアフラム部は、前記平面視において前記第１の電極と前記第１のミラーとの間に配置されている
ことを特徴とする光フィルタ。 - 前記第２のダイアフラム部の肉厚は、前記第１のダイアフラム部の肉厚以下であることを特徴とする請求項１記載の光フィルタ。
- 前記第１のダイアフラム部及び前記第２のダイアフラム部は、前記第１の基板の一部を選択除去してなることを特徴とする請求項１または２記載の光フィルタ。
- 前記第１のダイアフラム部及び前記第２のダイアフラム部は、一体化してなることを特徴とする請求項１、２または３記載の光フィルタ。
- 前記第１の基板及び前記第２の基板は、光透過性を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の光フィルタ。
- 請求項１ないし５のいずれか１項記載の光フィルタを備えてなることを特徴とする光モジュール。
Priority Applications (9)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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