(57)【要約】  測定光源と、波長可変光フィルタと、フォトダイオードと、駆動信号の電圧をギャップの変位量に変換する変換回路を備えた分光モジュールの制御方法であって、波長が既知である参照光線を射出する参照光源を設け、参照光線に対してギャップを変化させて、フォトダイオードからの出力が極大を示す２点を抽出し、この２点に応じた駆動信号の電圧とギャップに基づき変換回路に設けた第一変換式を更新する制御とした。
2016174865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光線を射出する測定光源と、波長が既知である単波長の参照光線を射出する参照光源と、前記測定光線あるいは前記参照光線から多重反射により干渉光線を出力する波長可変光フィルタと、前記干渉光線を検出するフォトダイオードを備えた分光モジュールにおいて、
前記波長可変光フィルタは、対向する一対の反射板と、駆動信号を印加することにより前記一対の反射板のギャップを変位させる駆動体を有し、
前記分光モジュールは、第一変換式に基づき前記駆動信号の電圧をギャップの変位情報に変換し、第二変換式に基づき前記変位情報を前記波長可変光フィルタの干渉波長情報に変換する変換回路を有し、
前記フォトダイオードにおける前記参照光線に対する前記干渉光線の干渉次数に応じて極大となる２点を検出し、前記２点に対する出力に基づき前記第一変換式を更新する、
分光モジュールの制御方法。
【請求項２】
前記フォトダイオードにおける前記参照光線に対する前記干渉光線の干渉次数に応じて極大のうち連続する２点を検出する、
請求項１に記載の分光モジュールの制御方法。
【請求項３】
さらに前記フォトダイオードにおける連続する干渉次数の極大を示す点を検出し、これら干渉次数が連続する３点に対する前記フォトダイオードからの出力に基づき第一変換式を更新する、
請求項２に記載の分光モジュールの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定波長の光線を多重反射により選択的に透過させる波長可変光フィルタを有する分光モジュールの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、この種の分光モジュールは、測定光源と光検出用のフォトダイオードの間に被検体と波長可変光フィルタを順に配置する構成が知られている。また、波長可変光フィルタは、入射光が一対の反射板間で多重反射し、その際の干渉作用により特定波長の光を透過させる技術を利用して、一対の反射板の間で形成される微小ギャップを変位させることにより、透過する光の波長を可変させる構造が知られている。【０００３】
そして、この分光モジュールの利用例としては、中赤外線を利用してガスの種類を検知するようなマルチガスセンサや、近赤外線を利用して尿糖値や血糖値を検知するようなセンサがあげられる。【０００４】
なお、このような波長可変光フィルタにおいて、一対の反射板間で形成する微小ギャップを制御する場合、静電気力を利用する静電駆動方式と、圧電材料の逆圧電効果を利用する圧電駆動方式、異種材料の熱膨張係数の差を利用する熱駆動方式が用いられる。【０００５】
また、波長可変光フィルタは、量産性を高めることを目的として、シリコンなどの半導体ウエハをドライエッチングによる所定加工や、スパッタリングやフォトリソグラフィによる電極加工といった半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスの開発が進められている。そして、このような製造プロセスを経て作成される波長可変光フィルタの波長再現性を高めるためには、生産バラツキ自体を抑制するか、生産バラツキを補正制御により吸収する方法が挙げられる。【０００６】
しかしながら、前者の生産バラツキ自体を抑制する方法では、生産工程において非常に厳しく管理を行わなければならず歩留まりを悪化させてしまうという問題があり、後者の補正制御を行う方法の検討が進められている。【０００７】
そして、従来の補正制御の方法として、波長が既知な参照用光線を射出する参照光源を設け、波長可変光フィルタで分光処理した参照用光線をフォトダイオードで検出し、この検出波長と参照用光線の既知の波長との差を抽出し、この差分をキャンセルする補正信号を駆動信号に付加して反射板の微小ギャップを補正する方法が示されている。【０００８】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１や特許文献２が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平２−１３６７２２号公報
【特許文献２】特開平５−３１２６４６号公報
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、分光モジュールの生産性を確保するとともに波長の再現性を高めることを目的とする。
【００１１】
そして、この目的を達成するために本発明は、波長可変光フィルタにおける駆動信号の電圧を干渉波長情報に変換する変換回路を有する分光モジュールの制御方法であって、波長が既知である参照光線を射出する参照光源を設け、参照光線に対してギャップを変化させて、フォトダイオードからの出力が極大を示す２点を抽出し、この２点に応じた駆動信号の電圧とギャップに基づき変換回路に設けた第一変換式を更新する構成としたのである。
【００１２】
この構成により、分光モジュールの生産性を確保するとともに検出波長の再現性を高めることが出来るのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態における分光モジュールの模式図
【図２】本発明の一実施の形態における分光モジュールを構成する波長可変光フィルタの断面図
【図３】本発明の一実施の形態における波長可変光フィルタにより分光処理された参照光線に対するフォトダイオードからの出力と駆動電圧の関係を示す図
【図４】本発明の一実施の形態における分光モジュールにおける波長可変フィルタのギャップと駆動電圧の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の制御方法における問題点を簡単に説明する。微小ギャップを補正する場合、波長可変光フィルタを駆動させる駆動電圧とギャップの関係を補正することになる。この駆動電圧とギャップの関係は、圧電駆動方式を採用した場合、ギャップをＧ、単位電圧あたりのギャップ変位量をａ、駆動電圧をＶ、初期ギャップをｂとするとＧ＝ａ・Ｖ＋ｂと表すことができ、その初期特性を図４の実線１で示す。そして、上述した微小ギャップの補正は、破線２に示すように初期特性が平行移動した状態に対する補正を行うもので、初期ギャップｂを補正するものである。
【００１５】
しかしながら、この初期ギャップｂを補正しただけでは、単位電圧あたりのギャップ変位量ａが補正されないままとなるので、十分な補正効果を得ることができない。なお、ギャップ変位量ａは、温度変化に伴う基板の弾性変化や、電極酸化による抵抗値変化や、圧電体の圧電特性の変化などに影響される。そして、破線３に示すように比例直線の傾きが変化するため、既知波長との差が大きい領域での補正不足が大きくなってしまう。
【００１６】
この結果、上述した生産バラツキを吸収し分光モジュールの検出波長の再現性を高めることが困難となるという問題があった。
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態について図を用いて説明する。図１は分光モジュール１００の模式図である。この分光モジュール１００は、測定光源１０１と波長可変光フィルタ１０２とフォトダイオード１０３とが順に配置され、測定光源１０１と波長可変光フィルタ１０２との間に被検体１０４を配置し、測定光源１０１から測定光線１０１Ａを射出し、被検体１０４を透過した測定光線１０１Ａを波長可変光フィルタ１０２で多重反射による分光処理をし、この分光処理された測定光線１０１Ａをフォトダイオード１０３で検出する。そして、フォトダイオード１０３の信号強度情報１０３Ａと波長可変光フィルタ１０２の干渉波長情報１０７Ｃを、分光スペクトルを作成するための情報として出力するものである。
【００１８】
また、波長可変光フィルタ１０２は、半導体プロセスを用いたＭＥＭＳデバイス構造である。この波長可変光フィルタ１０２の基本的な構造は、図２に示すように、対向配置された一対の反射板２０１、２０２の外周部を枠体２０３で支持した構造である。上側に配置された反射板２０１は円形状で、外周端部が駆動体２０４を介して枠体２０３に接続されている。駆動体２０４は、枠体２０３と反射板２０１を接続する梁２０５と、梁２０５の上面に配置された駆動層２０６で構成され、駆動層２０６は上部電極２０７と下部電極２０８との間に圧電体層２０９を設けた積層構造としている。
【００１９】
そして、駆動体２０４は、制御回路２１０からの駆動信号を上部電極２０７に印加することで、上部電極２０７と下部電極２０８との間に電位差が生じ、圧電効果により駆動層２０６を配置した梁２０５に撓みが生じ、梁２０５に接続された反射板２０１を対向方向に移動させることができる。つまり、上側に配置された駆動層２０６に印加する駆動信号の電圧を制御することで、一対の反射板２０１、２０２のギャップを自在に調節することが出来る。
【００２０】
そして、波長可変光フィルタ１０２は、透過光が上側の反射板２０１を通過した後に、一対の反射板２０１、２０２のギャップで決定する干渉条件と一致する波長の光線のみが共振し、この共振した波長（干渉波長）の光線（干渉光線）だけが下側の反射板２０２を通過することにより取り出せる。すなわち、取り出す光線の波長は一対の反射板２０１、２０２のギャップにより決定され、そのギャップを変位させることにより干渉波長を選択できるので、この微小ギャップを順次変動させることによって所望の波長を選択し、その際の光量を測定することによって、分光スペクトルが検出できるのである。
【００２１】
より具体的には、駆動層２０６に駆動信号を印加して反射板２０１、２０２のギャップを３５０ｎｍ〜１．５μｍに制御することによれば、一次の干渉条件により、様々な波長の混在する入射光から近赤外線領域（７００ｎｍ〜３．０μｍ）の任意の波長の光線を取り出すことが可能となる。このとき、他次数の干渉条件により取り出される不要な波長を除去するバンドパスフィルタ１０５と、所望の波長領域に感度のあるフォトダイオード１０３を組み合わせることによれば、簡便な部品構成にて近赤外線領域に応じた分光スペクトルを測定するための信号を出力することができる。
【００２２】
なお、フォトダイオード１０３は、波長可変光フィルタ１０２から射出された干渉光線に対する信号強度情報１０３Ａを時系列に検出し出力する。また、分光モジュール１００は、波長可変光フィルタ１０２における駆動信号の電圧を干渉波長情報１０７Ｃに変換する変換回路１０７を有している。
【００２３】
この変換回路１０７は、駆動信号の電圧をギャップの変位情報に変換する第一変換式１０７Ａと、ギャップの変位情報を干渉波長情報に変換する第二変換式１０７Ｂを有している。変換回路１０７は、例えば、制御ＩＣや記録部を有する。第一変換式１０７Ａおよび第二変換式１７Ｂを表すプログラムや計算アルゴリズムは、記録部に記録されている。第一変換式１０７Ａは、波長可変光フィルタ１０２における一対の反射板２０１、２０２のギャップ変位量をＧ、単位電圧あたりのギャップ変位量をａ、駆動信号の電圧をＶ、初期ギャップをｂとして、Ｇ＝ａ・Ｖ＋ｂで表される。第二変換式１０７Ｂは、干渉波長をλ、干渉次数をｎ、ギャップ変位量をＧとして、λ＝２・Ｇ／ｎで表される。
【００２４】
そして、分光モジュール１００は、変換回路１０７からの干渉波長情報１０７Ｃと、この干渉波長情報１０７Ｃに応じたフォトダイオード１０３からの信号強度情報１０３Ａを出力するのである。
【００２５】
また、この分光モジュール１００においては、駆動信号の印加による梁２０５の振動状態を検出するための参照光源１０６を設けている。この参照光源１０６から出力される参照光線１０６Ａを、波長可変光フィルタ１０２に入射して分光特性を検出し、駆動信号の電圧をギャップの変位情報に変換する第一変換式１０７Ａの更新を行っている。第一変換式１０７Ａの更新とは、例えば、記録部に記録されたプログラムや計算アルゴリズムの計算式の係数の書き換えを意味する。なお、この参照光源１０６から射出される参照光線１０６Ａは、波長が既知で単波長の光線である。
【００２６】
次に、この参照光線１０６Ａを用いた第一変換式１０７Ａの更新方法について説明する。波長が既知な単一波長の参照光線１０６Ａを波長可変光フィルタ１０２に入射し、駆動信号の電圧を変化させて反射板２０１、２０２のギャップを変化させる。この結果、波長可変光フィルタ１０２により分光処理された参照光線１０６Ａ（干渉光線）は、フォトダイオード１０３に入射され、図３に示すように、参照光線１０６Ａの干渉次数に応じた複数の極大点が駆動電圧（Ｖ１〜Ｖｎ）に応じて出現する。そして、この複数の極大点から２つの極大点を選択して、各極大点を検出した駆動電圧（Ｖｎ、Ｖｎ＋１）と反射板２０１、２０２のギャップ変位情報（Ｖｎ、ＧＡＰｎ）、（Ｖｎ＋１、ＧＡＰｎ＋１）を求める。なお、ＧＡＰｎおよびＧＡＰｎ＋１については、Ｇ＝λ・ｎ／２を用い、参照光源の波長λと干渉次数ｎから算出できる。
【００２７】
そして、この２つの干渉次数における（Ｖ１、ＧＡＰ１）、（Ｖ２、ＧＡＰ２）から上述したＧ＝ａ・Ｖ＋ｂで表される第一変換式１０７Ａにおける単位電圧あたりのギャップ変位量ａと初期ギャップｂが求められるので、変換回路１０７の第一変換式１０７Ａを新たなものに更新することができる。これにより図４における破線２で示す初期特性のシフト補正に加え、破線３で示す初期特性の傾き補正をすることができるので、波長可変光フィルタ１０２の制御を高い精度で行うことができる。つまり、この分光モジュール１００の波長再現性を高めたことにより波長可変光フィルタ１０２の生産バラツキを吸収し生産性を確保するとともに分光モジュール１００の検出波長の再現性を確保することができるのである。
【００２８】
また、このようにフォトダイオード１０３の出力における複数の極大点を検出する場合、この極大点が参照光線１０６Ａの干渉次数に連動するものであり、干渉次数に対して離散的に抽出すると、その駆動信号の電圧の変化範囲が大きくなる。つまり、梁２０５の撓み量が大きくなってしまい梁２０５の強度劣化や変化時間の増大といった問題が生じる。したがって、連続する干渉次数に応じて極大点を抽出して、駆動信号の電圧の変化範囲を小さくすることが好ましい。
【００２９】
また、参照光線１０６Ａの異なる干渉次数から極大点を求めるのではなく、参照光線１０６Ａと波長が異なる別の参照光線１０８Ａを射出する別光源１０８を別途設ければ、連続する極大点の間隔を、連続する干渉次数で決定される参照光線１０６Ａの半波長より小さな範囲での検出が可能となり、より梁の強度劣化や変化時間の増大を抑制できる。また、参照光線１０６Ａの波長が異なることによって、干渉するギャップの間隔が変動することから、ギャップの絶対値を明確にできる。
【００３０】
なお、上述した実施の形態においては、駆動体２０４として圧電体層２０９を用いた圧電駆動方式を例に挙げて説明したので、変換式が駆動電圧Ｖを変数とした１次式で表せ、フォトダイオード１０３の出力における極大を示す２点で変換式の更新を行えた。しかし、駆動方式として静電駆動方式を採用した場合では、この変換式が、Ｇ＝ａ・Ｖ２＋ｂＶ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）とした非線形式で表されるので、このような非線形式となるものについては、フォトダイオード１０３からの出力における極大を示す３点（Ｖ１、ＧＡＰ１）、（Ｖ２、ＧＡＰ２）、（Ｖ３、ＧＡＰ３）を選択することでａ、ｂ、ｃを定めることができる。また、圧電駆動方式と用いた際に極大を示す３点を選択した場合には、干渉次数が不明な場合であっても、ギャップの絶対値を明確にできる。
【００３１】
また、分光モジュール１００は、測定光源１０１から射出された測定光線１０１Ａの分光処理を行いフォトダイオード１０３で検出する構造であることから、測定光線１０１Ａと参照光線１０６Ａが干渉すると分光モジュール１００の検出精度が劣化してしまうので、測定光源１０１での測定と参照光源１０６での測定と時分割で行うことが好ましい。また、測定光線１０１Ａに対する分光処理と参照光線１０６Ａによる変換式の書き換え動作を交互に行うことで、測定中の経時変化や温度変化を対する補正制御を行えるので、より高精度な検出波長の補正が可能となる。
【００３２】
また、第一変換式１０７Ａの更新は、分光モジュールの検出開始段階で実施するだけでなく、検出途中の段階で実施しすることが好ましい。これにより、参照光線１０６Ａの既知波長付近に特異な吸収もしくは反射を有する測定対象物であっても、高精度な補正が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る波長可変光フィルタは、一対の反射板のギャップの変位幅を広げるとともに平行度を保ちフィルタ特性を向上させることができ、特に、近赤外線領域を含む広い波長領域に対応可能な波長可変光フィルタにおいて有用である。
【符号の説明】
【００３４】
１００  分光モジュール
１０１  測定光源
１０１Ａ  測定光線
１０２  波長可変光フィルタ
１０３  フォトダイオード
１０３Ａ  信号強度情報
１０４  被検体
１０５  バンドパスフィルタ
１０６  参照光源
１０６Ａ  参照光線
１０７  変換回路
１０７Ａ  第一変換式
１０７Ｂ  第二変換式
１０７Ｃ  干渉波長情報
１０８  別光源
１０８Ａ  参照光線
２０１，２０２  反射板
２０３  枠体
２０４  駆動体
２０５  梁
２０６  駆動層
２０７  上部電極
２０８  下部電極
２０９  圧電体層
２１０  制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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