(57)【要約】【課題】簡易な構成で、特定波長の光の取り出しと非取り出しとの切り替え機能を付与すること。【解決手段】本発明の光学フィルタ（１２）は、表面プラズモン共鳴によって入射光から特定波長の光を取り出す光学フィルタであって、間隔を介して複数に分割された梁状部（２７ｂ、２８ｂ）を有する機能層（２３）を備え、各梁状部は、複数の間隔が、特定波長の光を反射させる等間隔の状態と、特定波長の光を透過させる非等間隔の状態とに可変可能に支持される構成とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面プラズモン共鳴によって入射光から特定波長の光を取り出す光学フィルタであって、
間隔を介して複数に分割された梁状部を有する機能層を備え、
各梁状部は、複数の前記間隔が、前記特定波長の光を反射させる等間隔の状態と、前記特定波長の光を透過させる非等間隔の状態とに可変可能に支持されることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
前記等間隔の状態での前記間隔の大きさが夫々異なる、複数の前記機能層が積層されており、各機能層における前記梁状部の前記等間隔の状態に応じて、複数の異なる前記特定波長の光を取り出すことを可能とすることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項３】
少なくとも第１の機能層と、第２の機能層とを備え、前記第１の機能層の前記梁状部が、前記等間隔の状態のとき、前記第２の機能層の前記梁状部は、前記非等間隔の状態とされ、前記第２の機能層の前記梁状部が、前記等間隔の状態のとき、前記第１の機能層の前記梁状部は、前記非等間隔の状態とされることを特徴とする請求項２に記載の光学フィルタ。
【請求項４】
前記梁状部は、第１の梁状部と、前記第１の梁状部に前記間隔を介して対向する第２の梁状部とを、有し、前記第１の梁状部と、前記第２の梁状部との少なくともいずれか一方が平行移動可能に支持されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学フィルタ。
【請求項５】
前記梁状部の幅が０．７μｍ以下であり、前記梁状部の厚みが２．５μｍ以下であり、前記非等間隔の状態での前記梁状部間の最大間隔と最小間隔との差が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定波長の光を取り出す光学フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中のガス濃度の測定装置として、広い分野で赤外分析装置が使用されている。赤外分析装置は、ガスの種類に応じて異なる波長の赤外線が吸収されることを利用し、特定波長の赤外線の吸収量から対象ガスの濃度を測定している。従来、この種の赤外分析装置として、ファブリーペローフィルタによって特定波長の赤外線を選択するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。ファブリーペローフィルタは、固定ミラーと可動ミラーとをギャップを空けて向い合せに配置し、固定ミラーに対して可動ミラーを離間又は接近させることで、ギャップに応じた特定波長の光を取り出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７７０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、光学フィルタを用いた赤外分析装置においては、例えば、焦電型赤外線センサ等を利用した場合、赤外線の取り出しと非取り出しとを繰り返すことが可能な機構が求められる。
【０００５】
しかしながら、ファブリーペローフィルタにおいては、ギャップに応じた特定波長の光を取り出すよう構成されているため、特定波長の光を取り出したり、取り出さないように切り替える機能を有していない。
【０００６】
また、ファブリーペローフィルタでは、可動ミラーを静電駆動アクチュエータにて、固定ミラーとの間のギャップを初期状態から縮める方向に変化させるようなギャップクロージング（Gap-closing）型の可動構造を採用している。このように、静電駆動アクチュエータを用いた可動構造にあっては、可動ミラーを固定ミラー方向に可動させる過程で、固定ミラー方向に引き込まれやすく、可動ミラーが、固定ミラーに吸い付くプルイン（pull-in）現象が生じやすい。このため、ファブリーペローフィルタでは、プルイン現象を抑制するために、動作領域が１．０μｍ〜３．０μｍ程度と狭い。よって、広い波長帯域の光を取り出すことができないといった問題もある。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、特定波長の光の取り出しと非取り出しとの切り替え機能を付与することができる光学フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光学フィルタは、表面プラズモン共鳴によって入射光から特定波長の光を取り出す光学フィルタであって、間隔を介して複数に分割された梁状部を有する機能層を備え、各梁状部は、複数の前記間隔が、前記特定波長の光を反射させる等間隔の状態と、前記特定波長の光を透過させる非等間隔の状態とに可変可能に支持されることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、機能層を複数の梁状部に分割し、各梁状部の間の間隔を、等間隔の状態と、非等間隔の状態とに可変可能としている。等間隔の状態では、表面プラズモン共鳴が励起して、特定波長の光が反射する。よって、特定波長の光を取り出すことができる。一方、非等間隔の状態では、特定波長の光を含む入射光は、機能層を透過するため、取り出されない。このように、本発明の構成によれば、簡易な構成で、光の取り出しに関する切替え機能を付与することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の梁状部を、等間隔の状態と非等間隔の状態とに可変可能に支持することで、簡易な構成で、光の取り出しに関する切り替え機能を付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態の赤外分析装置の模式図である。
【図２】本実施の形態の光学フィルタの平面模式図であり、特に、複数の梁状部が等間隔で並んだときの説明図である。
【図３】図２に示すＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た光学フィルタの部分断面図である。
【図４】本実施の形態の光学フィルタの平面模式図であり、特に、複数の梁状部が異なる間隔（非等間隔）で並んだときの説明図である。
【図５】図４に示すＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向から見た光学フィルタの部分断面図である。
【図６】複数の梁状部が等間隔に並んだ際の間隔の大きさに応じて取り出される光の波長と反射率との関係、及び、複数の梁状部が異なる間隔で並んだ際の光の波長と反射率との関係を示すグラフである。
【図７】等間隔に並んだときの梁状部間の間隔が異なる複数の機能層が積層された光学フィルタの概念図であり、特に、第１の機能層の梁状部を等間隔の状態にし、第２の機能層の梁状部を非等間隔の状態としたときの説明図である。
【図８】図７から、第２の機能層の梁状部を等間隔の状態に、第１の機能層の梁状部を非等間隔の状態に切り替えたときの説明図である。
【図９】複数のガスによる赤外線吸収波長を示すグラフである。
【図１０】実験で使用した各光学フィルタの概念図である。
【図１１】図１０の各光学フィルタに基づく光の波長と反射率との関係を示すグラフである。
【図１２】梁状部の間隔に対する反射波長の依存性を示すシミュレーション結果である。
【図１３】梁状部の幅に対する反射波長の依存性を示すシミュレーション結果である。
【図１４】梁状部の厚みに対する反射波長の依存性を示すシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本実施の形態の光学フィルタを用いた赤外分析装置について説明する。図１は、本実施の形態の赤外分析装置の模式図である。なお、赤外分析装置は、図１に示す構成に限定されない。図１に示す赤外分析装置１は、本実施の形態の光学フィルタ１２を用いた装置であればよく、適宜変更が可能である。なお、本実施の形態では赤外分析装置１に光学フィルタ１２を適用したが、特定波長の光を取り出して使用する装置に光学フィルタ１２を適用可能であり、例えば、紫外線を取り出して使用するような装置に本実施の形態の光学フィルタ１２を適用することもできる。
【００１３】
図１に示すように、赤外分析装置１は、光源１１からの入射光Ｌ１を光学フィルタ１２で反射させて特定波長の反射光Ｌ２を取り出し、試料セル１３内のガスによる反射光Ｌ２の吸収量を検出器１４で検出してガス濃度を測定している。光源１１と光学フィルタ１２の間には、光源１１からの入射光Ｌ１を光学フィルタ１２に導く第１のミラー１５が設けられる。また、光学フィルタ１２と試料セル１３の間には、光学フィルタ１２からの反射光Ｌ２を試料セル１３に導く第２のミラー１６が設けられている。第１のミラー１５、光学フィルタ１２、及び、第２のミラー１６の反射によって、光源１１からの光を検出器１４に導く光路が形成されている。
【００１４】
光源１１は、例えば、赤外線波長帯域を含む白色光を出射するハロゲンランプと集光レンズとによって構成されている。光源１１は、上記構成に限らず、光学フィルタ１２に特定波長を含む入射光Ｌ１を照射する構成であれば、どのように構成されてもよい。第１のミラー１５は、光源１１からの入射光Ｌ１を反射して、光学フィルタ１２に対して入射光Ｌ１を斜め方向から入射させている。これは、光学フィルタ１２に対する入射角が小さくなるほど、すなわち真上に近く付くほど、光学フィルタ１２での出射光の透過量が増加して、反射光Ｌ２として取り出し可能な反射量が減少するためである。
【００１５】
光学フィルタ１２は、表面プラズモン共鳴を利用したフィルタであり、表面プラズモン共鳴を励起した特定波長の光だけを反射して、特定波長以外の光を透過させるように構成されている。表面プラズモン共鳴とは、光学フィルタ１２の金属表面に光が当たると、金属電子が揺さぶられてプラズモンと呼ばれる状態になり、このプラズモンの振動と入射光Ｌ１の振動とが共鳴する現象をいう。この表面プラズモン共鳴によって金属表面に表面波（伝播型表面プラズモン）を起こさせて、プラズモン共鳴を励起した特定波長の光だけを取り出している。なお、光学フィルタ１２の詳細構成については後述する。
【００１６】
第２のミラー１６は、光学フィルタ１２からの反射光Ｌ２を反射して、試料セル１３に対して特定波長の反射光Ｌ２を入射させている。試料セル１３は、試料としての分析対象のガスで満たされる筒状のケースであり、ケースの一端の窓から反射光Ｌ２を取り込み、ケースの他端の窓からガス雰囲気中を通過した反射光Ｌ２を出射している。この場合、試料セル１３内には、特定波長の反射光Ｌ２に対応したガス種が封入されている。なお、試料セル１３の窓は、特定波長の反射光Ｌ２が透光性を有する材料で形成されていればよく、例えば、ガラス、水晶で形成されてもよい。
【００１７】
検出器１４は、試料セル１３のガス雰囲気中を通過した特定波長の反射光Ｌ２の強度を検出して、ガスによる反射光Ｌ２の吸収量から分析対象のガス濃度を測定している。なお、検出器１４は、特定波長の反射光Ｌ２の強度を検出可能であればよく、例えば、焦電素子、ボロメータ、サーモパイルで構成されてもよい。このように、赤外分析装置１は、光源１１からの入射光Ｌ１を光学フィルタ１２で反射させて、分析対象のガスで吸収される特定波長の反射光Ｌ２を取り出し、更に試料セル１３を通過した反射光Ｌ２の強度変化からガス濃度を測定している。
【００１８】
ここで、本実施の形態の光学フィルタ１２の構成について説明する。詳細については後述するように、光学フィルタ１２は、複数の梁状部２７ｂ、２８ｂを備え、これら梁状部２７ｂ、２８ｂの間隔を切り替えて、特定波長の光の反射と透過とを制御するものである。
【００１９】
図２は、本実施の形態の光学フィルタ１２の平面模式図であり、特に、複数の梁状部２７ｂ、２８ｂが等間隔で並んだときの説明図である。図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿って切断した光学フィルタ１２の部分断面図である。なお、図２では、平面内にて直交する２方向を、Ｘ方向及びＹ方向で表した。Ｘ方向については、図示右方向をＸ１方向、図示左方向をＸ２方向とした。
【００２０】
図３に示すように、光学フィルタ１２は、基材層２１の上面に絶縁層２２を積層し、絶縁層２２上にフィルタとして機能する機能層２３を積層して構成されている。例えば、基材層２１はシリコン（Ｓｉ）、絶縁層２２は酸化シリコン（ＳｉＯ２）、機能層２３はシリコン（Ｓｉ）でそれぞれ構成されている。このように、光学フィルタ１２は、基材層２１、絶縁層２２、機能層２３の３層からなるＳＯＩ基板（Silicon  On  Insulator）によって形成されている。なお、光学フィルタ１２は、ＳＯＩ基板の基板構造に限定されるものではなく、他の基板構造で形成されてもよい。
【００２１】
機能層２３は、図２に示すように、枠体２４と、枠体２４の内側に位置する、光反射透過部２５と、駆動部２６とを、有して構成される。
【００２２】
光反射透過部２５は、固定部２７と、可動部２８とを有して構成される。固定部２７は、枠体２４の内側に一体的に設けられ、枠体２４からＸ１方向に延出する固定支持部２７ａを備える。更に、固定支持部２７ａのＹ方向の両面から夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に所定の間隔を空けて、Ｙ方向に延出する複数の固定梁状部（第１の梁状部）２７ｂを備える。
【００２３】
可動部２８は、固定支持部２７ａに対してＹ方向に所定の間隔を空けて対向する複数の可動支持部２８ａを備える。各可動支持部２８ａのＸ１方向の一端は、Ｙ方向に延出する接続部２８ｃに一体的に接続されている。図２に示すように、各可動支持部２８ａの固定支持部２７ａと対向する側の面から、固定支持部２７ａの方向（Ｙ方向）に向かって、複数の可動梁状部（第２の梁状部）２８ｂが設けられている。なお、図２では、符号を付した固定梁状部２７ｂとＸ１側で対向する可動梁状部に符号２８ｂ１を付し、符号を付した固定梁状部２７ｂとＸ２側で対向する可動梁状部に符号２８ｂ２を付した。
【００２４】
また、図２に示すように、接続部２８ｃと、枠体２４との間は、弾性部（ばね部）３５を介して接続されている。弾性部（ばね部）３５は、例えば、圧縮ばねである。  
【００２５】
図２に示すように、可動梁状部２８ｂと固定梁状部２７ｂとは、Ｘ１−Ｘ２方向に、所定の間隔を空けて交互に配置されている。
【００２６】
図２、図３に示すように、各固定梁状部２７ｂと、各可動梁状部２８ｂとの間の間隔（ギャップ）は全てＴ１である。よって、各固定梁状部２７ｂと、各可動梁状部２８ｂは等間隔に配置されている。
【００２７】
図２に示すように、駆動部２６には、可動電極３０と、固定電極３１とが設けられている。
【００２８】
図２に示すように、接続部２８ｃには、各可動支持部２８ａが接続された側（Ｘ２）とは反対側であるＸ１側の面に、可動電極３０を構成する複数の電極歯３２が形成されている。各電極歯３２は、Ｙ方向に所定の間隔を空けてＸ１方向に延出している。
【００２９】
また、図２に示すように、枠体２４の内側からは、固定電極３１を構成する複数の電極歯３３が、Ｙ方向に所定の間隔を空けて、枠体２４との接続位置からＸ２方向に延出している。
【００３０】
図２に示すように、可動電極３０を構成する電極歯３２と、固定電極３１を構成する電極歯３３は、Ｙ方向に交互に所定の間隔を空けて交互に配置されている。
【００３１】
図３に示すように、固定梁状部２７ｂ及び可動梁状部２８ｂは、シリコンの表面を金（Ａｕ）等の貴金属膜４０で覆うことで形成されている。なお、各梁状部２７ｂ、２８ｂの表面を貴金属で覆う代わりに、各梁状部２７ｂ、２８ｂ全体を貴金属で形成してもよい。貴金属膜４０は、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）で形成されてもよい。
【００３２】
図２に示す光反射透過部２５及び、駆動部２６は、機能層２３のシリコンを加工して形成されたものであり、ディープＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching）等の手法を用いて加工されている。また、光反射透過部２５及び、駆動部２６の裏側の絶縁層２２及び基材層２１は、ウェットエッチング等の任意の手法を用いて除去されている。図３に示すように、光反射透過部２５及び、駆動部２６の裏側に空間４１が形成されている。この空間４１には、各梁状部２７ｂ、２８ｂを透過した透過光Ｌ３（図３参照）が入り込んで、光学フィルタ１２外への反射が抑えられている。更に、梁状部２７ｂ、２８ｂの表面の貴金属膜４０は、めっき法、スパッタ法等の既存の方法を用いて成膜されている。
【００３３】
図３に示す入射光（例えば白色光）Ｌ１が、各梁状部２７ｂ、２８ｂでその表面を覆う貴金属膜４０（例えば金の薄膜）に対して入射される。なお図３に示す入射光Ｌ１は概念図であり、入射光Ｌ１は実際には、各梁状部２７ｂ、２８ｂの略全域に照射されている。金の薄膜は、薄いため金のバルクとしての特性と、体積に占める表面の割合が高いことによる表面特有の物性と、を有している。
【００３４】
金のバルクに含まれる多数の伝導電子の振動は、縦波（粗密波）によるものであり、この振動を量子化した準粒子はプラズモン（plasmon）と呼ばれる。また、入射光Ｌ１の振動は横波である。このため、通常、縦波のプラズモンと横波の入射光Ｌ１とはほとんど反応せずエネルギーを交換しない。しかしながら、入射光Ｌ１が特定の波長光（周波数）を有する場合には、金の表面で入射光Ｌ１とプラズモンとが反応し共鳴現象を起こすことがある。これが、いわゆる表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象である。この表面プラズモン共鳴において、入射光Ｌ１から与えられるエネルギーによってプラズモンが誘起され、これによって表面波（伝搬型表面プラズモン）が生じる。すなわち、入射光Ｌ１に含まれる特定波長の光のエネルギーが、表面波のエネルギーに変換され、金の薄膜上を伝搬する過程が実現する。
【００３５】
本実施の形態においては、入射光Ｌ１として例えば、白色光を用いたとき、白色光に含まれる特定の周波数成分のエネルギーが、プラズモンの誘起のためにエネルギーとして用いられ、これ以外の周波数成分については、プラズモンと共鳴することなく透過する（図３に示す透過光Ｌ３）。
【００３６】
入射光Ｌ１によりエネルギーが与えられて励起した表面波は、金の薄膜表面を伝搬する。伝搬する表面波は、間隔を介して離間した他の梁状部２７ｂ、２８ｂの表面にも伝搬する。この時、表面波は、各梁状部２７ｂ、２８ｂ間でトラップされて、表面波の伝播方向が回転して特定波長の反射光Ｌ２として取り出される。
【００３７】
本実施の形態では、図２、図３に示すように、固定梁状部２７ｂと、可動梁状部２８ｂとが等間隔に並んで配置された状態から、各梁状部２７ｂ、２８ｂを非等間隔の状態に可変させることが可能である。
【００３８】
すなわち、可動電極３０と固定電極３１を構成する各電極歯３２、３３との間に電圧を印加することで、静電引力を発生させることができる。静電引力の大きさは、印加電圧の大きさにより変動し、印加電圧及び静電引力を大きくすることで、可動電極３０を構成する各電極歯３２を、図２の状態から図４に示すように、Ｘ１方向に移動させることができる。
【００３９】
図４は、本実施の形態の光学フィルタ１２の平面模式図であり、特に、複数の梁状部２７ｂ、２８ｂが異なる間隔（非等間隔）で並んだときの説明図である。また、図５は、図４に示すＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向から見た光学フィルタ１２の部分断面図である。
【００４０】
可動電極３０のＸ１方向への移動に伴って、接続部２８ｃと枠体２３との間に介在する弾性部３５は、縮む方向に変位し、可動支持部２８ａに固定支持された複数の可動梁状部２８ｂも、Ｘ１方向に平行移動する。これにより、図５に示すように、固定梁状部２７ｂに対してＸ１側に位置する可動梁状部２８ｂ１との間の間隔Ｔ２は、固定梁状部２７ｂに対してＸ２側に位置する可動梁状部２８ｂ２との間の間隔Ｔ３よりも大きくなる。このように、可動梁状部２８ｂを、図２、図３の等間隔の状態から可変させることで、各梁状部２７ｂ、２８ｂ間の間隔Ｔ２、Ｔ３が等間隔ではなくなる（非等間隔の状態）。
【００４１】
各梁状部２７ｂ、２８ｂが非等間隔の状態に切り替わると、図５に示すように、入射光Ｌ１が、等間隔の状態では反射光Ｌ２として取り出された特定波長の光（図３参照）も含めて全透過する。このように、本実施の形態では、各梁状部２７ｂ、２８ｂが等間隔の状態では取り出された特定波長の光（反射光Ｌ２）を、非等間隔の状態とすることで透過させている。これにより、光学フィルタ１２に、光の取り出しに関する切り替え機能（スイッチ機能）を付与することができる。例えば、各梁状部２７ｂ、２８ｂが等間隔とされて特定波長の光を取り出す状態をＯＮ状態、各梁状部２７ｂ、２８ｂが非等間隔とされて特定波長の光を含めた入射光Ｌ１を透過させ光を取り出さない状態をＯＦＦ状態とする。本実施の形態では、梁状部２７ｂ、２８ｂを等間隔の状態と非等間隔の状態とに可変させることで、ＯＮ/ＯＦＦの切り替えが可能である。
【００４２】
本実施の形態では、可動梁状部２８ｂを、固定梁状部２７ｂに対して平行移動させており、これにより、各梁状部２７ｂ、２８ｂが等間隔となる状態と、非等間隔となる状態とを容易に作り出すことができる。したがって、簡易な構成で、光の取り出しに関する切り替え機能を付与することができる。
【００４３】
ここで、複数の梁状部２７ｂ、２８ｂが等間隔に並んだ際の間隔の大きさに応じて取り出される光の波長と反射率との関係、及び、複数の梁状部２７ｂ、２８ｂが異なる間隔で並んだ際の光の波長と反射率との関係に関するシミュレーション結果について、図６を用いて説明する。
【００４４】
シミュレーション実験では、各梁状部２７ｂ、２８ｂを等間隔に並べた際の間隔を、３．５μｍ、４．０μｍ及び４．５μｍとした３つの試料と、各梁状部２７ｂ、２８ｂの間隔が、３．５μｍと４．５μｍの非等間隔とされた試料とを用いた。そして、これらの試料より、光の波長と反射率との関係を調べた。
【００４５】
図６に示すように、各梁状部２７ｂ、２８ｂを等間隔に並べた３つの試料では夫々、異なるピーク波長を得ることができた。これらピーク波長の反射率は、ほぼ同程度であり、特定波長の光として適切に取り出すことができるとわかった。
【００４６】
一方、梁状部２７ｂ、２８ｂを非等間隔に並べると、図６に示すように、波長全域にて反射率が小さくなった。これは、入射光全体が、梁状部２７ｂ、２８ｂを備える光反射透過部２５を透過するためである。
【００４７】
図６のシミュレーション実験で用いた非等間隔の状態（３．５μｍ／４．５μｍ）の梁状部２７ｂ、２８ｂは、等間隔の状態に切り替えると、４μｍの間隔となる。このように、各梁状部２７ｂ、２８ｂの間隔を４μｍの等間隔で並べて取り出される特定波長の光は、梁状部２７ｂ、２８ｂの間隔を３．５μｍ/４．５μｍの非等間隔に切り替えると、透過して取り出されなくなることが証明された。
【００４８】
図６のシミュレーション結果から、各梁状部２７ｂ、２８ｂの間隔を、等間隔の状態を維持しながら変えると、異なる特定波長の光を取り出すことができる。以下では、異なる複数の特定波長の光を取り出すための構成について説明する。
【００４９】
すなわち、本実施の形態では、複数の機能層を積層する。このとき、各機能層では、等間隔のときの梁状部間の間隔を異ならせる。これにより、各機能層における梁状部の等間隔の状態に応じて、複数の異なる特定波長の光を取り出すことができる。
【００５０】
図７、図８に示すように、第１の機能層５０と第２の機能層５１とが積層されている。ここで、図７、図８は概念図であり、第１の機能層５０と第２の機能層５１とを離して図示しているが、これは、光の反射や透過をわかりやすく図示するためである。実際には、第１の機能層５０及び第２の機能層５１を構成する各シリコン基板を加工後、積層するため、第１の機能層５０の梁状部と第２の機能層５１の梁状部とは、図３や図５で示した空間４１程度の大きさを介して対向している。
【００５１】
なお、図７及び図８の右側に示された図は、点線で示す機能層５０、５１の部分を拡大して示した部分拡大平面図である。
【００５２】
図７では、第１の機能層５０を構成する各梁状部５３、５４が等間隔に並んでおり、第２の機能層５１を構成する各梁状部５５、５６は非等間隔に並んでいる。梁状部５３、５５は、固定梁状部を構成し、梁状部５４、５６は、可動梁状部を構成する。
【００５３】
図７に示すように、第１の機能層５０を構成する固定梁状部５３と可動梁状部５４とを等間隔に並べた際の各梁状部５３、５４の間隔は、Ｔ４である。一方、図８に示すように、第２の機能層５１を構成する固定梁状部５５と可動梁状部５６とを等間隔に並べた際の各梁状部５５、５６の間隔は、Ｔ５である。そして、第１の機能層５０の各梁状５３、５４が等間隔に並んだ際の間隔Ｔ４と、第２の機能層５１の各梁状５５、５６が等間隔に並んだ際の間隔Ｔ５とは異なる大きさである。したがって、第１の機能層５０の各梁状部５３、５４及び第２の機能層５１の各梁状部５５、５６が夫々等間隔に並んだ際に、取り出される特定波長の光（図７に示す反射光Ｌ４と、図８に示す反射光Ｌ６）は夫々、異なる波長となっている。
【００５４】
ここで、図７の状態では、第１の機能層５０を構成する各梁状部５３、５４は、等間隔の状態に並んでいる一方、第２の機能層５０を構成する各梁状部５５、５６は、非等間隔に並んでいる。
【００５５】
したがって、図７に示すように入射光Ｌ１が、第１の機能層５０に入射されると、入射光Ｌ１のうち、表面プラズモン共鳴を励起した第１の特定波長の光だけが反射して取り出される（反射光Ｌ４）。一方、第１の特定波長以外の光は、第１の機能層５０を透過して（透過光Ｌ５）、第２の機能層５１に入射される。このとき、透過光Ｌ５は、第２の機能層５１の各梁状部５５、５６が非等間隔の状態であるため全透過する。したがって、図７の状態では、第１の特定波長の光だけが反射光Ｌ４として取り出される。
【００５６】
次に、図７の状態から、第１の機能層５０の可動梁状部５４を固定梁状部５３に対して平行移動させて、第１の機能層５０の各梁状部５３、５４を等間隔の状態から非等間隔の状態に切り替える。また、図７の状態から、第２の機能層５１の可動梁状部５６を固定梁状部５５に対して平行移動させて、第２の機能層５１の各梁状部５５、５６を非等間隔の状態から等間隔の状態に切り替える。第１の機能層５０及び第２の機能層５１において切り替え後の状態が図８に示されている。
【００５７】
図８の状態では、入射光Ｌ１が、第１の機能層５０に入射されると、各梁状部５３、５４が非等間隔の第１の機能層５０では、入射光Ｌ１が全透過して、第２の機能層５１に入射される。第２の機能層５１は、各梁状部５５、５６が等間隔に配置されているので、入射光Ｌ１のうち、表面プラズモン共鳴を励起した第２の特定波長の光だけが反射する（反射光Ｌ６）。第２の特定波長の光以外の光は、第２の機能層５１を透過する（透過光Ｌ１１）。第２の特定波長の光としての反射光Ｌ６は、各梁状部５３、５４が非等間隔の第１の機能層５０を透過するので、光フィルタから取り出すことができる。図７の状態にて取り出される第１の特定波長の光と、図８の状態にて取り出される第２の特定波長の光とは、夫々、異なる波長の光である。
【００５８】
このように、本実施の形態では、第１の機能層５０と第２の機能層５１とで、各梁状部が等間隔に並んだ際の間隔を異ならせる。そして、第１の機能層５０の各梁状部５３、５４を等間隔の状態に、第２の機能層５１の梁状部５５、５６を非等間隔の状態に切り替えることで、第１の機能層５０から第１の特定波長の光を高精度に得ることができる。次に、第２の機能層５１の各梁状部５５、５６を等間隔の状態に、第１の機能層５０の梁状部５３、５４を非等間隔の状態に切り替えることで、第２の機能層５１から第２の特定波長の光を高精度に得ることができる。
【００５９】
このように本実施の形態では、波長の異なる複数の光を各機能層５０、５１の切替えに応じて高精度に取り出すことができる。特に、本実施の形態では、取り出しタイミングを、各機能層５０、５１の切替えタイミングに基づいて適宜調節することができる。例えば、図７、図８の状態以外に、第１の機能層５０の各梁状部５３、５４が非等間隔の状態と、第２の機能層５１の各梁状部５５、５６が非等間隔の状態とを同時に得ることができる。この場合、第１の機能層５０及び第２の機能層５１の双方にて反射する光はないため、光フィルタに入射された入射光Ｌ１から光を取り出すことはできない。また、第１の機能層５０の各梁状部５３、５４が等間隔の状態と、第２の機能層５１の各梁状部５５、５６が等間隔の状態とを同時に得ることができる。この場合、第１の機能層５０及び第２の機能層５１の双方にて反射する特定波長の光が存在するため、波長の異なる複数の光を同時に取り出すことができる。
【００６０】
この結果、本実施の形態によれば、波長の異なる複数の光を連続的に得たり、波長の異なる複数の光を断続的に得たり、或いは、波長の異なる複数の光を同時に得たり、又は、光を取り出さないように制御することが出来る。いずれの光の取り出し方を選択するかは、分析装置の構成や、使用用途等によって種々選択することができる。
【００６１】
図９は、複数のガスによる赤外線吸収波長を示すグラフである。図９に示すように、例えば、赤外分析装置１の機能としては炭素酸化物（ＣＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の複数のガス種の計測が求められている。本実施の形態の図７や図８に示すように、各梁状部を等間隔に並べた際の間隔が異なる複数の機能層５０、５１を積層することで、図９に示すように、例えば、第１の機能層５０からは、ＣＯの計測に必要な波長の光を取り出すことができ、第２の機能層５１では、ＳＯ２の計測に必要な波長の光を取り出すことができる。
【００６２】
また、図９に示すガス種の計測には、約４．０μｍ〜７．５μｍの波長の赤外線が必要である。ファブリーペローフィルタを光学フィルタとして使用した場合、取り出し可能な波長帯域は狭かったが、本実施の形態では、各梁状部を等間隔に並べた際の間隔が異なる複数の機能層５０、５１を積層することで、ガス種の計測範囲を広げることができる。このため、本実施の形態の赤外分析装置１では、表面プラズモン共鳴を利用した光学フィルタ１２を使用することで、広い波長帯域をカバーすることができる。
【００６３】
本実施の形態では、梁状部が等間隔に並んだ際の間隔が異なる機能層の積層数を、３層以上とすることで、更に、ガス種の計測数を増やすことができる。なお、機能層の積層数を限定するものではなく、必要なガス種の計測数に応じて適宜変更可能であるが、例えば、積層数は、２層から５層程度である。
【００６４】
次に、２層の機能層６０、６１を積層した試料を用い、一方の機能層の各梁状部を等間隔の状態に、他方の機能層の各梁状部を非等間隔の状態に切り替えて、波長と反射率との関係を求める実験を行った。
【００６５】
図１０Ａの示す試料では、第１の機能層６０を構成する複数の梁状部６２が、４μｍの等間隔に並んでいる。一方、第２の機能層６１を構成する複数の梁状部６３は、３．５μｍの間隔と、４．５μｍの間隔とが交互に並んだ非等間隔の状態とされている。
【００６６】
図１０Ｂに示す試料では、第１の機能層６０を構成する複数の梁状部６２は、３．５μｍの間隔と、４．５μｍの間隔とが交互に並んだ非等間隔の状態とされている。一方、第２の機能層６１を構成する複数の梁状部６３は、４μｍの等間隔に並んでいる。
【００６７】
図１０Ａに示すように、入射光Ｌ１を図示下方から第１の機能層６０に向けて入射する。なお、入射角度を、第１の機能層６０と第２の機能層６１との積層方向（Ｚ）に対して８度の傾斜角とした。図１０Ｂ及び図１０Ｃの試料に対しても同様である。図１０Ａに示すように、梁状部６２が等間隔に並んだ第１の機能層６０では、特定波長の光が反射し反射光Ｌ７として取り出される。図１０Ａの試料に基づく波長と反射率との関係を示すグラフが図１１Ａに示されている。
【００６８】
また、図１０Ｂに示すように、入射光Ｌ１を図示下方から第１の機能層６０に向けて入射する。このとき、梁状部６２が非等間隔に並んだ第１の機能層６０では、入射光Ｌ１が全透過し、第２の機能層６１に至る。梁状部６３が等間隔に並んだ第２の機能層６１では、特定波長の光が反射し反射光Ｌ８として取り出される。図１０Ｂの試料に基づく波長と反射率との関係を示すグラフが図１１Ｂに示されている。
【００６９】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、図１０Ａ及び図１０Ｂの試料からは同じ波長の光を取り出すことができた。これは、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す第１の機能層６０及び第２の機能層６１の各梁状部６２、６３が、同じ等間隔（＝４μｍ）で並んでいるからである。この実験からわかることは、機能層の積層順を入れ替えても、等間隔で並んだ梁状部の間隔が同じであれば、同じ波長の光を取り出せるということである。ただし、反射率は、図１１Ａのほうが図１１Ｂよりもやや大きくなっている。これは、光源に近い側の機能層での反射率ほど大きくなるためである。よって、光源に近い側に、ガス種の計測に特に重要とされる波長光の取り出しに対応する機能層を置いたほうが好適である。或いは、各機能層の各梁状部間の対向距離をより近づけることで、反射率差を小さくすることができる。
【００７０】
図１０Ｃに示す試料では、２層の機能層６５、６６を積層しており、第１の機能層６５を構成する梁状部６７、及び第２の機能層６６を構成する梁状部６８が共に等間隔に並んでいる。ただし、第１の機能層６５の梁状部６７の間隔Ｔ６と、第２の機能層６６の梁状部６８の間隔Ｔ７とは異なる大きさである。
【００７１】
なお、図１０Ｃの試料を用いた実験での入射光Ｌ１の入射角度は、図１０Ａで説明した通りである。
【００７２】
図１０Ｃに示すように、入射光Ｌ１を第１の機能層６５に向けて入射すると、第１の機能層６５では、第１の特定波長の光を反射光Ｌ９として取り出すことができる。また、第２の機能層６６では、第２の特定波長の光を反射光Ｌ１０として取り出すことができる。図１０Ｃの試料に基づく波長と反射率との関係を示すグラフが図１１Ｃに示されている。
【００７３】
図１１Ｃに示すように、複数の機能層６５、６６の梁状部６７、６８を共に、等間隔の状態に置くことで、異なる特定波長の光を同時に取り出すことができることが証明された。
【００７４】
次に、図１２から図１４は、梁状部の間隔、梁状部の幅、及び、梁状部の長さに対する反射波長の依存性を示すシミュレーション結果である。図１２は、梁の間隔に対する反射波長の依存性を示すシミュレーション結果である。図１３は、梁の幅に対する反射波長の依存性を示すシミュレーション結果である。図１４は、梁の厚みに対する反射波長の依存性を示すシミュレーション結果である。なお、図１２から図１４は、梁状部の長さについては無限遠としたシミュレーション結果である。ここでは、図２の符号を適宜使用して説明する。
【００７５】
図１２に示すシミュレーション結果では、各梁状部２７ｂ、２８ｂが等間隔に並んだ際の間隔Ｔ１に応じて、回析効率（反射率）が高くなる反射波長が変化することが確認された。この場合、各梁状部２７ｂ、２８ｂの間隔Ｔ１が広がるのに伴って、回析効率が高くなる反射波長も大きくなっており、各梁状部２７ｂ、２８ｂの間隔Ｔ１と反射波長との間に一定の相関性がみられた。上記したように、赤外分析装置１（図１参照）としては、複数種類のガスの赤外分析に約４．０〜７．５μｍの波長の赤外線が必要であるため、間隔Ｔ１が２．０μｍ〜７．０μｍの間で各梁状部２７ｂ、２８ｂが等間隔となる複数の機能層を積層すれば、これらの波長帯域を十分にカバーすることが可能な光学フィルタを得ることができる。
【００７６】
図１３に示すシミュレーション結果では、各梁状部２７ｂ、２８ｂの幅ｗ（図３参照）が所定の幅よりも大きくなると、反射波長が幅を持つようになることが確認された。各梁状部２７ｂ、２８ｂの幅ｗが０．７μｍよりも大きくなると、回析効率が高い波長帯域が広がって、各梁状部２７ｂ、２８ｂによって特定波長の光だけでなく特定波長以外の光も反射されてしまう。この場合、特定波長以外の光がノイズとして反射光に含まれてしまい、赤外分析装置１（図１参照）の分析精度を低下させる可能性がある。このため、各梁状部２７ｂ、２８ｂの幅ｗは、反射波長が幅を持たないように０．７μｍ以下に形成されることが好ましい。
【００７７】
図１４に示すシミュレーション結果では、各梁状部２７ｂ、２８ｂの厚みｈ（図３参照）が所定の厚みよりも大きくなると、二波長反射するようになることが確認された。各梁状部２７ｂ、２８ｂの厚みｈが２．５μｍよりも大きくなると、特定波長とは別の波長に二波長目の光が現れて、各梁状部２７ｂ、２８ｂによって二波長目の光も反射されてしまう。この場合、二波長目の光がノイズとして反射光に含まれてしまい、赤外分析装置１（図１参照）の分析精度を低下させる可能性がある。このため、各梁状部２７ｂ、２８ｂの厚みｈは、二波長反射しないように２．５μｍ以下に形成されることが好ましい。
【００７８】
以上のシミュレーション結果から各梁状部２７ｂ、２８ｂの幅ｗを０．７μｍ以下、厚みｈを２．５μｍ以下とし、各梁状部２７ｂ、２８ｂの間隔Ｔ１が２．０μｍ〜７．０μｍの間で等間隔となる複数の機能層を積層した光学フィルタを構成すれば、赤外分析を良好に実施できることが確認された。
【００７９】
また、本実施の形態では、図５に示すように、各梁状部２７ｂ、２８ｂを非等間隔の状態としたとき、各梁状部２７ｂ、２８ｂ間の最大間隔Ｔ２と、最小間隔Ｔ３との差が１μｍ以下であることが好ましい。このように、間隔Ｔ２、Ｔ３の差を小さくすることで、隣り合う梁状部２７ｂ、２８ｂ同士が近づきすぎるのを抑制することができる。梁状部２７ｂ、２８ｂ同士が近づきすぎると、互いに吸着し、元の状態に戻れなくなる場合があるので、本実施の形態では、このような不具合が生じるのを防止することができる。
【００８０】
以上のように、本実施の形態の光学フィルタ１２によれば、間隔を介して複数に分割された梁状部２７ｂ、２８ｂを有する機能層２３を備え、各梁状部２７ｂ、２８ｂは等間隔に並んだ状態と、非等間隔に並んだ状態とに可変可能に支持されている。これにより、特定波長の光の取り出し・非取り出しの切り替え機能を付与することができる。図２〜図５で示した実施の形態では、機能層２３が１層であるため、一つの特定波長の光に対する切り替え機能を付与したものである。一方、図７、図８に示す実施の形態のように、複数の機能層５０、５１を積層し、各機能層５０、５１から異なる波長の光を取り出せるようにすれば、広い波長帯域で特定波長の光を取り出すことができる。
【００８１】
光学フィルタ１２に、特定波長の光の取り出し・非取り出しの切り替え機能を付与することで、チョッパのような使い方が可能になり、メカニカルシャッターや、圧電効果を用いたバイモルフチョッパ等に代えて用いることができる。特に、焦電型赤外線センサ等を利用した場合に、本実施の形態の光学フィルタ１２を好ましく適用することができる。そして、本実施の形態の光学フィルタ１２は、ＭＥＭＳ素子であり、小型化及び低コスト化を実現できる。
【００８２】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００８３】
例えば、本実施の形態において、梁状部２７ｂ、２８ｂのうち、一方を固定梁状部２７ｂとし、他方を可動梁状部２８ｂとし、可動梁状部２８ｂのみを平行移動させる構成としたが、双方の梁状部２７ｂ、２８ｂが平行移動するように支持してもよい。
【００８４】
また、図２等で示した梁状部２７ｂ、２８ｂの本数や長さ寸法は、一例であり、適宜変更することができる。
【００８５】
また、駆動部２６における駆動機構は、図２、図４で説明したものに限定されない。例えば、電磁力を用いての駆動、ピエゾ素子を用いての駆動、及び、形状記憶合金を用いての駆動等が考えられる。
【００８６】
また、本実施の形態において、梁状部２７ｂ、２８ｂの表面が貴金属膜４０で覆われる構成にしたが、梁状部２７ｂ、２８ｂの表面が貴金属膜４０以外の金属膜で覆われてもよい。例えば、入射光Ｌ１から紫外線の波長帯域が取り出される場合には、梁状部２７ｂ、２８ｂの表面をアルミニウム（Ａｌ）膜等で覆うようにしてもよい。
【００８７】
また、本実施の形態において、入射光Ｌ１を連続的に照射する構成にしたが、連続的な照射だけではなく、照射と停止を周期的、又は非周期に繰り返す構成でもよい。また、本実施の形態において、光学フィルタ１２が赤外分析に用いられる構成にしたが、光通信や画像表示装置等の他の用途にも使用することができる。
【００８８】
最後に、上記の実施形態における特徴点を整理する。
【００８９】
上記実施形態に記載の光学フィルタは、表面プラズモン共鳴によって入射光から特定波長の光を取り出す光学フィルタであって、間隔を介して複数に分割された梁状部を有する機能層を備え、各梁状部は、複数の前記間隔が、前記特定波長の光を反射させる等間隔の状態と、前記特定波長の光を透過させる非等間隔の状態とに可変可能に支持されることを特徴とする。
【００９０】
この構成によれば、機能層を複数の梁状部に分割した構成とし、各梁状部の間の間隔を、等間隔の状態と、非等間隔の状態とに可変させることができる。等間隔の状態では、表面プラズモン共鳴が励起して、特定波長の光が反射する。よって、特定波長の光を取り出すことができる。一方、非等間隔の状態では、特定波長の光は、機能層を透過するため、取り出されない。このように、本発明の構成によれば、簡易な構成で且つ精度よく、特定波長の光の取り出しと、非取り出しとの切替え機能を付与することができる。
【００９１】
また、上記実施形態に記載の光学フィルタにおいて、前記等間隔の状態での前記間隔の大きさが夫々異なる、複数の前記機能層が積層されており、各機能層における前記梁状部の前記等間隔の状態に応じて、複数の異なる前記特定波長の光を取り出すことを可能とする。この構成によれば、広い波長帯域で特定波長の光を取り出すことができる。
【００９２】
また、上記実施形態に記載の光学フィルタにおいて、少なくとも第１の機能層と、第２の機能層とを備え、前記第１の機能層の前記梁状部が、前記等間隔の状態のとき、前記第２の機能層の前記梁状部は、前記非等間隔の状態とされ、前記第２の機能層の前記梁状部が、前記等間隔の状態のとき、前記第１の機能層の前記梁状部は、前記非等間隔の状態とされる。この構成によれば、複数の特定波長の光を精度よく取り出すことができる。
【００９３】
また、上記実施形態に記載の光学フィルタにおいて、前記梁状部は、第１の梁状部と、前記第１の梁状部に前記間隔を介して対向する第２の梁状部とを、有し、前記第１の梁状部と、前記第２の梁状部との少なくともいずれか一方が平行移動可能に支持されている。この構成によれば、簡単な機構で、梁状部の等間隔の状態と、非等間隔の状態とを作り出すことができ、特定波長の光の取り出しと非取り出しとの切替え機能を高精度に得ることができる。
【００９４】
また、上記実施形態に記載の光学フィルタにおいて、前記梁状部の幅が０．７μｍ以下であり、前記梁状部の厚みが２．５μｍ以下であり、前記非等間隔の状態での前記梁状部間の最大間隔と最小間隔との差が１μｍ以下である。この構成によれば、反射波長に幅を持たせずシャープな反射波長にすることができると共に、二波長反射を抑えることができる。また、非等間隔の状態にて、梁状部同士が接近しすぎて吸着し元の状態に戻れなくなることを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
以上説明したように、本発明は、簡易な構成で、特定波長の光の取り出しに関する切り替え機能を付与することができる。また、広い波長帯域で特定波長の光を取り出すことができるという効果を有し、特に、赤外分析装置に利用される光学フィルタに有用である。
【符号の説明】
【００９６】
１  赤外分析装置
１１  光源
１２  光学フィルタ
１３  試料セル
１４  検出器
２１  基材層
２２  絶縁層
２３、５０、５１、６０，６１、６５、６６  機能層
２４  枠体
２５  光反射透過部
２６  駆動部
２７  固定部
２７ａ  固定支持部
２７ｂ、５３、５５  固定梁状部
２８  可動部
２８ａ  可動支持部
２８ｂ、５４、５６  可動梁状部
３０  可動電極
３１  固定電極
３２、３３  電極歯
３５  弾性部
４０  貴金属膜
４１  空間
６３、６４、６７、６８  梁状部
Ｌ１  入射光
Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６〜Ｌ１０  反射光
Ｌ３、Ｌ５、Ｌ１１  透過光
【図１】
2018013365.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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