(57)【要約】  入射角に対してより低感度を有する波長可変ファブリ・ペロ・フィルタが、空洞（エアギャップ）を、１よりも大きな有効屈折率を有する区分空洞で置き換えることにより形成される。この区分空洞は、可変エアギャップの両側の反射器に１対の区分空洞誘電層を含む。これらの誘電層は、それぞれが、フィルタのチューニング・レンジの中の最短波長の４分の１よりも小さな光学的厚さを有する。結果的に得られる３層の区分空洞は、フィルタのチューニング・レンジの中の透過波長の半分の整数倍（ｍ）と実質的に等しい有効な光学的厚さを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２のより広い帯域の範囲で可変である帯域通過波長の中心にある第１の波長帯域にある光を透過させる波長可変光フィルタであって、
実質的に平行なアライメントに維持され可変エアギャップによって分離されている第１及び第２の反射器と、
前記第１の反射器の上の第１の誘電層と前記可変エアギャップと前記第２の反射器の上の第２の誘電層とを含む区分空洞であって、前記帯域通過波長の半分の整数倍と実質的に等しい有効な光学的厚さを有し、１よりも大きな有効な屈折率を有し、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記第２のより広い帯域の中の最短の波長の４分の１よりも小さな光学的厚さを有する、区分空洞と、
前記反射器の少なくとも一方を移動させて、前記エアギャップを変動させ前記帯域通過波長をチューニングするチューニング機構と、
を備えていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の反射器は、それぞれが、前記第２のより広い帯域の中の基準波長の４分の１に等しい光学的厚さをそれぞれが有する高低の屈折率が交代する複数の層を含む１／４波長スタックを含むことを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項３】
請求項２記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記１／４波長スタックにおける高屈折率層と同じ材料で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項４】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の反射器は、それぞれが、金属膜で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項５】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の反射器は、それぞれが、連続的に変調された屈折率を有する屈折率分布型ルゲート反射器で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項６】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は光学的厚さが同一であることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項７】
請求項６記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、その厚さ全体で一定の屈折率を有する単一の材料で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項８】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記エアギャップに近い低い値から前記反射器に近い高い値まで単調に変動する屈折率を有する屈折率分布型の層で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項９】
請求項８記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第２のより広い帯域の外部にある固定帯域幅の中の波長の光を透過させることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１０】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記区分空洞は、前記帯域通過波長の半分に等しい有効な光学的厚さを有することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１１】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記可変エアギャップは前記帯域通過波長の半分よりも小さな光学的厚さを有し、前記区分空洞は１よりも大きな有効屈折率を有することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１２】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記チューニング機構は、圧電アクチュエータと静電アクチュエータと電磁アクチュエータとの中の１つで構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１３】
波長可変光フィルタであって、
実質的に平行なアライメントに維持され可変エアギャップによって分離され、第２のより広い帯域の範囲で可変である帯域通過波長の中心にある第１の波長帯域にある光を透過させる第１及び第２の反射器と、
前記第１の反射器の上の第１の誘電層と、
前記第２の反射器の上の第２の誘電層と、
を備えており、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記第２のより広い帯域の中の最短の波長の４分の１よりも小さな光学的厚さを有することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１４】
請求項１３記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の反射器は、それぞれが、（ａ）高低の屈折率が交代する複数の層を含む１／４波長スタックと、（ｂ）連続的に変調された屈折率を有する屈折率分布型ルゲート反射器とを備えていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１５】
請求項１４記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、その厚さ全体で一定の屈折率を有する単一の材料で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１６】
請求項１５記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記１／４波長スタックにおける高屈折率層と同じ材料で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１７】
請求項１４記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記エアギャップに近い低い値から前記反射器に近い高い値まで単調に変動する屈折率を有する屈折率分布型の層で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１８】
請求項１７記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第２のより広い帯域の外部にある固定帯域幅の中の波長の光を透過させることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１９】
請求項１３記載の波長可変光フィルタにおいて、前記区分空洞は前記帯域通過波長の半分に等しい有効な光学的厚さを有し、前記可変エアギャップは前記帯域通過波長の半分よりも小さな光学的厚さを有し、前記区分空洞は１よりも大きな有効屈折率を有することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２０】
第２のより広い帯域の範囲で可変である帯域通過波長の中心にある第１の波長帯域にある光を透過させる波長可変光フィルタであって、
光基板と、
前記光基板の上にある第１の反射器と、
前記第１の反射器の上側表面にある第１の誘電層と、
第２の反射器と、
前記第２の反射器の下側表面にある第２の誘電層と、
前記光基板にあり、前記第２の反射器を前記第１の反射器と実質的に平行なアライメントであってエアギャップによって分離された状態に維持して最低次数のフィルタを形成するチューニング機構と、
を備えており、前記エアギャップは前記第２のより広い帯域の範囲で前記第１の帯域をチューニングするように可変であり、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記第２のより広い帯域の中の最短波長の４分の１よりも小さな光学的厚さを有することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２１】
請求項２０記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１の誘電層と前記可変エアギャップと前記第２の誘電層とが、前記帯域通過波長の半分に実質的に等しい有効な光学的厚さを有し、前記可変エアギャップは前記帯域通過波長の半分よりも小さな光学的厚さを有し１よりも大きな有効屈折率を有する区分空洞を画定することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２２】
請求項２１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の反射器は、それぞれが、（ａ）高低の屈折率が交代する複数の層を含む１／４波長スタックと、（ｂ）連続的に変調された屈折率を有する屈折率分布型ルゲート反射器とを備えていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２３】
請求項２２記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、その厚さ全体で一定の屈折率を有する単一の材料で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２４】
請求項２３記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記１／４波長スタックにおける高屈折率層と同じ材料で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２５】
請求項２２記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記エアギャップに近い低い値から前記反射器に近い高い値まで単調に変動する屈折率を有する屈折率分布型の層で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２６】
請求項２５記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第２のより広い帯域の外部にある固定帯域幅の中の波長の光を透過させることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変（tunable）ファブリ・ペロ（Fabry-Perot）フィルタに関し、更に詳しくは、入射角に対する感度を低下させた区分空洞（partitioned-cavity）波長可変ファブリ・ペロ・フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変ファブリ・ペロ・フィルタは、波長の狭い帯域の中にある光を透過するのに用いられる狭帯域の光フィルタである。そのようなフィルタは、レーザをチューニング若しくは較正する、又は、光ネットワークにおいてチャネルを追加／削除するのに用いることができる。これらのシステムでは、光は、典型的には、すべての光線が相互に平行である平行なコリメート・ビームとして、フィルタに入るように制御される。他の応用例では、ファブリ・ペロ・フィルタは、イメージング・システムの一部であり、特に天文学関係のシステムにおいて、特定の特性波長（signature wavelengths）にチューニングすることにより、目標を検出するのに用いられる。多くのイメージング・システムでは、システムの光収集能力を最大化し、ブラー・サークルを最小化するには、システムのｆ数が低いことが望ましい。収集された光は、システムの中の１点に合焦され、フィルタが、通常の入射角からｆ数によって決定される最大角度まで分配された光の円錐によって、照射される。
【０００３】
ファブリ・ペロ・フィルタは、干渉フィルタの特別な場合である。標準的な干渉フィルタは、１対の平面状の平行反射器を含み、これらは、典型的には、固体の空洞層を包囲する多層誘電膜である。この構造は、光共振器として機能し、空洞の光学的厚さが半波長の整数倍に等しい波長は、この空洞で共振し透過される。反射器の反射帯域の中のそれ以外の波長は、反射される。透過帯域の中心波長に対する条件は、次の数式によって与えられる。ただし、ｍは整数、ｎは空洞層の屈折率、ｄは空洞層の厚さ、ΘＣは空洞層内部での光の角度すなわちΘを空気中での入射角度としてａｒｃｓｉｎ（（ｓｉｎΘ）／ｎ）、λは透過される波長である。
【０００４】
【数１】
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光は０度（通常の入射角）よりも大きな角度でフィルタに衝突するので、通過帯域波長は、より短い波長にシフトする。より大きな屈折率を有する空洞に対してはΘＣはより小さいので、この角度シフトは、空洞層に屈折率がより大きな材料が用いられる場合には、この角度シフトは減少する。これは、固定型のファブリ・ペロ・フィルタでは、一般的である。
【０００５】
波長可変ファブリ・ペロ・フィルタは、干渉フィルタの特別な場合であり、可変のエアギャップが固体の空洞層によって代替されている。エアギャップの幅を調節することにより、共振波長条件が変動し、その結果、可変な通過帯域が生じる。波長可変ファブリ・ペロ・フィルタでは、通過帯域が、光の入射角度に著しく依存する。エアギャップ空洞の屈折率は１．０に等しく、その結果として、可能な限り大きなΘＣの値が得られ、入射角の関数として最大の波長シフトが得られる。
【０００６】
図１ａに示されているように、波長可変ファブリ・ペロ・フィルタの透過スペクトル１０は、入射角が通常の入射角（Θ＝０度）から増加するにつれて、より短い波長にシフトする。図１ｂには、ｆ数の関数としての透過スペクトル１２が示され、その場合、スペクトル特性は、光の合焦された円錐の中のすべての光線にわたって積分することによって、計算される。ｆ数は、合焦レンズ（focusing lens）の焦点距離をそのレンズにおけるビームの直径で除算したものと定義される。ｆ数が小さければ小さいほど、その円錐の中の入射角は大きくなり、従って、波長シフト及びスペクトルの広がりが大きくなる。この場合、フィルタのスペクトルは、より短い波長にシフトして拡がり、ピーク透過は減少し、ｆ数が小さくなることに伴う効果が大きくなる。
【０００７】
図１ｂに示されている透過スペクトルは、中心光線がフィルタ表面に対して垂直となるように光の入射円錐が向いていることを仮定している。実際には、光学システムでは、合焦面におけるイメージ上のそれぞれの点は、それぞれが垂直方向に対していくらかの角度を有する中心光線を有する光の入射円錐によって照射される。イメージにおける中心点だけが、垂直に入射する光の円錐によって照射される。その結果、光学システムの合焦面における光の分布は、実際には、その「傾斜効果（tilt effect）」のためにシステムのｆ数によって生じるものより著しく大きくなる。
【０００８】
イメージング・システムにおいてファブリ・ペロ・フィルタの角度依存性の効果を減少させる技術として、フィルタを合焦レンズの前に配置することがある。そうする際に、フィルタは、対物平面におけるそれぞれの点（イメージ平面における一意的な点に対応する）から生じる平行なコリメート光を用いて照射される。イメージにおけるそれぞれの点は異なる入射角でシステムに（従ってフィルタに）入る光線の結果であるから波長シフトは、依然として観測される。しかし、合焦レンズから生じる追加的なスペクトルの拡大は回避される。この光学的アーキテクチャでは、フィルタ・アパーチャは、光学システムのものと同じ程度に大きくなければならず、それにより、システムのサイズ、重さ、コストが増加する。更に、イメージの各部分を独立に波長チューニング可能なセグメント化されたフィルタ・アレイを用いることも不可能である。
【０００９】
ファブリ・ペロ・フィルタが光学システムの中で用いられる場合には、そのシステムは、典型的には、大きなｆ数を有し光収集能力やブラー・サークルを犠牲にして用いられる角度範囲を最小化するように設計される。「傾斜効果」は、元の焦点面において視野レンズを用いることで著しく低減することが可能であり、テレセントリック・システムを作成できる。イメージにおけるそれぞれの点は、その中心光線が光学システム軸に対して平行である光円錐に変換される。これは、フィルタの角度効果を減少させる効果があるが、入射光線の分布は、依然として、システムのｆ数によって決定される。
【００１０】
波長可変ファブリ・ペロ・フィルタの角度感度効果を減少させるこれらの方法は、共に、イメージング・システムの質を犠牲にする。どちらのアプローチも、フィルタのチューニング可能性を維持したままで波長可変ファブリ・ペロ・フィルタの角度感度を減少させる技術を提示していない。
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、入射角に対する感度がより低く従ってｆ数がより小さく光り収集能力がより大きな光イメージング・システムにおいて用いるのに適した波長可変ファブリ・ペロ・フィルタを提供する。更に、フィルタのアレイをイメージング・システムの焦点面の近傍に配置して、イメージの空間的に選択的な波長のチューニングを可能にする。
【００１２】
これは、空洞（エアギャップ）を、有効屈折率が１よりも大きな（ｎｅｆｆ＞１）区分空洞（区分化された空洞、partitioned cavity）で代替することによって達成される。区分空洞は、可変エアギャップの両側の反射器に形成された１対の区分空洞誘電層を含む。結果的に得られる３層の区分空洞は、フィルタのチューニング・レンジの中の透過波長の半分の整数倍（ｍ）に実質的に等しい有効光学的厚さを有する。反射器は、多層薄膜干渉ミラー、屈折率分布型（graded index）膜、又は薄い金属膜であり得る。区分空洞誘電層は、それぞれが、フィルタのチューニング・レンジの中の最短波長の４分の１よりも小さな光学的厚さを有する。区分空洞誘電層は、一様な組成の薄膜層であるか、又は、屈折率分布型の層であり得る。
【００１３】
ある実施例では、反射器は多層の薄膜干渉ミラー（４分の１波スタック）であり、区分空洞誘電層は一様組成の薄膜層である。フィルタのチューニング・レンジは、多層反射器の反射帯域幅に限定される。
【００１４】
別の実施例では、反射器は通常ルゲート反射器と称される屈折率分布型の膜であり、区分空洞誘電層は一様組成の薄膜層である。４分の１波スタックよりも複雑ではあるが、ルゲート反射器は、帯域外の光学特性に影響しうるより高次の高調波を除去する。
【００１５】
別の実施例では、反射器は薄い金属膜であり、区分空洞誘電層は一様組成の薄膜層である。薄い金属膜は、広範囲の波長で高い反射率を与え、基板への応力はより少なくなる。しかし、金属膜への吸収のために、フィルタのピーク透過は低下する。
【００１６】
更に別の実施例では、多層薄膜又は屈折率分布型の膜反射器に、屈折率分布型の層が形成される。これは、ミラーの残存反射率を、その一次反射帯域の外部で最小化するように機能する。結果的に、フィルタを、第１の波長範囲でチューニング可能な狭い通過帯域応答と、第１の波長範囲でフィルタがチューニングされてもほとんど変化を生じない第２の波長範囲（ミラーの反射率が最小化されている）でより広い通過帯域応答とを有するように、設計することができる。
【００１７】
区分空洞はｍ＞１であるフィルタに対しては角度感度を減少させるが、この設計はｍ＝１である「最低次数」の波長可変ファブリ・ペロ・フィルタのときに、最も有効である。ｍ＝１のときには、エアギャップ（ｎ＝１）に対する区分空洞の中の２つの区分空洞誘電層（ｎ＞１．０）の相対的な体積比率が最大となり、その結果、区分空洞に対して最高の有効屈折率が得られる。これらのフィルタは、光学的寸法が数ｍｍから数ｃｍ程度の単一アパーチャ・コンポーネントであり得るし、また、非常に小型のフィルタ要素又は個別にアドレス指定可能なフィルタ要素のアレイであるＭＥＭ構造でもあり得る。
【００１８】
本発明の更なる特徴及び効果は、当業者にとっては、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読むことにより明らかになるはずである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、入射角に対する感度がより低く、従って、ｆ数がより低いことにより光収集能力がより大きくブラー・サークルがより小さい光イメージング・システムにおいて用いるのに適している波長可変ファブリ・ペロ・フィルタを提供する。
【００２０】
図２に示されているように、波長可変ファブリ・ペロ・フィルタ２０は、エアギャップ２４の周囲に、１対の平面上で平行な反射器２２及び２４と、透明な基板３０及び３２の上に形成され典型的には多層で誘電性の屈折率分布型又は金属膜とを含む。従来型のエアギャップ空洞は、有効屈折率ｎｅｆｆが１より大きな（ｎｅｆｆ＞１．０）区分空洞３６によって代替される。屈折率が大きくなると空洞層の中の光の角度ΘＣが小さくなり、それにより、波長シフトが減少しスペクトルが拡大する。
【００２１】
区分空洞３６は、可変エアギャップ３４の両側の反射器２２及び２４に形成された１対の区分空洞誘電層３８及び４０を含む。区分空洞誘電層は、それぞれが、このフィルタのチューニング・レンジの中の最短波長の４分の１よりも小さな光学的厚さを有する。誘電層は、４分の１波又はそれよりも厚い場合には、反射器の有効な一部となり、不所望の通過帯域を形成する通常でない位相干渉効果を生じさせる。
【００２２】
結果的に得られる３層の区分空洞は、所望の帯域通過波長において半波（halfwave）の整数倍（ｍ）に実質的に等しい有効光学的厚さを有する。金属膜反射器の場合には、光学的厚さは、正確に整数倍である。しかし、誘電膜反射器の場合には、電場定在波が、膜の中へ僅かに延長する可能性がある。フィルタのピーク透過率を最大化するためには、誘電層（反射器層及び区分空洞層）は、エアギャップの両側で対称でなければならない。そうでない場合には、反射の振幅とその位相とがそれぞれの反射器で異なり、フィルタの透過率を低下させる。
【００２３】
反射器を実質的に平行なアライメントに維持する屈曲（flexure）構造を含む圧電、静電又は電磁アクチュエータなどのチューニング機構４２は、空洞の光学的厚さを変動させ、チューニング・レンジの中で透過波長を変化させる。ギャップが小さくなると、区分空洞の誘電層の相対的寄与が増加するために、区分空洞の有効屈折率が増加する。これは、エアギャップが小さくなる際に、フィルタの角度感度を低下させるだけでなく、波長と空洞の厚さとの関係を修正するという効果を有する。チューニング機構は、フィルタのチューニングを行う際に、この非線形性を考慮しなければならない。
【００２４】
図３に示されているように、すべてが誘電性のファブリ・ペロ・フィルタの中心波長５０は、入射角が増加すると、波長の低い方へシフトする。波長シフトの量は、入射角とフィルタ空洞の有効屈折率（ｎｅｆｆ）とに依存する。次の数式を用いると、入射角が１５度までの場合に、コリメート光におけるフィルタのパーセント波長シフトを決定することができる。ただし、Δλ％＝パーセント波長シフト、Ｎｅ＝外部媒体の屈折率、ｎｅｆｆ＝フィルタの有効屈折率、Θ＝入射角である。
【００２５】
【数２】
2007507753.tif 000004
【００２６】
【数３】
2007507753.tif 000005
ファブリ・ペロ・フィルタが収束又は発散光線のような非コリメート光を用いて照射されるときには、スペクトル応答は、すべての入射立体角（incident solid angle）の範囲で応答を積分することによって、得られる。この結果として、スペクトル透過帯域の有効波長シフトと、有効スペクトル拡大と、ピーク透過率の低下が得られる。
【００２７】
図１ａ及び１ｂは、異なる入射角のコリメート光線について計算され（図１ａ）、光線の収束する円錐の範囲で又は異なるｆ数の範囲で積分された（図１ｂ）従来型のエアギャップ型ファブリ・ペロ・フィルタのスペクトル透過応答を示している。比較のために、図４ａ及び４ｂでは、本発明による区分空洞フィルタの場合の、与えられた入射角又はｆ数に関する波長シフト６０が示されている。図４ａと図１ａとを比較すると、ｎｅｆｆがほぼ２．５に等しい区分空洞を有するフィルタの場合の波長シフトは、ｎｅｆｆが１である従来型のエアギャップ・フィルタの波長シフトよりも著しく小さい。
【００２８】
区分空洞はｍが１よりも大きなフィルタについては角度感度を低下させるが、ｍが１である「最低次数の」波長可変ファブリ・ペロ・フィルタの場合に、この設計は最も有効である。ｍが１のときに、エアギャップ（ｎ＝１）に対する区分空洞の中の２つの区分空洞誘電層（ｎ＞１．０）の相対的な体積比が最大になり、その結果、区分空洞に対する有効屈折率が最大になる。商業的に意味のあるフィルタや波長では（約０．４から１２．０ミクロン）、通常のエアギャップは非常に小さく、１．０μｍ未満から数μｍの範囲である。
【００２９】
区分空洞の原理は、ミリメートル及びマイクロ波の波長であるより長い赤外波長（λ＞１２．０μｍ）のファブリ・ペロ・フィルタでも用いることができる。これらのフィルタは、単一アパーチャ・コンポーネントであって、光学的寸法が数ｍｍから数ｃｍであるか、あるいは、非常に小さな個別のフィルタ要素又は独立にアドレス指定されるフィルタ要素であるＭＥＭ構造であり得る。
【００３０】
応用例とフィルタの仕様とに依存して、区分空洞を形成する反射器及び誘電層は、多くの異なった方法で構築することができる。既に述べたように、反射器は、例えば４分の１波スタックなどの多層薄膜インターフェース・ミラーや、例えばルゲート反射器などの屈折率分布型の膜や、薄い金属膜などを用いて形成することができる。更に、区分空洞の誘電層は、一様な組成であったり段階的に変化する組成であったりする。
【００３１】
第１の場合には、一様な組成を有する区分空洞誘電層が、図５に図解されているタイプの４分の１波スタックの上に形成される。このスタックには、高低の屈折率を有する交代する層７２及び７４が含まれ、それぞれの層は、典型的にはチューニング・レンジの中の中心波長を基準とする４分の１波の光学的厚さと一様な組成とを有する。これにより、ほぼ厚さに対する交代ステップである屈折率プロファイル７６が得られる。スタックは、限定された波長範囲で高い屈折率を生じさせる。低高の屈折率の間での屈折率の差が大きいほど、この範囲が広くなる。層の対の数が増加すると、スタックの屈折率が大きくなり、反射帯域のエッジが急峻になる。この構成の利点は、屈折率が高く、従来型の多層光薄膜処理方法を用いた製造が比較的容易な点である。
【００３２】
第２の場合には、一様な組成を有する区分空洞誘電層が、図６に図解されているタイプの屈折率分布型の膜８０（ルゲート反射器）の上に形成される。ルゲート反射器は、高低の屈折率を有する交代領域８２及び８４を含み厚さと共に屈折率が連続的に変動するコーティングである。最も純粋な形態では、ルゲート反射器は、２つの異なる材料を同時に積層して相対的な積層速度を変動させることによって形成される。結果的に得られる膜は、組成が混合した層で構成され、厚さと共に組成が変動する。別の製造方法では、屈折率分布型のプロファイルは、交代する材料の非常に薄い離散的な層を積層することによって、達成することができる。経験則によると、最も厚い層が関心対象である最短波長の１０分の１よりも薄い場合には、コーティングは光学的には連続的に分布する組成を有する外観を呈するので、これら複数の層は、あたかも連続しているような振る舞いをする。
【００３３】
ルゲート反射器は、厚さに対してほぼ正弦波である屈折率プロファイル８６を有する。正弦波の周期は、同様の４分の１波における単一のＨＬ対の光学的厚さと等しい。４分の１波の場合のように、結果的な反射帯域の幅は、高低の屈折率の差に比例する。４分の１波とは異なり、正弦波ルゲート反射器は、チューニング・レンジの外側にあるより短い波長において希望している光学的効果との干渉を生じさせる奇妙な反射高調波を示すことはない。しかし、ルゲート反射器は、製造がより困難であり、製造コストも多く必要である。
【００３４】
第３の場合には、一様な組成を有する区分空洞誘電層が、銀などの薄い金属膜の上に形成される。この場合には、ミラーの反射率は、多層の干渉効果ではなく、材料の反射率に依存する。これらの膜は、多層誘電膜よりもはるかに薄いので、基板にかかる応力がはるかに小さくなる。しかし、金属膜の吸収は著しく、理論的なフィルタ透過率を、１００％よりもかなり下まで低下させる。
【００３５】
第４の場合には、フィルタは、図７に図解されているように、ある１つの波長帯域９０における狭帯域波長チューニングを提供し、他方では、別の波長帯域９２では広帯域の透過を提供するように設計することができる。第１に、多層又はルゲート薄膜ミラーの反射帯域のスペクトル幅は、制限されている。狭いファブリ・ペロ通過帯域特性が、反射率が高い波長で得られる。コーティングの反射率が低い場合には、フィルタの有効通過帯域はきわめて広くなる。反射帯域の外でミラー・コーティングがゼロの反射率を有する限度では、フィルタは、透明な窓のように光る外観を呈し、光学的共振は存在せず、透過特性はフィルタ・エアギャップの間隔とは全く独立である。ルゲート・フィルタは、短い波長の反射高調波を回避するように設計できるという点では、多層反射器よりも優れている。
【００３６】
この２重の性能を可能にする他の特徴として、区分空洞層として屈折率分布型の反射抑制層を用いることがある。屈折率分布型の反射抑制コーティング層では、屈折率が、高い値（反射器に隣接する）から低い値（エアギャップに隣接する）まで段階的に変化する。このような膜は、フィルタの一次チューニング帯域の外部で広帯域の領域を生じさせるのに有用である。
【００３７】
このような特徴を示すフィルタ設計の例として、長い波長の赤外（ＬＷＩＲ、通常、８−１２ミクロン）帯域で狭帯域のチューニングを可能にしながら中間の波長の赤外（ＭＷＩＲ、通常、３−５ミクロン）帯域で広帯域の透過を可能にするものがある。３−５ミクロンの帯域でミラーの反射率が十分に低い（＜１０％）の場合には、ＬＷＩＲでのチューニングの結果として、ＭＷＩＲのスペクトル透過への影響はほとんど存在しない。
【００３８】
従来型の区分空洞層は、例えば３−５帯域のチューニング帯域の外部での特定の波長での反射率を実際に上昇させることができ、広帯域透過に影響を与えうる。屈折率分布型の反射抑制コーティング層では、屈折率が、高い値（ミラーに隣接する）から低い値（エアギャップに隣接する）まで段階的に変化する。これにより、チューニング帯域においては区分空洞層として依然として作用しながら、より短い波長ではその層の効果を効果的に最小化する。もちろん、単一の高屈折率層ほどには視野を向上させるという点について効果的ではないが、これはシステムとしての妥協である。
【００３９】
反射器の設計及び屈折率分布型の区分空洞層の設計を修正することにより、一次フィルタチューニング・レンジよりも長い波長における広帯域の透過応答を達成することも可能である。
【００４０】
図８は、光学的イメージング・システム１０２の中に配置された本発明による区分空洞ファブリ・ペロ・フィルタを示している。フィルタ又はフィルタのアレイは、イメージング・システムのイメージ面に配置され、検出器アレイ１０８の前方にある対物レンズ１０４とコールド・ストップ１０６とによって画定されている。フィルタは、対物面１１２からの対物レンズ１０４を通過した収束光によって照射される。示されているように、視野レンズ１１２がフィルタの前に配置され、すべての主光線をコリメートし、フィルタに入射する全体の角度範囲を減少させる。あるいは、視野レンズを削除することにより、イメージにおける異なる点に対応するそれぞれの光線束に対する中心又は主光線が、異なる角度でフィルタに衝突するようにする。このシステム構成において区分空洞フィルタを用いることにより、従来型のエアギャップ点ファブリ・ペロ波長可変フィルタを用いた場合よりも、はるかに小さなｆ数を用いたイメージング・システムが可能になる。
【００４１】
以上では本発明の複数の実施例を示し説明をしたが、この技術分野の当業者であれば、多数の変更や別の実施例を想到することができる。そのような変更や別の実施例は、冒頭の特許請求の範囲によって画定される発明の精神及び範囲から逸脱することなく想到し実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１ａ】図１ａは、上述したように、異なる入射角（Θ）とｆ数とのλに対する透過スペクトルのプロットである。
【図１ｂ】図１ａは、上述したように、異なる入射角（Θ）とｆ数とのλに対する透過スペクトルのプロットである。
【図２】本発明による区分空洞波長可変ファブリ・ペロ・フィルタの断面図である。
【図３】区分空洞の異なる有効屈折率に対するファブリ・ペロ・フィルタの概算的なパーセンテージ波長シフトのプロットである。
【図４ａ】図４ａは、区分空洞ファブリ・ペロ・フィルタにおける波長に対する透過率のプロットであり、異なる入射角（Θ）とｆ数とに対する波長シフトとスペクトルの拡大とを図解している。
【図４ｂ】図４ｂは、区分空洞ファブリ・ペロ・フィルタにおける波長に対する透過率のプロットであり、異なる入射角（Θ）とｆ数とに対する波長シフトとスペクトルの拡大とを図解している。
【図５】多層薄膜層で構成された反射器の図解である。
【図６】屈折率分布型のルゲート膜で構成された反射器の図解である。
【図７】多層又はルゲート反射器を含み屈折率分布型の区分空洞層と組み合わされた区分空洞フィルタに対する光スペクトルのプロットである。
【図８】本発明による波長可変ファブリ・ペロ・フィルタがイメージング・システムの中に配置されている様子の概観である。
【図１ａ】
2007507753.tif 000006
【図１ｂ】
2007507753.tif 000007
【図２】
2007507753.tif 000008
【図３】
2007507753.tif 000009
【図４ａ】
2007507753.tif 000010
【図４ｂ】
2007507753.tif 000011
【図５】
2007507753.tif 000012
【図６】
2007507753.tif 000013
【図７】
2007507753.tif 000014
【図８】
2007507753.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月30日(2006.5.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２のより広い帯域の範囲でチューニング可能である帯域通過波長の中心にある第１の波長帯域にある光を透過させる波長可変光フィルタであって、
実質的に平行なアライメントに維持され可変エアギャップ（３４）によって分離されている第１及び第２の反射器（２２、２４）と、
前記第１の反射器の上の第１の誘電層（３８）と前記可変エアギャップと前記第２の反射器の上の第２の誘電層（４０）とを含む区分空洞であって、前記帯域通過波長の半分の整数倍と実質的に等しい有効な光学的厚さを有し、１よりも大きな有効な屈折率を有し、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記第２のより広い帯域の中の最短の波長の４分の１よりも小さな光学的厚さを有する、区分空洞（３６）と、
前記反射器の少なくとも一方を移動させて、前記エアギャップを変動させ前記帯域通過波長をチューニングするチューニング機構（４２）と、
を備えていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の反射器は、それぞれが、前記第２のより広い帯域の中の基準波長の４分の１に等しい光学的厚さをそれぞれが有する高低の屈折率が交代する複数の層（７２、７４）を含む１／４波長スタック（７０）を含むことを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項３】
請求項２記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記１／４波長スタックにおける高屈折率層と同じ材料で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項４】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の反射器は、それぞれが、金属膜で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項５】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の反射器は、それぞれが、連続的に変調された屈折率を有する屈折率分布型ルゲート反射器（８０）で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項６】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は光学的厚さが同一であることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項７】
請求項６記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、その厚さ全体で一定の屈折率を有する単一の材料で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項８】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第１及び第２の誘電層は、それぞれが、前記エアギャップに近い低い値から前記反射器に近い高い値まで単調に変動する屈折率を有する屈折率分布型の層で構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項９】
請求項８記載の波長可変光フィルタにおいて、前記第２のより広い帯域の外部にある固定帯域幅の中の波長の光を透過させることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１０】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記区分空洞は、前記帯域通過波長の半分に等しい有効な光学的厚さを有することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１１】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記可変エアギャップは前記帯域通過波長の半分よりも小さな光学的厚さを有し、前記区分空洞は１よりも大きな有効屈折率を有することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１２】
請求項１記載の波長可変光フィルタにおいて、前記チューニング機構は、圧電アクチュエータと静電アクチュエータと電磁アクチュエータとの中の１つで構成されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【国際調査報告】
2007507753.tif 000016
2007507753.tif 000017
2007507753.tif 000018