(57)【要約】【課題】反射膜どうしのオプティカルコンタクトを回避しつつ、反射膜どうしを十分に近接させて所望の分光特性を得る。【解決手段】間隔をあけて対向する一対の光学基板２，３と、該光学基板２，３の対向面にそれぞれ配置され、互いに対向する２つの反射膜５と、該反射膜５が配置された側にそれぞれ配置され、当該光学基板２，３の間隔を検出する間隔センサを構成する互いに対向する２つのセンサ電極６と、前記光学基板２，３を相対的に移動させ、当該光学基板２，３間の間隔を変化させるアクチュエータ４とを有し、前記２つの反射膜５の対向する表面間の距離が前記２つのセンサ電極６の対向する表面の間の距離より大きい可変分光素子１を提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔をあけて対向する一対の光学基板と、
該光学基板の対向面にそれぞれ配置され、互いに対向する２つの反射膜と、
該反射膜が配置された側にそれぞれ配置され、当該光学基板の間隔を検出する間隔センサを構成する互いに対向する２つのセンサ電極と、
前記光学基板を相対的に移動させ、当該光学基板間の間隔を変化させるアクチュエータとを有し、
前記２つの反射膜の対向する表面間の距離（ｄ１）が前記２つのセンサ電極の対向する表面の間の距離（ｄ２）より大きい可変分光素子。
【請求項２】
前記センサ電極の前記間隔側の表面が、前記反射膜の前記間隔側の表面より、当該反射膜が設けられた前記光学基板の表面に対して遠い位置に配置されている請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項３】
以下の条件式 （１）を満足する請求項１に記載の可変分光素子。
ｄ１ − ｄ２ ≦ λ０／２        （１）
ここで、λ０は、前記光学基板間の間隔に対応して前記光学基板間を透過する光の波長である。
【請求項４】
前記センサ電極が、その間隔側の表面にさらに保護膜を備え、
該保護膜の表面が、前記反射膜の表面より、当該反射膜が設けられた前記光学基板の表面に対して遠い位置に配置されている請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項５】
前記間隔センサが、前記２つのセンサ電極間に形成される静電容量を利用して前記光学基板間の間隔を検出する容量センサである請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項６】
前記センサ電極が、前記反射膜に対し相対的に外側に配置されている請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項７】
前記アクチュエータが、周方向に間隔をあけて複数設けられ、
各アクチュエータが独立して駆動制御される請求項１に記載の可変分光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変分光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２枚の平板状の光学基板の面間隔を変更して透過する光の波長を変化させるファブリペロー型の可変分光素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この可変分光素子は、各光学基板の対向面に反射膜および容量センサ電極を備え、該容量センサ電極間の静電容量値により光学基板間の間隔寸法を検出し、アクチュエータの駆動電圧を制御することで、面間隔を微調節することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７７７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなファブリペロー型の可変分光素子は、光の干渉作用により、式（１）で示すように１対の反射膜の面間隔ｄと共振する波長λにおいて周期的に透過スペクトルピークを選択的に得られる。
２ｎｄｃｏｓθ＝ｍλ  …  （１）
但し、ｎ：１対の反射膜の面間隔ｄの媒質の屈折率
ｄ：１対の反射膜の面間隔
λ： 波長
θ：反射膜への入射角度
ｍ：次数（整数）
また、このときのフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）は式（２）で表される。
ＦＳＲ＝λ２／２ｎｄ  …  （２）
【０００５】
このため、このようなファブリペロー型の可変分光素子を可視領域で用いる場合には、フリースペクトルレンジを確保するため、反射膜どうしの間隔が数μｍ以下の範囲で調節されることが望ましい。
しかし、この反射膜どうしの間隔が極めて小さいと、組立時や作動中に高精度の平滑性を有する反射膜どうしが接触して接着状態となる、いわゆる、オプティカルコンタクトが発生する不都合があり、これを回避するため光学基板の反射膜どうしの間隔を十分に近接させることができないという不都合がある。
また、高い平行度が達成できた場合においても、光学基板の反射膜以外の部分に塵埃が付着したり傷による隆起が形成されたりした場合には、やはりそれらが障害となって中央近傍の反射膜どうしの間隔を十分に近接させることができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、反射膜どうしのオプティカルコンタクトの発生を回避しつつ、反射膜どうしを十分に近接させて所望の分光特性を得ることができる可変分光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、間隔をあけて対向する一対の光学基板と、該光学基板の対向面にそれぞれ配置され、互いに対向する２つの反射膜と、該反射膜が配置された側にそれぞれ配置され、当該光学基板の間隔を検出する間隔センサを構成する互いに対向する２つのセンサ電極と、前記光学基板を相対的に移動させ、当該光学基板間の間隔を変化させるアクチュエータとを有し、前記２つの反射膜の対向する表面間の距離（ｄ１）が前記２つのセンサ電極の対向する表面の間の距離（ｄ２）より大きい可変分光素子を提供する。
【０００８】
上記発明においては、前記センサ電極の前記間隔側の表面が、前記反射膜の前記間隔側の表面より、当該反射膜が設けられた前記光学基板の表面に対して遠い位置に配置されていることとしてもよい。
【０００９】
また、上記発明においては、以下の条件式 （１）を満足することとしてもよい。
ｄ１ − ｄ２ ≦
λ０／２        （１）
ここで、λ０は、前記光学基板間の間隔に対応して前記光学基板間を透過する光の波長である。
特に、バイオ・医薬品等の研究分野で使用されている蛍光タンパクや蛍光薬剤や自家蛍光等の分光装置として用いる場合には、可視領域でフリースペクトルレンジを少なくとも数１０ｎｍ以上に確保するために、前記アクチュエータにより反射膜の表面どうしの間隔寸法が２μｍ以下となる範囲で前記光学基板間の間隔を変化させることが好ましい。
【００１０】
また、上記発明においては、前記センサ電極が、その間隔側の表面にさらに保護膜を備え、前記反射膜の表面が、前記保護膜の表面より、当該反射膜が設けられた前記光学基板の表面に対して遠い位置に配置されていることとしてもよい。
【００１１】
また、上記発明においては、前記間隔センサが、前記２つのセンサ電極間に形成される静電容量を利用して前記光学基板間の間隔を検出する容量センサであることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記センサ電極が、前記反射膜に対し相対的に外側に配置されていることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記アクチュエータが、周方向に間隔をあけて複数設けられ、各アクチュエータが独立して駆動制御されることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、反射膜どうしのオプティカルコンタクトを回避しつつ、反射膜どうしを十分に近接させて所望の分光特性を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態に係る可変分光素子１について、図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態に係る可変分光素子１は、図１に示されるように、間隔をあけて配置される２枚の円板状の光学基板２，３と、これら２枚の光学基板２，３の間隔寸法を調節するよう駆動されるピエゾ素子のようなアクチュエータ４とを備えている。
【００１４】
各光学基板２，３の対向面は、図２に示されるように、それぞれ高い平面度で平坦に形成されるとともに、その中央近傍の光学有効径Ａを含む全面にわたって円形の誘電体多層膜からなる反射膜５が設けられている。また、該反射膜５の間隔側の面の外周部には、周方向に間隔をあけて複数（例えば、４対）の容量センサ電極６が設けられている。各光学基板２，３に設けられた容量センサ電極６は、相互に対向する位置に設けられた金属膜により構成されている。これにより、両容量センサ電極６間に形成される平行平板コンデンサの静電容量を利用して、光学基板２，３間の間隔寸法を検出することができるようになっている。図中、符号７，８は、これら光学基板２，３およびアクチュエータを支持する支持部材である。
【００１５】
アクチュエータ４は、図２に示されるように、例えば、前記容量センサ電極６に対応して、周方向に間隔をあけて４カ所に設けられている。各アクチュエータ４は、加える電圧を変化させることにより独立して伸縮させられて、光学基板２，３の間隔寸法および傾斜角度を変化させるようになっている。この際に、容量センサ電極６により検出した信号に基づいて、アクチュエータ４に加える電圧のフィードバック制御を行うことで、光学基板２，３の間隔寸法および傾斜角度を精度よく調節することができるようになっている。
【００１６】
本実施形態に係る可変分光素子１においては、図３に示されるように、各光学基板２，３に設けられた反射膜５の対向面上に、容量センサ電極６が設けられている。例えば、反射膜５は約８００ｎｍ、容量センサ電極６は約５０ｎｍの厚さ寸法を有している。これにより、容量センサ電極６の表面は反射膜５の表面よりも一段高い位置に配置され、両者間に容量センサ電極６の厚さ寸法分の段差Ｓが形成されるように構成されている。つまり、容量センサ電極６の表面は、その反射膜５が設けられた側の光学基板の表面に対して反射膜５の表面より遠い位置に配置され、対向する反射膜の表面間の距離ｄ１はセンサ電極の表面間の距離ｄ２より容量センサ電極６の２枚分の厚さ寸法だけ大きく設定されている。
【００１７】
容量センサ電極６の厚さ寸法、すなわち、反射膜５と容量センサ電極６との間に形成される段差Sは、光学基板２，３間の間隔に対応して光学基板２，３間を透過する光の波長λ０の半分以下に設定される。つまり、対向する反射膜の表面間の距離ｄ１の最小値が、可変分光素子１の使用時に光学基板２，３間を透過する光の波長λ０以下になるように構成されている。
したがって、以下の条件式 （１）を満足する。
ｄ１ − ｄ２ ≦ λ０／２            （１）
【００１８】
このように構成された本実施形態に係る可変分光素子１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る可変分光素子１によれば、反射膜５および容量センサ電極６を対向させて、２枚の光学基板２，３が隙間をあけて対向配置されるように組み立てられるので、センサ電極６間に形成された静電容量値により光学基板２，３間の間隔寸法を検出でき、検出された間隔寸法に基づいてアクチュエータ４を制御することにより、２枚の光学基板２，３を平行状態に維持しながら、精度よく間隔寸法を調節することができる。
【００１９】
このようなファブリペロー型の可変分光素子を可視領域で用いる場合において、特に、バイオ・医薬品等の研究分野で使用されている蛍光タンパクや蛍光薬剤や自家蛍光等の分光装置として用いる場合には、フリースペクトルレンジを少なくとも数１０ｎｍ以上に確保する必要がある。したがって、可変分光素子１においては、アクチュエータにより反射膜の表面どうしの間隔寸法が２μｍ以下となる範囲で前記光学基板間の間隔を変化させることが望ましい。
【００２０】
この場合において、本実施形態に係る可変分光素子１によれば、光学基板２，３の対向面に設けられた反射膜５の間隔側の面上に容量センサ電極６が設けられ、容量センサ電極６の表面が反射膜５の表面よりも一段高い位置に配置されている。そのため、容量センサ電極６がストッパのような役割を果たすこととなり、組立時や作動時に反射膜５どうしの間隔寸法が数μｍ以下となるように対向する光学基板２，３を近づける場合であっても、容量センサ電極６どうしが反射膜５よりも先に突き当てられることとなる。
【００２１】
すなわち、反射膜５どうしの間隔寸法が容量センサ電極６どうしの間隔寸法よりも大きいことから、容量センサ電極５どうしが接触しても、反射膜５どうしが接触してオプティカルコンタクトが発生することがない。
これにより、前記光学基板２，３間の間隔を、対向する反射膜５の表面どうしの間隔寸法の最小値を１００ｎｍまで変化させることが可能となる。そして、反射膜５どうしのオプティカルコンタクトを考慮することなく反射膜５どうしを十分に近接させることができ、組立作業および面間隔の調整を容易にすることができる。
【００２２】
さらに、可変分光素子１の組立時において、反射膜どうしの接触を回避しつつ容量センサ電極６どうしを突き当てることができる。したがって、可変分光素子１の使用時に所望の波長帯域の光を得るために必要とされる反射膜５どうしの面間隔以下の面間隔を容易に設定することができる。
【００２３】
また、組立時に対向する容量センサ電極６どうしを突き当てることにより、３０秒以下等の高い平行度を得ることができる。これにより、組立後に行われる光学基板２，３間の平行度（チルト）の調整も最小限に抑えることができ、アクチュエータ４の動作範囲を節約することができる。
したがって、組立時における反射膜間５の面間隔の調整が不要であるとともに、高い平行度で光学基板２，３を組み付ける必要がないので、組立作業を容易にすることができるとともに、アクチュエータ４自体を小型化でき、可変分光素子１の小型化を実現できる。また、製造が容易となることから工数を節約して安価に可変分光素子１を提供できる。
【００２４】
また、本実施形態に係る可変分光素子１によれば、組立時に高い平行度で光学基板２，３を組み付けなくても、組立後に各対の容量センサ電極６からの信号をもとにアクチュエータ４への駆動信号のフィードバック制御を実施することで、光学基板２，３どうしの傾斜を補正して、高精度の平行度を容易に得ることができる。
【００２５】
また、可変分光素子１の作動時においては、組立時に対向する容量センサ電極６どうしを突き当てた際に得られる静電容量値により検出された光学基板２，３間の最小間隔寸法を基に、アクチュエータ４の駆動電圧を制御することで、容量センサ電極６の表面どうしを再度突き当てることなく、安定して反射膜５どうしが十分に近接する位置まで面間隔を微調節することができる。
これにより、前記光学基板２，３間の間隔を、対向する反射膜５の表面どうしの間隔寸法の最小値を１００ｎｍまで変化させることが可能となる。その結果、反射膜５の間隔寸法が、所望の波長の光のちょうど半波長分（例えば、λ＝４００ｎｍ前後であれば間隔寸法は２００ｎｍ前後）になるように光学基板２，３どうしを近接させることができ、その波長の光のみを選択的に透過させることができる。
【００２６】
また、可変分光素子１の作動時に容量センサ電極６どうしを接触させずに済むので、容量センサ電極６の損傷を防止できる。その結果、容量センサ電極６に塵埃が付着したり、容量センサ電極６に傷による隆起が形成されたりして、反射膜５どうしの近接が妨げられることがない。
【００２７】
また、反射膜と容量センサ電極は光学基板面上にマスキングをしてコーティングにより製作するが、本実施形態では反射膜の上面に容量センサ電極を配置することで、製造工程を簡易化でき、分光素子の原価低減を図ることができる。通常、装置の小型化を図るため、分光に用いる光束（有効光束）に対して反射面の成膜面積には余裕が小さく、このため光束がけられないように、光学基板と反射面との同芯度、及び反射面の径に対して製造上の公差を厳しくする必要がある。
本実施形態の構成では、光学基板に対して反射膜は光学面の全面に成膜することで、装置を小型化したまま、有効光束がけられることなく、マスキングの内径公差や、光学基板とマスキングとの同軸度公差を大きくすることができ、これによりマスクの製造コスト低減、分光素子の組立調整費低減、歩留まりの向上を図ることができる。
【００２８】
なお、本実施形態に係る可変分光素子１においては、容量センサ電極６の表面を反射膜５の表面より一段高い位置に配置することとしたが、容量センサ電極６の干渉による損傷をより確実に防止するために、図４に示されるように、容量センサ電極６の表面に、例えば、ＳｉＯ２等からなる保護膜９を設け、保護膜９の表面が反射膜５の表面より高い位置に配されるように構成してもよい。
また、図５に示されるように、光学基板２，３の対向面に段差Ｔを設けて、容量センサ電極６の表面と反射膜５の表面との間に、その光学基板に設けられた段差Ｔの高さ寸法および容量センサ電極６の厚さ寸法分の段差Ｓを形成することにしてもよい。
【００２９】
また、本実施形態に係る可変分光素子１においては、各光学基板２，３の対向面の全面にわたって反射膜５を設けることとしたが、これに代えて、図６に示すように、各光学基板２，３の対向面上の中央近傍の光学有効径Ａを含む範囲に円形の反射膜５を設け、光学基板２，３の対向面上の反射膜５の半径方向外方に容量センサ電極６を設けることにしてもよい。
【００３０】
このようにすることで、第１の実施形態よりも反射膜の面積を小さくでき、光学基板２，３に加わる反射膜による応力を小さくでき、これにより光学基板及び反射膜の平坦度（面精度）を高くすることができる。ファブリペロー型の可変分光素子では、反射面の平坦度（面精度）が高いほどスペクトルピークを高くできるため、第２の実施形態の構成にすることにより、よりスペクトルピークを高くすることができる。
【００３１】
この場合には、図７に示されるように、反射膜５の厚さ寸法より大きな厚さ寸法を有する容量センサ電極６を光学基板２，３の外周側に配置することにより、両者の厚さ寸法の差分だけ容量センサ電極６の表面と反射膜５の表面との間に段差Ｓを形成することができる。このように容量センサ電極６の表面が反射膜５の表面より高い位置に配されるように構成しておくことで、上記と同様の効果を奏することができる。また、第１の実施形態よりも反射膜の面積を小さくでき、光学基板２，３に加わる反射膜による応力を小さくできる。
【００３２】
また、図８に示されるように、ほぼ等しい厚さ寸法の反射膜５および容量センサ電極６を光学基板２，３の外周側に配置し、その容量センサ電極６の表面に保護膜９を設けて、保護膜９の表面と反射膜５の表面との間に保護膜９の厚さ寸法分の段差Ｓを形成することにしてもよい。容量センサ電極６と反射膜５とを同一材料により構成する場合には、これらを同時に成膜することができ、製造工程を簡略化することができる。
【００３３】
また、図９に示されるように、光学基板２，３の対向面に段差Ｔを設け、ほぼ等しい厚さ寸法の反射膜５および容量センサ電極６をそれぞれ高さの異なる光学基板２，３の表面に配置して、その光学基板に設けられた段差Ｔの高さ寸法分の段差Ｓを形成することにしてもよい。この場合においても、容量センサ電極６と反射膜５とを同一材料により構成する場合には、これらを同時に成膜することができ、製造工程を簡略化することができる。
【００３４】
なお、容量センサ電極６への配線の接続方法については、図１０に示されるように、光学基板２，３の中央部のみに反射膜５を形成し、容量センサ電極６に接続する配線パターン１０を反射膜５の半径方向外方まで引き延ばすことにより反射膜５の厚さ分だけ光学基板２，３側に後退させ、その配線パターン１０に配線１１を、例えば、ワイヤボンディングにより接続することにすればよい。これにより、配線１１の接続部におけるスペースを確保し、配線１１どうしの干渉を回避することができる。
また、図１１に示されるように、容量センサ電極６に接続する配線パターン１０を光学基板２，３の側面まで引き延ばし、配線１１を光学基板２，３の対向面から外れた位置で接続することにしてもよい。
【００３５】
また、容量センサ電極６に配線１１を接続する方式としては、例えば、図１０および図１１に示されるように、ワイヤーボンディングにより電気的に接続する方式の他、図１２に示されるように、フレキシブル基板１２により電気的に接続する方式を採用することもできる。
【００３６】
以上記述した実施の形態においては、光学基板２，３の間隔を検出するためのセンサとして、両光学基板２，３上に形成された容量センサ電極６間の静電容量を利用していたが、本発明に係る可変分光素子１はこれに限定されるものではない。たとえば、光学基板２，３の表面上に形成されたそれぞれの電極間における磁気的な相互誘導を利用する、渦電流型のセンサなどを採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る可変分光素子を示す縦断面図である。
【図２】図１の可変分光素子に設けられた光学基板の平面図である。
【図３】図１の可変分光素子に設けられた光学基板を示す縦断面図である。
【図４】図１の可変分光素子の第１の変形例における光学基板を示す縦断面図である。
【図５】図１の可変分光素子の第２の変形例における光学基板を示す縦断面図である。
【図６】図１の可変分光素子の第３の変形例における光学基板を示す平面図である。
【図７】図１の可変分光素子の第４の変形例における光学基板を示す縦断面図である。
【図８】図１の可変分光素子の第５の変形例における光学基板を示す縦断面図である。
【図９】図１の可変分光素子の第６の変形例における光学基板を示す縦断面図である。
【図１０】図１の可変分光素子の第７の変形例であって容量センサ電極へ接続される配線の一例を示す縦断面図である。
【図１１】図１の可変分光素子の第８の変形例であって容量センサ電極へ接続される配線の一例を示す縦断面図である。
【図１２】図１の可変分光素子の第９の変形例であって容量センサ電極へ接続される配線の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  可変分光素子
２，３  光学基板
４  アクチュエータ
５  反射膜
６  容量センサ電極
９  保護膜
【図１】
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【図２】
2008197362.tif 000004
【図３】
2008197362.tif 000005
【図４】
2008197362.tif 000006
【図５】
2008197362.tif 000007
【図６】
2008197362.tif 000008
【図７】
2008197362.tif 000009
【図８】
2008197362.tif 000010
【図９】
2008197362.tif 000011
【図１０】
2008197362.tif 000012
【図１１】
2008197362.tif 000013
【図１２】
2008197362.tif 000014