(57)【要約】【課題】紫外域〜青色の短波長域を含む広波長域で十分な位相変調量及び高い透過率を有し、透過波長の可変制御をより簡単かつ高精度に行うことができる波長可変フィルタを提供する。【解決手段】波長可変フィルタ３１は、複数の偏光子３２ａ〜３２ｄの間に位相子３３ａ〜３３ｃとＰＥＭ素子３４ａ〜３４ｃとが光軸に沿って透過順に配置されている。ＰＥＭ素子は、石英からなる光変調部３５ａ〜３５ｃとその一端に接着された水晶振動子３６ａ〜３６ｃとを有する。電源３７ａ〜３７ｃを制御して各水晶振動子を所定の周波数で励振すると、ＰＥＭ素子の屈折率が周期的に変化して透過光の位相差が所定の周波数で変化する。これにより、波長可変フィルタの透過波長を所望の波長範囲で周期的に変化させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の偏光子と、前記偏光子の間に配置した光弾性偏光（ＰＥＭ）素子とを有することを特徴とする波長可変フィルタ。
【請求項２】
前記偏光子の間に位相子と前記ＰＥＭ素子とを配置したことを特徴とする請求項１に記載の波長可変フィルタ。
【請求項３】
１組の前記位相子及び前記ＰＥＭ素子とそれらを挟む２つの前記偏光子とを１ブロックとして、ｎ個（ｎ：２以上の整数）の前記ブロックを光路に沿って第１ブロックから第ｎブロックまで配置したことを特徴とする請求項２に記載の波長可変フィルタ。
【請求項４】
前記各ＰＥＭ素子の光を透過させる光変調部の厚さが、前記第１ブロックの前記ＰＥＭ素子の前記光変調部の厚さをｈとして、２ｉ−１ｈ（ｉ＝１〜ｎ）であることを特徴とする請求項３に記載の波長可変フィルタ。
【請求項５】
前記各ＰＥＭ素子の光を透過させる光変調部の厚さが、前記第１ブロックの前記ＰＥＭ素子の前記光変調部の厚さをｈとして、第（ｎ−１）ブロックまでは２ｉ−１ｈ（ｉ＝１〜ｎ−１）であり、かつ第ｎブロックは１．５ｈであることを特徴とする請求項３に記載の波長可変フィルタ。
【請求項６】
前記各ＰＥＭ素子がそれぞれ別個の電源に接続されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の波長可変フィルタ。
【請求項７】
前記各ＰＥＭ素子が共通の電源に接続されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の波長可変フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過する光の波長及び／又は波長範囲を制御するための波長可変フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、所望の波長領域の光を透過するために様々なバンドパスフィルタが使用されている。例えば、複屈折板を用いて狭帯域の光のみを透過させるバンドパスフィルタとしてリオフィルタが知られている（例えば、特許文献１を参照）。図１２は、リオフィルタの基本的構成を示している。同図に示すように、リオフィルタ１は、透過軸の平行な２枚の偏光子２ａ〜２ｄの間にそれぞれ位相子として複屈折板３ａ〜３ｃが、その結晶光学軸３ａ１〜３ｃ１と透過軸２ａ１〜２ｄ１とが４５°をなすように配置される。複屈折板には、方解石や水晶等の一軸性結晶が用いられる。
【０００３】
複屈折板３ａ〜３ｃは、厚さｄｉ（ｉ＝１〜３）が、最初の前記複屈折板の厚さをｄとして、２ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜３）となるように構成される。それらを透過するスペクトルＴは、最初の偏光子２ａを透過する光強度を１とし、Δｎ：複屈折率、ｋ：複屈折板の数としたとき、次式で表される。
【数１】
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ここで、光学位相差ｄΔｎ＝λ０ で規格化すると、複屈折板３ａ〜３ｃの透過スペクトルのピークは、波長λ＝∽，λ０，λ０／２，λ０／３で重なる。従って、リオフィルタ１は、図１３のように、特定波長λ０ のところで透過率１の鋭いピークが得られる透過率特性を示す（例えば、特許文献２，３を参照）。
【０００４】
上記リオフィルタは、使用する複屈折板によって透過スペクトルが特定の波長に固定される。そこで、２枚の偏光子の間に液晶セルを挟んだ波長可変型オプティカル・バンドパスフィルタが知られている（例えば、特許文献１，３を参照）。図１４に示すように、このバンドパスフィルタ１１は、偏光子１２ａ〜１２ｄに挟まれた液晶セル１３ａ〜１３ｃへの印加電圧を適当に設定することにより、透過スペクトル波長を変化させることができる。特に図１４のバンドパスフィルタは、透過軸１２ａ１，１２ｂ１を直交させて配置される所謂クロスニコルの偏光子１２ａ、１２ｂ間の液晶セル１３ａと、透過軸１２ｂ１〜１２ｄ１を平行に配置した所謂平行ニコルの偏光子１２ｂ〜１２ｄで挟んだ２枚の液晶セル１３ｂ、１３ｃとを組み合わせることにより、可視領域に残る２つの単色光のうち一方を除去するように構成されている。
【０００５】
更に、図１４と同様の構成において、液晶セル及び位相差フィルムからなる複合層を偏光子で挟んだ波長可変フィルタが知られている（例えば、特許文献４を参照）。図１５に示すように、この波長可変フィルタ２１は、偏光子２２ａ〜２２ｄに挟まれた各液晶セル２３ａ〜２３ｃにそれぞれ位相差フィルム２４ａ〜２４ｃが重ねて配置されている。この位相差フィルムによって、液晶セルのセル厚を必要最小限に抑え、それによるリタデーション値の減少を補充し、液晶の応答性低下を回避しつつ、狭半値幅の透過率ピークを発生させることができる。また、液晶セルのセル厚を透過順にｄ、２ｄ、１．５ｄに設定することにより、１つの電圧印加装置を共有して全液晶セルに同じ制御電圧を印加し、透過スペクトルの波長を調整することができる。
【０００６】
また、入射光の位相を周期的に変調する光学素子として、光弾性変調（ＰＥＭ：Photoelastic Modulator）素子が知られている。ＰＥＭ素子は、石英等の等方性媒質からなる光変調部の一端に水晶等の圧電振動子を貼り付け、かつ他端を機械的にストッパに当接させて構成される（例えば、特許文献５を参照）。光変調部は、該光変調部の共振周波数で水晶振動子を励振すると、弾性歪みを生じて光の屈折率が所定の方向に変化する。これにより透過光は、その偏光状態が直線偏光と楕円偏光との間で周期的に変調され、常光と異常光との位相差が一定の周波数で変化する。一般にＰＥＭ素子は、エリプソメータ等において薄膜や試料を測定する偏光変調分光に使用されている（例えば、特許文献６，７を参照）。
【０００７】
他方、広帯域の光を透過する波長フィルタとして、屈折率の異なる複数の誘電体材料層を交互に積層した多層膜構造の干渉膜フィルタが多く使用されている（例えば、特許文献８，９を参照）。干渉膜フィルタは、入射光が透過する誘電体多層膜の実効的な膜厚を変化させることによって、波長を可変にしている。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２６７１２７号公報
【特許文献２】特許第３０００６６９号公報
【特許文献３】特許第３１０２０１２号公報
【特許文献４】特開２００５−１１５２０８号公報
【特許文献５】特開２０００−２８４４１号公報
【特許文献６】特開平５−１９６５０２号公報
【特許文献７】特開平７−１３４０６８号公報
【特許文献８】特公昭６２−１８８８８号公報
【特許文献９】特開２００３−１０１１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した液晶フィルタを用いた波長可変フィルタは、リオフィルタと同様に狭帯域のバンドパスフィルタである。液晶セルに印加する電圧を連続的に変化させれば、透過波長を連続的に変化させることも可能であるが、液晶セルの屈折率は印加電圧に対する応答が遅いため、実用的ではない。
【００１０】
しかも、液晶セルには、特に紫外域〜青色の短波長域の光を吸収する性質があるため、液晶セルを用いた波長可変フィルタは、短波長域での透過率が大幅に低下するという問題がある。更に、液晶セルへの印加電圧を精密に制御するためには複雑な駆動回路を必要とし、装置全体の構成及び制御が複雑で高価格になるという問題を生じる。
【００１１】
上述した従来の干渉膜フィルタは、多層膜構造を成膜するために高価な装置と高度な製造技術が必要である。更に、干渉膜フィルタを回転させたり入射光の角度を変化させて多層膜の膜厚を変化させるために複雑な構成が必要で、小型化、低価格化が困難である。
【００１２】
また、ＰＥＭ素子は、上述したように専らエリプソメータ等の偏光変調分光において位相差を測定するために使用されている。本願発明者らが知る限り、ＰＥＭ素子を利用した波長フィルタは見当たらない。本願発明者らは、ＰＥＭ素子が波長可変フィルタとして広帯域で十分な位相変調量を確保し得るか等について様々な検討を加えた結果、本発明を案出するに至ったものである。
【００１３】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＥＭ素子を用いることにより、紫外域〜青色の短波長域を含む広い波長域の光について十分な位相変調量及び高い透過率を実現することができ、しかも透過波長の可変制御をより簡単にかつ高精度に行うことができる波長可変フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、上記目的を達成するために、複数の偏光子と、それら偏光子の間に配置したＰＥＭ素子、又は位相子及びＰＥＭ素子とを有する波長可変フィルタが提供される。
【００１５】
ＰＥＭ素子は、上述したように透明な等方性物質、例えば石英の一端に貼り付けた水晶等の圧電振動子を所定の電圧で励振させることにより、該石英に応力を付与して光弾性現象による光学的異方性を誘起させ、それにより複屈折性を生じさせて、透過光に位相差を与える。この位相差は、圧電振動子の発振周波数で周期的に変化し、また前記石英の厚さによってかつ／又は圧電振動子の印加電圧を変えることにより制御できる。従って、本発明の波長可変フィルタは、所望の波長に対応した位相差が得られるように前記石英の厚さを適当に設定し、かつ／又は圧電振動子の印加電圧を変えることによって、その透過波長域を変更可能に制御することができる。しかも、ＰＥＭ素子は印加電圧の変化に対して応答特性が良いので、透過波長域を高速でかつ安定して変化させることができる。
【００１６】
ＰＥＭ素子の前記透明な等方性物質からなる光変調部は、特に石英のような光吸収が極めて少ない材料を選択することによって、液晶セルを用いた従来の波長可変フィルタと異なり、紫外域〜青色の短波長域を含む広い波長域の光について十分な位相変調量及び高い透過率が得られる。更に各偏光子及び位相子をも無機材料で形成することによって、略１００％又はそれに近い透過率が得られるので、信頼性の向上及び良好な環境安定性の確保を図ることができる。また、ＰＥＭ素子は、位相変調量が大きいので、波長可変フィルタの設計自由度を大きくすることができる。
【００１７】
また、偏光子の間から位相子を省略してＰＥＭ素子のみを配置した場合には、各ＰＥＭ素子の圧電振動子への印加電圧の振幅が正負で最大となる２点で、その光変調部に発生する位相差がピークとなり、印加電圧が０のときに０となる。従って、波長フィルタ特性が時間的に変化して、周期的に瞬間的に消失する特性を示す。
【００１８】
或る実施例では、１組の位相子及びＰＥＭ素子とそれらを挟む２つの偏光子とを１ブロックとして、ｎ個（ｎ：２以上の整数）のブロックを光路に沿って第１ブロックから第ｎブロックまで配置して多段に構成することにより、透過スペクトルのピークをより急峻にすることができる。
【００１９】
この場合、各ＰＥＭ素子の光を透過させる光変調部の厚さは、第１ブロックのＰＥＭ素子の光変調部の厚さをｈとして、２ｉ−１ｈ（ｉ＝１〜ｎ）とすることにより、リオフィルタの原理を応用した可変波長フィルタにおいて、透過スペクトルが急峻で狭帯域な特性が得られる。
【００２０】
別の実施例では、各ＰＥＭ素子の光を透過させる光変調部の厚さは、第１ブロックのＰＥＭ素子の光変調部の厚さをｈとして、第（ｎ−１）ブロックまでを２ｉ−１ｈ（ｉ＝１〜ｎ−１）とし、かつ第ｎブロックを１．５ｈとすることにより、同様にリオフィルタの原理を応用した可変波長フィルタにおいて、急峻な透過スペクトル及び狭帯域特性が得られることに加えて、フィルタ全体の寸法を光軸方向に小さくして小型化することができる。
【００２１】
これらの場合に、各ブロックのＰＥＭ素子を共通の電源に接続することにより、同様にその駆動制御を確実に同期させることができる。
【００２２】
また、各ＰＥＭ素子をそれぞれ別個の電源に接続して別個に制御することにより、各ブロックのＰＥＭ素子を光変調部の厚さを同一にした同じもので構成できるので、構成部品の種類を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明による波長可変フィルタの好適な実施例を詳細に説明する。
図１に示すように、第１実施例の波長可変フィルタ３１は、従来のリオフィルタと同様に、透過軸３２ａ１〜３２ｄ１を平行に配置した平行ニコルの複数の偏光子３２ａ〜３２ｄを有する。前記偏光子の間には、それらと平行にそれぞれ位相子３３ａ〜３３ｃとＰＥＭ素子３４ａ〜３４ｃとが光軸４に沿って透過順に配置されている。このように本実施例は、１組の前記位相子及びＰＥＭ素子とそれらを挟む各２枚の前記偏光子とを１ブロックとして、３つのブロックを透過順に多段に配置して構成されている。
【００２４】
前記各ＰＥＭ素子は、それぞれ石英からなる平板状の光変調部３５ａ〜３５ｃと、その一端に接着された水晶振動子３６ａ〜３６ｃとを有する。各光変調部３５ａ〜３５ｃの他端は、それぞれ図示しないストッパに当接させて変位しないように固定される。前記各水晶振動子は、それぞれ対向する両面に形成された１対の電極を有し、前記各電極はそれぞれ別個の電源３７ａ〜３７ｃに接続されている。本実施例の各ＰＥＭ素子は、前記光変調部が同じ厚さを有する。前記光変調部は、石英以外にＣａＦ２ 、Ｇｅ等の様々な公知の透明な等方性物質で形成することができる。前記水晶振動子は、水晶以外にチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックスを用いた様々な公知の圧電振動子に置き換えることができる。
【００２５】
水晶振動子３６ａ〜３６ｃは、前記電源から所定の電圧を印加すると、前記ストッパへの向きに沿って光軸４に対して垂直方向に伸縮するように所定の周波数で励振する。光変調部３５ａ〜３５ｃは、前記水晶振動子の振動によって前記ストッパとの間で弾性変形することにより歪みを生じ、光の屈折率が所定の方向に周期的に変化する。従って、前記光変調部を透過する光は、その偏光状態が直線偏光と楕円偏光との間で周期的に変調され、常光と異常光との位相差が一定の周波数で変化する。電源３７ａ〜３７ｃからの印加電圧は、前記各水晶振動子の振動を同期させるように制御する。
【００２６】
偏光子３２ａ〜３２ｄは、その透過軸３２ａ１〜３２ｄ１が前記光変調部の変形方向に対して４５°をなすように配置する。位相子３３ａ〜３３ｃは、その結晶光学軸３３ａ１〜３３ｃ１が前記光変調部の変形方向と平行をなすように配置する。本実施例では、前記各位相子の厚さｄi（ｉ＝１〜３）が、従来のリオフィルタと同様に、２ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜３）となるように構成される。
【００２７】
偏光子３２ａ〜３２ｄには、従来公知の様々な偏光子を用いることができる。例えば、一般に利用されているＰＶＡ（ポリビニルアルコール）又はそれとヨウ素との組合せを延伸させた樹脂フィルム偏光板、アルミニウム等の無機材料薄膜やフォトニック結晶を基板上に形成した無機偏光板、基板上に格子状の金属微細構造を形成したグリッド偏光板、ＰＢＳ（偏波ビームスプリッタ）プリズム等がある。ＰＶＡの樹脂フィルム偏光板が４００ｎｍ以上の波長で光の吸収が大きいのに対し、アルミニウムの無機偏光板は３５０〜８００ｎｍの広い可視光域で透過率が良くかつ耐熱性に優れている。フォトニック結晶の無機偏光板も耐熱性に優れ、光源用の波長可変フィルタに適している。ＰＢＳプリズムは特に１５０〜１７０ｎｍの短波長域での透過率が良く、紫外域の光源用の波長可変フィルタに適している。
【００２８】
波長可変フィルタ３１において、前記各ＰＥＭ素子を透過する光は、常光と異常光との位相差が一定の周波数で変化するので、それに対応して透過スペクトルのピークの波長が周期的に変化する。前記ＰＥＭ素子への印加電圧が０で位相差が０である場合に最初の前記ブロックを透過するスペクトルの波長をλ０としたとき、前記各ブロックを透過するスペクトルの位相差がそれぞれλ０、２λ０、４λ０となるように、各ＰＥＭ素子３４ａ〜３４ｃへの印加電圧を制御する。これにより、前記各ブロックの透過スペクトルのピークは、それぞれ波長λ＝∞、λ０、λ０／２、λ０／３、…で全て重なることになる。本実施例のように各ブロックの偏光子を平行ニコルの関係に配置した構成では、前記波長の透過光に対して前記各ブロックで生じる位相差Γは、Γi＝３６０°×ｉ（ｉ＝１〜３）となる。
【００２９】
図２は、波長可変フィルタ３１の波長特性、即ち透過スペクトルのピークの透過率をシミュレーションした結果を示している。ここで、λは前記各ＰＥＭ素子に電圧を印加した場合における波長可変フィルタ３１の出射光の波長である。同図において、実線は、透過順に最初のＰＥＭ素子３４ａの位相差を０．１にした場合に、前記各ブロックのスペクトルを重畳した波長可変フィルタ３１の透過率を表している。図２の破線は、前記各ＰＥＭ素子への印加電圧が０である場合の透過率である。前記各ＰＥＭ素子の位相差は、その印加電圧に対応した周波数で変化するから、図２の実線は、破線で示す位置を中心として左右に一定の周波数でシフトする。また、いずれの波長においても、透過スペクトルのピークは急峻であることが確認された。
【００３０】
図３は、図２において透過率がピークとなる透過波長の時間的変化を示している。同図では、透過波長が４００〜７５０ｎｍの可視光域で変化する場合を例示している。同図に示すように、波長可変フィルタ３１の透過波長は一定の周波数で略三角関数的に変化する。波長可変フィルタ３１の透過波長域は、前記ＰＥＭ素子の光変調部３５ａ〜３５ｃの厚さと水晶振動子３６ａ〜３６ｃへの印加電圧によって決定される。
【００３１】
別の実施例では、より多数の前記ブロックを透過順に配置することにより、波長可変フィルタ３１の透過波長域において透過スペクトルの各ピークをより急峻にすることができる。その場合、各ブロックの位相子の厚さは、上述したように透過順に２ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜ｎ）となるように設定する。各ブロックが偏光子を平行ニコルの関係に配置した構成を有するので、或る波長の透過光に対して各ブロックで生じる位相差Γは、Γi ＝３６０°×ｉ（ｉ＝１〜ｎ）となる。このようにブロックをより多段に配置しても、各ブロックのＰＥＭ素子において透過率はほとんど低下しないので、偏光子における透過率の低下を考慮しても、全体として実用上十分な透過率が得られる。
【００３２】
本発明の波長可変フィルタ３１は、前記ＰＥＭ素子の光変調部３５ａ〜３５ｃが石英等の透明材料で形成されるので、液晶セルを用いた従来の波長可変フィルタと異なり、紫外域〜青色の短波長域を含む広い波長域の光について十分な位相変調量及び高い透過率が得られる。特に、前記各偏光子及び位相子を前記光変調部と同様に無機材料で形成することによって、略１００％又はそれに近い透過率が得られる。その結果、信頼性が向上し、かつ良好な環境安定性を確保することができる。
【００３３】
また、ＰＥＭ素子は印加電圧の変化に対する応答特性が良いので、波長可変フィルタ３１の透過波長域を高速でかつ安定して変化させることができる。従って、白色光のようなランダム波長の光から特定範囲の波長を取り出すように透過波長を周期変化させることができ、かつその範囲を可変にすることができる。更にＰＥＭ素子は、位相変調量が大きいので、波長可変フィルタの設計自由度を大きくできる利点がある。
【００３４】
図４は、第１実施例の変形例を示している。この変形例は、各ＰＥＭ素子３４ａ〜３４ｃの水晶振動子３６ａ〜３６ｃを共通の電源３７に接続し、同一の電圧を同一の周波数で印加するようにした点において、第１実施例と異なる。そのため、前記各ＰＥＭ素子の光変調部３５ａ〜３５ｃは、その厚さを各位相子３３ａ〜３３ｃと同様に、透過順に２ｉ−１ｈ（ｉ＝１〜ｎ）となるように設定する。これにより、１組の前記位相子及びＰＥＭ素子とそれらを挟む各２枚の前記偏光子とを１ブロックとして、透過順に各ブロックを透過するスペクトルの位相差がそれぞれλ０、２λ０、４λ０となる。従って、前記各ブロックの透過スペクトルのピークは、波長λ＝∞、λ０、λ０／２、λ０／３、…において全て重なることになる。このように前記各ＰＥＭ素子の駆動回路を共通化することによって、より高精度に制御することができる。
【００３５】
図５は、図４の実施例に使用するのに適したＰＥＭ素子モジュールの実施例を示している。このＰＥＭ素子モジュール３４は、図４のＰＥＭ素子３４ａ〜３４ｃを一体化したもので、３つの光変調部３５ａ〜３５ｃがその一端で共通の水晶振動子３６に接着されている。水晶振動子３５の対向する両面には１対の電極３８ａ，３８ｂが形成され、共通の電源３７に接続されている。光変調部３５ａ〜３５ｃの他端は、ストッパ３９に当接している。光変調部３５ａ〜３５ｃの間には、それぞれ偏光子３２ｂ，３２ｃ及び位相子３３ｂ，３３ｃが配置される。このように一体化したＰＥＭ素子モジュール３４を用いることによって、部品点数を少なくし、その組立工程を簡単化することができる。
【００３６】
図６は、第１実施例の別の変形例を示している。この変形例による波長可変フィルタ３１は、図１に示す構成から位相子３３ａ〜３３ｃを省略した点において、上記第１実施例の構成と異なる。本実施例のＰＥＭ素子３４ａ〜３４ｃは、水晶振動子３６ａ〜３６ｃへの印加電圧の振幅が正負で最大となる２点で、光変調部３５ａ〜３５ｃに発生する位相差がピークとなり、該印加電圧が０Ｖのときに０となる。即ち、本実施例の波長可変フィルタは、その波長フィルタ特性が時間的に変化して、周期的に瞬間的に消失するという特徴を有する。
【００３７】
図７は、第１実施例の更に別の変形例を示している。この変形例は更に、図４の変形例と同様に、各ＰＥＭ素子３４ａ〜３４ｃの水晶振動子３６ａ〜３６ｃを共通の電源３７に接続した点において、図６の変形例と異なる。従って、前記各ＰＥＭ素子には、電源３７から同一の電圧が同一の周波数で印加される。そのため、前記各ＰＥＭ素子の光変調部３５ａ〜３５ｃは、その厚さｈi（ｉ＝１〜３）を、第１実施例の位相子３３ａ〜３３ｃと同様に、透過順に２ｉ−１ｈ（ｉ＝１〜３）となるように設定する。これにより、透過順に前記各ブロックを透過するスペクトルの位相差が、それぞれλ０、２λ０、４λ０となる。従って、前記各ブロックの透過スペクトルのピークは、図２に破線で示すように、それぞれ波長λ＝∞、λ０、λ０／２、λ０／３、…において全て重なることになる。このように前記各ＰＥＭ素子の駆動回路を共通化することによって、より高精度に制御することができる。
【００３８】
図８は、本発明による第２実施例の波長可変フィルタ４１を示しており、複数の偏光子４２ａ〜４２ｄを有する。光軸４に沿って透過順に最初の２組の偏光子４２ａ〜４２ｃは、透過軸４２ａ１〜４２ｃ１を平行にした平行ニコルの関係に配置され、最後の１組の偏光子４２ｃ，４２ｄが透過軸４２ｃ１、４２ｄ１を直交させたクロスニコルの関係に配置される。前記偏光子間には、それらと平行にそれぞれ位相子４３ａ〜４３ｃとＰＥＭ素子４４ａ〜４４ｃとが光軸に沿って透過順に配置される。このように本実施例は、第１実施例と同様に、１組の前記位相子及びＰＥＭ素子とそれらを挟む各２枚の前記偏光子とを１ブロックとして、３つのブロックを透過順に多段に配置して構成されている。
【００３９】
前記各ＰＥＭ素子は、それぞれ石英からなる平板状の光変調部４５ａ〜４５ｃと、その一端に接着された水晶振動子４６ａ〜４６ｃとを有する。各光変調部４５ａ〜４５ｃの他端は、それぞれ図示しないストッパに当接させて変位しないように固定される。前記各水晶振動子は、それぞれ対向する両面に形成された１対の電極を有し、前記各電極はそれぞれ別個の電源４７ａ〜４７ｃに接続されている。本実施例の各ＰＥＭ素子は、前記光変調部が同じ厚さを有する。第１実施例と同様に、前記光変調部は、石英以外にＣａＦ２ 、Ｇｅ等の様々な公知の透明な等方性物質で形成することができる。前記水晶振動子は、水晶以外にチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックスを用いた様々な公知の圧電振動子に置き換えることができる。
【００４０】
水晶振動子４６ａ〜４６ｃは、前記電源から所定の電圧を印加すると、前記ストッパへの向きに沿って光軸４に対して垂直方向に伸縮するように所定の周波数で励振する。光変調部４５ａ〜４５ｃは、前記水晶振動子の振動によって前記ストッパとの間で弾性変形することにより歪みを生じ、光の屈折率が所定の方向に周期的に変化する。従って、前記光変調部を透過する光は、その偏光状態が直線偏光と楕円偏光との間で周期的に変調され、常光と異常光との位相差が一定の周波数で変化する。電源４７ａ〜４７ｃからの印加電圧は、前記各水晶振動子の振動を同期させるように制御する。
【００４１】
平行ニコルの偏光子４２ａ〜４２ｃは、その透過軸４２ａ１〜４２ｃ１が前記光変調部の変形方向に対して４５°をなすように配置される。クロスニコルの最後の偏光子４２ｄは、その透過軸４２ｄ１が前記光変調部の変形方向に対して１３５°をなすように配置される。偏光子４２ａ〜４２ｄには、第１実施例と同様に、例えば樹脂フィルム偏光板、無機偏光板、グリッド偏光板、ＰＢＳプリズム等の従来公知の様々な偏光子を用いることができる。
【００４２】
位相子４３ａ〜４３ｃは、その結晶光学軸４３ａ１〜４３ｃ１が前記光変調部の変形方向と平行をなすように配置される。本実施例では、透過順に最初の２つの前記位相子の厚さｄi（ｉ＝１〜２）が、２ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜２）となり、最後の前記位相子の厚さｄ３が１．５ｄとなるように構成される。これにより、第２実施例の波長可変フィルタ４１は、その光軸方向の寸法を第１実施例よりも短くして、小型化を図ることができる。
【００４３】
波長可変フィルタ４１において、前記各ＰＥＭ素子を透過する光は、常光と異常光との位相差が一定の周波数で変化するので、それに対応して透過スペクトルのピークの波長が周期的に変化する。前記ＰＥＭ素子への印加電圧が０で位相差が０である場合に最初の前記ブロックを透過するスペクトルの波長をλ０ としたとき、前記各ブロックを透過するスペクトルの位相差がそれぞれλ０ 、２λ０ 、１．５λ０ となるように、各ＰＥＭ素子４４ａ〜４４ｃへの印加電圧を制御する。従って、前記各ブロックの透過スペクトルのピークは、波長λ＝λ０、λ０／２、λ０／１．５で全て重なることになる。本実施例のように平行ニコルの偏光子及びクロスニコルの偏光子の双方を含む構成では、透過光の波長λに対して前記各ブロックで次のように位相差Γが生じる。偏光子が平行ニコルの関係にあるブロックの位相差は、Γａ＝３６０°×ｉ（ｉ＝１，２）であり、偏光子がクロスニコルの関係にあるブロックの位相差は、Γｂ＝１８０°＋３６０°×１である。
【００４４】
図９は、波長可変フィルタ４１の波長特性、即ち透過スペクトルのピークの透過率をシミュレーションした結果を示している。ここで、λは前記各ＰＥＭ素子に電圧を印加した場合における波長可変フィルタ４１の出射光の波長である。同図において、実線は、最初のＰＥＭ素子４４ａの位相差を０．１にした場合に、前記各ブロックのスペクトルを重畳した波長可変フィルタ４１の透過率を表している。図９の破線は、前記各ＰＥＭ素子への印加電圧が０である場合の透過率である。前記各ＰＥＭ素子の位相差は、その印加電圧に対応した周波数で変化するから、図９の実線は、破線で示す位置を中心として左右に一定の周波数でシフトする。また、いずれの波長においても、透過スペクトルのピークは急峻であることが確認された。
【００４５】
本実施例を図２に示す第１実施例の透過特性と比較する。図２では、透過スペクトルのピークが、横軸λ０／λ＝０．０，１．０，２．０，３．０，…のように全ての非負整数値で連続して現れる。これに対して、図９では、横軸λ０／λ＝１．０，３．０，５．０，…のように奇数の整数値のみに連続して現れ、偶数の整数値には現れない。従って、本実施例の波長可変フィルタは、隣接する高次ピークの影響を受け難く、広帯域の波長可変幅を確保し易い特徴がある。
【００４６】
偏光子がクロスニコルの関係にあるブロックを含む構成においても、より多数の前記ブロックを透過順に配置することにより、波長可変フィルタ４１の透過波長域において透過スペクトルの各ピークをより急峻にすることができる。例えば、透過順にｍ番目（１≦ｍ＜ｎ）までの各ブロックが平行ニコルで、ｍ＋１番目以降の各ブロックがクロスニコルの場合にある場合を考える。この場合、ｍ番目までの前記各ブロックの位相子の厚さは、透過順に２ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜ｍ）であり、ｍ＋１番目以降の前記各ブロックの位相子の厚さは、｛０．５＋（ｊ−ｍ）｝ｄ、（ｊ＝ｍ＋１〜ｎ）となるように設定する。従って、偏光子がクロスニコルの関係にあるブロックを含む構成において、透過光の波長λに対して各ブロックで次のように位相差Γが生じる。偏光子が平行ニコルの関係にあるブロックの位相差は、Γａ＝３６０°×ｉ（ｉ＝１，２，…，ｍ）であり、偏光子がクロスニコルの関係にあるブロックの位相差は、Γｂ＝１８０°＋３６０°×ｊ（ｊ＝１，２，…，ｎ−ｍ）である。
【００４７】
このようにブロックをより多段に配置しても、各ブロックのＰＥＭ素子において透過率がほとんど低下しないので、偏光子における透過率の低下を考慮しても、全体として実用上十分な透過率が得られ、しかも小型化を図ることができる。尚、本実施例では、クロスニコルのブロックを透過順の下流側に配置したが、１番目からｎ番目までのいずれのブロックに配置しても良い。
【００４８】
第２実施例においても、第１実施例と同様に、前記光変調部が石英等の透明材料で形成されるので、紫外域〜青色の短波長域を含む広い波長域の光について十分な位相変調量及び高い透過率が得られる。更に、前記各偏光子及び位相子をも無機材料で形成することにより、略１００％又はそれに近い透過率が得られるので、信頼性の向上及び良好な環境安定性を実現できる。また、ＰＥＭ素子の良好な応答特性によって、波長可変フィルタ４１の透過波長域を高速でかつ安定して変化させることができる。従って、ランダム波長光から特定範囲の波長を取り出すように透過波長を周期変化させかつその範囲を可変にすることができる。更にＰＥＭ素子の位相変調量が大きいので、波長可変フィルタの設計自由度を大きくなる。
【００４９】
図１０は、第２実施例の変形例を示している。この変形例は、各ＰＥＭ素子４４ａ〜４４ｃの水晶振動子４６ａ〜４６ｃを共通の電源４７に接続し、同一の電圧を同一の周波数で印加するようにした点において、第２実施例と異なる。そのため、前記各ＰＥＭ素子は、各位相子４３ａ〜４３ｃと同様に、透過順に最初の２つの光変調部４５ａ〜４５ｂの厚さｈi（ｉ＝１〜２）が２ｉ−１ｈ（ｉ＝１〜２）となり、最後の光変調部４５ｃの厚さｈ３が１．５ｈとなるように構成される。これにより、１組の前記位相子及びＰＥＭ素子とそれらを挟む各２枚の前記偏光子とを１ブロックとして、透過順に各ブロックを透過するスペクトルの位相差がそれぞれλ０、２λ０、１．５λ０となる。これにより、前記各ブロックの透過スペクトルのピークは、図９に破線で示すように、それぞれ波長λ＝λ０、λ０／３、λ０／５、…において全て重なることになる。このように前記各ＰＥＭ素子の駆動回路を共通化することによって、より高精度に制御することができる。
【００５０】
図１１は、第２実施例の別の変形例を示している。この変形例は、図１０に示す波長可変フィルタとは、その構成から位相子４３ａ〜４３ｃを省略した点において異なる。この変形例においても、図９に示す第２実施例の波長可変フィルタ４１と同様の波長可変フィルタ特性が得られる。即ち、各ＰＥＭ素子４４ａ〜４４ｃは、光変調部４５ａ〜４５ｃに発生する位相差が、水晶振動子４６ａ〜４６ｃへの印加電圧の振幅が正負で最大となる２点でピークとなり、かつ印加電圧０Ｖで０となる。従って、本実施例の波長可変フィルタ４１は、その波長フィルタ特性が時間的に変化して周期的に瞬間的に消失する特徴を有する。また、本実施例の前記各ＰＥＭ素子を、図８のようにそれぞれ別個の電源で給電制御するように構成することもできる。
【００５１】
また、本発明によれば、前記各ブロックのＰＥＭ素子又は位相子の厚さは、透過順に上述し
た関係を有するように配置する必要が無い。例えば、第１〜第ｎブロックを透過順とは逆の順に配置したり、透過順とは関係なく光路に沿ってランダムに配置することもできる。
【００５２】
以上、本発明についてその好適な実施例を用いて詳細に説明したが、本発明はその技術的範囲において上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、上記実施例のように位相差が固定されている前記位相子に代えて、液晶セルのように、位相差が時間的には変化しないが、印加電圧によって制御可能な可変位相子を用い、かつ前記ＰＥＭ素子の位相差を周期的に変化させることにより、所望の中心透過波長において一定の波長範囲を高速で可変にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明による波長可変フィルタの第１実施例の構成図。
【図２】第１実施例の透過特性を示す線図。
【図３】第１実施例の波長特性を示す線図。
【図４】第１実施例の変形例を示す構成図。
【図５】図４の実施例に使用する一体型ＰＥＭ素子の構成を示す概略図。
【図６】第１実施例の別の変形例を示す構成図。
【図７】第１実施例の更に別の変形例を示す構成図。
【図８】本発明による波長可変フィルタの第２実施例の構成図。
【図９】第２実施例の透過特性を示す線図。
【図１０】第２実施例の変形例を示す構成図。
【図１１】第２実施例の変形例を示す構成図。
【図１２】リオフィルタの基本的構成を示す図。
【図１３】リオフィルタの透過特性を示す線図。
【図１４】液晶セルを用いた従来例の構成図。
【図１５】液晶セルを用いた別の従来例の構成図。
【符号の説明】
【００５４】
１…リオフィルタ、２ａ〜２ｄ，１２ａ〜１２ｄ，２２ａ〜２２ｄ，３２ａ〜３２ｄ…偏光子、２ａ１〜２ｄ１，１２ａ１〜１２ｄ１，３２ａ１〜３２ｄ１，４２ａ１〜４２ｄ１…透過軸、３ａ〜３ｃ…複屈折板、３ａ１〜３ｃ１，３３ａ１〜３３ｃ１，４３ａ１〜４３ｃ１…結晶光学軸、４…光軸、１１…バンドパスフィルタ、１３ａ〜１３ｃ，２３ａ〜２３ｃ…液晶セル、２１，３１，４１…波長可変フィルタ、２４ａ〜２４ｃ…カラーフィルタ、３３ａ〜３３ｃ，４３ａ〜４３ｃ…位相子、３４…ＰＥＭ素子モジュール、３４ａ〜３４ｃ，４４ａ〜４４ｃ…ＰＥＭ素子、３５ａ〜３５ｃ，４５ａ〜４５ｃ…光変調部、３６，３６ａ〜３６ｃ，４６ａ〜４６ｃ…水晶振動子、３７，３７ａ〜３７ｃ，４７，４７ａ〜４７ｃ…電源、３８ａ，３８ｂ…電極。
【図１】
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【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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【図１５】
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