JPH0446369B2 - - Google Patents
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- G02B26/001—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity
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Description
【発明の詳細な説明】
＜産業上の利用分野＞
本発明は、各種分光測定、色識別、さらには光
伝送における波長選択等に用いられるフアブリー
ペロー干渉を利用した分光装置に関するものであ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to a spectroscopic device using Fabry-Perot interference, which is used for various spectroscopic measurements, color identification, wavelength selection in optical transmission, and the like.
＜従来の技術＞
従来、分光装置としては、回折格子を用いたも
のが多く使われている。これは、回折格子を機械
的に回転させることにより必要な単色光を得るも
のであつて、高い分解能が得られる反面、各光学
素子の位置設定に高い精度を必要とし、また大型
化する等の問題点を有している。一方、他の方式
の分光装置として、圧電素子を用いたフアブリー
ペロー干渉装置が知られている。これは、対向す
る２つの反射鏡間隔を、圧電素子の伸縮によつて
制御し、干渉特性の変化から必要な単色光を得る
ものである。この方式を用いると機械的駆動部分
をなくすことができ光軸が曲げられないため設定
が単純となるが、圧電素子の伸縮率が、最大で
0.1％程度と極めて小さいため、単純な構成のま
ま走査波長域を広げるのが難しいという問題を有
している。<Prior Art> Conventionally, many spectroscopic devices using a diffraction grating have been used. This method obtains the necessary monochromatic light by mechanically rotating a diffraction grating, and while it provides high resolution, it requires high precision in positioning each optical element, and it also requires large size. There are problems. On the other hand, as another type of spectroscopic device, a Fabry-Perot interference device using a piezoelectric element is known. In this method, the distance between two opposing reflecting mirrors is controlled by expanding and contracting a piezoelectric element, and the necessary monochromatic light is obtained from changes in interference characteristics. Using this method, the mechanical drive part can be eliminated and the optical axis cannot be bent, so the setup is simple, but the expansion/contraction rate of the piezoelectric element is
Since it is extremely small at around 0.1%, there is a problem in that it is difficult to widen the scanning wavelength range with a simple configuration.
＜発明が解決しようとする問題点＞
本発明によれば、回折格子を用いた分光器のも
つ機械部分を省くことができ、単純な構成で広い
走査波長域を得られるため、軽量・小型で携帯可
能な分光装置を提供することができる。<Problems to be Solved by the Invention> According to the present invention, the mechanical parts of a spectrometer using a diffraction grating can be omitted, and a wide scanning wavelength range can be obtained with a simple configuration. A portable spectroscopic device can be provided.
＜問題点を解決するための手段＞
本発明は、上記目的を達成するために空洞型フ
アブリーペロー干渉装置の対向する面に電極を配
し、対向する電極間の静電引力によつて反射鏡間
の距離を変化させることにより、干渉装置の透過
光もしくは反射光の波長を選択するようにしたこ
とを特徴とするものである。<Means for Solving the Problems> In order to achieve the above object, the present invention arranges electrodes on opposing surfaces of a hollow Fabry-Perot interference device, and uses electrostatic attraction between the opposing electrodes to connect the reflecting mirrors. This is characterized in that the wavelength of the transmitted light or reflected light of the interference device is selected by changing the distance between the two.
＜実施例＞
以下、本発明を実施例に基いて、詳細に説明す
る。第１図ａは本発明の第１の実施例を示す可変
干渉装置であつて、ガラス等の透光性基板１０，
２０にAg，Al，Au等の金属反射膜１１，２１を
蒸着し、スペーサー支持体３０を介して両基板１
０，２０を接合したものである。ここで、透光性
基板１０と金属反射膜１１とが一方の反射体を、
また透光性基板２０と金属反射膜２１とが他の一
方の反射体を構成する。対向する反射膜１１，２
１によつて空洞型フアブリーペロー干渉装置が形
成されている。金属反射膜１１，２１は、電極と
しての働きを兼ねており、電源５０に接続されて
いる。このように、空洞を形成する両面に電極が
形成され、電極間の静電引力によつて空洞間隔が
変化する構造を具備する。尚、本実施例では、反
射膜１１，２１は電極を兼ねているが、これは本
来独立なものである。したがつて、この場合には
反射体は基板と反射膜とから構成され、これとは
別に電極が反射体に設けられることになる。<Examples> Hereinafter, the present invention will be described in detail based on Examples. FIG. 1a shows a variable interference device showing a first embodiment of the present invention, in which a transparent substrate 10 made of glass or the like,
Metal reflective films 11 and 21 made of Ag, Al, Au, etc. are deposited on 20, and both substrates 1 are coated via a spacer support 30.
0 and 20 are joined together. Here, the transparent substrate 10 and the metal reflective film 11 serve as one reflector,
Further, the transparent substrate 20 and the metal reflective film 21 constitute the other reflector. Opposing reflective films 11 and 2
1 forms a hollow Fabry-Perot interference device. The metal reflective films 11 and 21 also serve as electrodes and are connected to a power source 50. In this way, electrodes are formed on both sides forming the cavity, and the cavity interval is changed by the electrostatic attraction between the electrodes. In this embodiment, the reflective films 11 and 21 also serve as electrodes, but they are originally independent. Therefore, in this case, the reflector is composed of a substrate and a reflective film, and an electrode is separately provided on the reflector.
本実施例における波長走査法について述べる。
第１図ｂにおいてガラス等の基板１０は、両端を
スペーサー３０で支持され、中央部は支持されて
いないため、中央部に力を加えることにより曲げ
ることができる。この曲げによつて、対向する反
射鏡間隔ｄは変化する。d0を一切の力を加えない
時の間隔とすると、ｄ＝d0−αFとおくことがで
きる。ただしαはｄの単位力に対する変化量であ
つて、本実施例においては、α＝1.6uｍ／Kgｆで
ある。 The wavelength scanning method in this example will be described.
In FIG. 1b, the substrate 10 made of glass or the like is supported by spacers 30 at both ends and not supported at the center, so that it can be bent by applying force to the center. Due to this bending, the distance d between the opposing reflecting mirrors changes. If d 0 is the interval when no force is applied, it can be set as d = d 0 - αF. However, α is the amount of change in d with respect to unit force, and in this example, α=1.6 um/Kgf.
上記力として、静電引力を用いる場合について
計算する。ここで電極１１，２１が第１図ｂの様
に両スペーサーの中間の部分にだけ存在すると仮
定する。このような条件設定により、この領域に
おいてｄは一定とみなすことができ、計算が容易
になる。 Calculations will be made for the case where electrostatic attraction is used as the above force. Here, it is assumed that the electrodes 11 and 21 are present only in the middle part between both spacers as shown in FIG. 1b. By setting such conditions, d can be regarded as constant in this region, which facilitates calculation.
引力Ｆは、電極面積をＳ、印加電圧をＶとして
Ｆ＝１／２QE
ただしＱ＝CV（電荷量）
Ｃ＝εS／ｄ（静電容量）
Ｅ＝Ｖ／ｄ（電界強度）
と与えられる。本実施例においては空洞内は空気
で満たされているのでε（誘電率）としてε0（真空
の誘電率）を用いることができ、
Ｆ＝１／２ε0S（Ｖ／ｄ）2
とおける。ここでｄ＝d0−αFとなる関係があり
ｄはＦに依存するためＦとｄの関係は複雑にな
る。Ｓ＝４mm2、α＝1.6uｍ／Kgｆとした時の数値
計算結果を第２図に示す。ここで空洞間隔が
0.2475uｍから0.188uｍまで変化するものとした。
このとき後に示す通り、660〜440nｍの波長走査
を行うことができる。 The attractive force F is given as follows, where S is the electrode area and V is the applied voltage. In this example, since the cavity is filled with air, ε 0 (vacuum permittivity) can be used as ε (permittivity), and F=1/2ε 0 S (V/d) 2 can be used. . Here, there is a relationship such as d=d 0 -αF, and d depends on F, so the relationship between F and d becomes complicated. Figure 2 shows the numerical calculation results when S = 4 mm 2 and α = 1.6 um/Kgf. Here, the cavity spacing is
The thickness was assumed to vary from 0.2475um to 0.188um.
At this time, as shown later, wavelength scanning of 660 to 440 nm can be performed.
第２図において27.9Vで不連続な変化が見られ
る。これは、これより電圧が高いとｄが縮み、そ
れによつてさらにＦが大きくなりさらにｄが縮
む、という暴走を引起こすためである。従つて、
動作電圧は27.9Vを超えてはならない。この時ｄ
はd0から2d0／３まで変化する。 In Figure 2, a discontinuous change can be seen at 27.9V. This is because if the voltage is higher than this, d will shrink, which will cause a runaway in which F will further increase and d will further shrink. Therefore,
Operating voltage should not exceed 27.9V. At this time d
varies from d 0 to 2d 0 /3.
ここで、フアブリーペロー干渉装置としての働
きについて述べる。簡単のため、入射光は反射膜
に対して垂直であるものと考える。干渉装置が選
択的に透過する波長λnは次式を満足する
λn＝2π／mπ＋φnd
ここで、ｍは共鳴次数（整数）、φは反射膜で
の反射の際に生ずる位相のとび、ｎは対向する反
射鏡間での屈折率、ｄは対向する反射鏡間での間
隔である。 Here, the function of the Fabry-Perot interference device will be described. For simplicity, it is assumed that the incident light is perpendicular to the reflective film. The wavelength λ n that the interference device selectively transmits satisfies the following formula: λ n = 2π/mπ + φnd Here, m is the resonance order (integer), φ is the phase jump that occurs during reflection on the reflective film, and n is the refractive index between the opposing reflecting mirrors, and d is the distance between the opposing reflecting mirrors.
本実施例においては、選択波長λが440〜660n
ｍとなる様に設計した。反射膜としてはAg500Å
をガラス基板に蒸着したものを用いたが、その場
合のφはおよそ135゜（3π／４）となる。このφは
厳密に言えば波長依存性を有するが、その量は小
さいので、第２図の計算時においてφは波長によ
らず一定とした。 In this example, the selected wavelength λ is 440 to 660n.
It was designed to be m. Ag500Å as a reflective film
was deposited on a glass substrate, and in that case, φ would be approximately 135° (3π/4). Strictly speaking, this φ has wavelength dependence, but since the amount thereof is small, φ was assumed to be constant regardless of the wavelength in the calculation shown in FIG.
また反射鏡間空洞の屈折率ｎは、空洞内が空気
の場合約１である。 Further, the refractive index n of the cavity between the reflecting mirrors is approximately 1 when the interior of the cavity is air.
本実施例においては、440〜660nｍ内に１本含
まれる選択透過波長として、共鳴次数ｍが０の場
合の選択透過波長λ0を用いた。この時、λ0＝
660nｍで、λ1＝283nｍとなり副透過波長λ1は440
〜660nｍの間に含まれない。440nｍより短波長
側の副透過波長λ1，λ2…の影響を除くためにはこ
の領域の光を除去するかこの領域に感度をもたな
い受光素子を用いるなどする必要がある。 In this example, the selective transmission wavelength λ 0 when the resonance order m is 0 was used as the selective transmission wavelength included within 440 to 660 nm. At this time, λ 0 =
At 660 nm, λ 1 = 283 nm, and the sub-transmission wavelength λ 1 is 440
Not included between ~660nm. In order to eliminate the influence of sub-transmission wavelengths λ 1 , λ 2 . . . on the shorter wavelength side than 440 nm, it is necessary to remove light in this region or use a light receiving element that is not sensitive to this region.
ここで反射膜として好ましい材料について述べ
る。波長分解能は反射膜の反射率によつて決定さ
れる。 Here, preferred materials for the reflective film will be described. The wavelength resolution is determined by the reflectance of the reflective film.
例えば反射率90％、波長550nｍにおける分解
能はおよそ20nｍとなり、反射率を上げることに
よりさらに分解能を上げることができる。反射率
は、誘電体多層膜を用いることにより、狭い波長
域でなら99％以上にできる。しかし反射率が広い
波長領域で一定という点では、誘電体多層反射膜
より金属反射膜の方が有利である。 For example, the resolution at a reflectance of 90% and a wavelength of 550 nm is approximately 20 nm, and the resolution can be further increased by increasing the reflectance. By using a dielectric multilayer film, the reflectance can be increased to over 99% in a narrow wavelength range. However, a metal reflective film is more advantageous than a dielectric multilayer reflective film in that the reflectance is constant over a wide wavelength range.
金属反射膜には一般に光の損失がある。この損
失は、光の透過がほぼ０になる厚さの金属反射膜
における反射率が高いほど小さい。可視領域
（400〜700nｍ）で反射率の高い金属はAg（反射率
98％）、Al（反射率92％）等である。また光フア
イバ伝送に適した近赤外領域（700〜1600nｍ）
あるいは赤外領域（〜10uｍ）ではAg（反射率99
％）、An（反射率98％）等がよい。これらの金属
は導電性も良好であるので、静電引力を印加する
ための電極を兼ねることができる。 Metallic reflective films generally suffer from light loss. This loss becomes smaller as the reflectance of the metal reflective film is so thick that the transmission of light becomes almost zero. The metal with high reflectance in the visible region (400 to 700 nm) is Ag (reflectance
98%), Al (reflectance 92%), etc. In addition, the near-infrared region (700 to 1600 nm) is suitable for optical fiber transmission.
Alternatively, in the infrared region (~10um) Ag (reflectance 99
%), An (reflectance 98%), etc. Since these metals also have good conductivity, they can also serve as electrodes for applying electrostatic attraction.
もしも、波長可変範囲が540〜560nｍの様に小
さくてよければ、TiO2、SiO2、ZnS、MgF2等を
積層した誘電体多層膜を用いることができる。こ
の反射膜は、最大反射率99％以上と大きくするこ
とができるので、波長分解能の高い分光装置が得
られる。誘電体反射膜は導電性を持たないので、
新たに電極を配設する必要がある。 If the wavelength tunable range is as small as 540 to 560 nm, a dielectric multilayer film made of TiO 2 , SiO 2 , ZnS, MgF 2 or the like can be used. Since this reflective film can have a maximum reflectance of 99% or more, a spectroscopic device with high wavelength resolution can be obtained. Since the dielectric reflective film has no conductivity,
It is necessary to newly arrange electrodes.
ここで透明基板に適した材料について述べる。
入手の容易さ、反射膜の蒸着のし易さから、まず
ガラスが基板材料として挙げられる。ここで特に
熱膨張率が小さく耐熱性に優れた石英あるいは石
英ガラスとすれば、高温使用あるいは高温作成プ
ロセスに耐えられるものとなる。一方、光学プラ
スチツクは、耐熱性、耐湿性等に問題を残してい
るが、安価であること、柔かくて加工が容易であ
ることなどの特徴を生かした用途での使用が考え
られる。 Here, we will discuss materials suitable for transparent substrates.
Glass is first mentioned as a substrate material because of its ease of availability and ease of vapor deposition of a reflective film. If quartz or quartz glass is used, which has a particularly low coefficient of thermal expansion and excellent heat resistance, it will be able to withstand high-temperature use or high-temperature production processes. On the other hand, optical plastics still have problems with heat resistance, moisture resistance, etc., but they can be used in applications that take advantage of their characteristics such as being inexpensive, soft, and easy to process.
ここで、対向する反射鏡間の空洞内は、真空、
気体、液体等で満たしてもよいが、固体では満た
されないものとする。 Here, the inside of the cavity between the opposing reflecting mirrors is a vacuum,
It may be filled with gas, liquid, etc., but must not be filled with solid.
さて、本実施例に示した形状についてさまざま
な応用変形が可能である。第３図ａは第１図ｂに
示した本実施例の斜視図である。形状が単純であ
り設計が容易であるという特徴を有する。第３図
ｂは、スペーサー３０をドーナツ状にしたもので
ある。第３図ｃは、第３図ａにおけるスペーサー
３０を片方のみにしたものである。この片持梁構
造は、電圧印加時の反射鏡間隔ｄの変化が大きい
ため、低電圧駆動に適している。なお第３図ａ，
ｂ，ｃにおいては電源およびそこからのリード線
は省略されている。 Now, various applied modifications are possible to the shape shown in this embodiment. FIG. 3a is a perspective view of the embodiment shown in FIG. 1b. It is characterized by a simple shape and easy design. FIG. 3b shows a spacer 30 shaped like a doughnut. In FIG. 3c, the spacer 30 in FIG. 3a is provided on only one side. This cantilever structure is suitable for low-voltage driving because the reflector spacing d changes greatly when voltage is applied. In addition, Figure 3a,
In b and c, the power supply and the lead wire therefrom are omitted.
本発明の第２の実施例を第４図に示す。これは
可変干渉装置とSiフオトダイオードを一体化した
ものである。Siフオトダイオード１００は、Ｎ型
基板１０２にSiO2層１０４をマスクとしてＰ型
拡散層１０１を形成し、裏面電極１０３等を設
け、カソード電極１０５とアノード電極１０６を
引出したものとした。その上に反射膜と静電駆動
電極を兼ねたAg膜１１を蒸着し、スペーサー３
０を介して、Ag薄膜２１の蒸着されたガラス基
板２０を接合した。この様に受光素子と可変干渉
装置を一体化することにより、あたかも１つの波
長選択性受光素子の様に手軽に扱うことができ
る。受光素子としては、Siフオトトランジスタ、
ａ−Si太陽電池、GaAsなどの化合物半導体フオ
トダイオード等を用いる事もできる。 A second embodiment of the invention is shown in FIG. This integrates a variable interference device and a Si photodiode. In the Si photodiode 100, a P-type diffusion layer 101 was formed on an N-type substrate 102 using the SiO 2 layer 104 as a mask, a back electrode 103 and the like were provided, and a cathode electrode 105 and an anode electrode 106 were drawn out. On top of that, an Ag film 11 that serves as a reflective film and an electrostatic drive electrode is deposited, and a spacer 3
The glass substrate 20 on which the Ag thin film 21 was deposited was bonded to the glass substrate 20 through the glass substrate 0. By integrating the light-receiving element and the variable interference device in this manner, they can be easily handled as if they were one wavelength-selective light-receiving element. As a light receiving element, a Si phototransistor,
It is also possible to use an a-Si solar cell, a compound semiconductor photodiode such as GaAs, etc.
＜発明の効果＞
以上の様に、本発明によれば、機械的駆動部分
がなく、比較的波長走査帯の広い可変干渉装置を
得ることができる。このことから、小型、軽量
化、低価格を実現することができ、従来の分光装
置の様に分光測定に用いられるのみならず、携帯
型の色識別装置、光フアイバーあるいは光空間伝
搬を用いた光伝送システムにおける波長選択素子
等への応用をも可能とするものである。<Effects of the Invention> As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a variable interference device having no mechanically driven parts and having a relatively wide wavelength scanning band. As a result, it can be made smaller, lighter, and less expensive, and can be used not only for spectroscopic measurements like conventional spectroscopic devices, but also as portable color identification devices, optical fibers, or optical spatial propagation devices. It also enables application to wavelength selection elements, etc. in optical transmission systems.
第１図は本発明の第１の実施例を示す可変干渉
装置の断面図である。第２図は第１図に示す可変
干渉装置の特性計算結果を示す特性図である。第
３図は第１図の実施例及びその変形構造の可変干
渉装置の斜視図である。第４図は本発明の第２の
実施例になるSiフオトダイオードと一体化した可
変干渉装置の断面図である。
１０，２０……透光性基板、１１，２１……金
属反射膜（兼電極）、３０……スペーサー、５０
……電源、１００……Siフオトダイオード。
FIG. 1 is a sectional view of a variable interference device showing a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a characteristic diagram showing the result of calculating the characteristics of the variable interference device shown in FIG. FIG. 3 is a perspective view of the variable interference device of the embodiment shown in FIG. 1 and its modified structure. FIG. 4 is a sectional view of a variable interference device integrated with a Si photodiode, which is a second embodiment of the present invention. 10, 20... Transparent substrate, 11, 21... Metal reflective film (cum electrode), 30... Spacer, 50
...Power supply, 100...Si photodiode.
Claims (1)
と、前記２つの反射体を互いに間隔を設けて支持
するための支持体と、前記２つの反射体の電極に
電圧を印加するための電源とを有し、該電源によ
つて印加される印加電圧に応じて前記２つの電極
間に生ずる静電引力により前記２つの反射体間の
間隔を変化せしめることによつて干渉特性を決定
することを特徴とする可変干渉装置。 ２ 前記反射体が基板と、該基板上に形成された
金属薄膜とを備えることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の可変干渉装置。 ３ 前記金属薄膜が銀または金またはアルミニウ
ムからなることを特徴とする特許請求の範囲第２
項記載の可変干渉装置。 ４ 前記金属薄膜が前記電源によつて電圧を印加
するための前記電極を兼ねることを特徴とする特
許請求の範囲第２項または第３項記載の可変干渉
装置。 ５ 前記反射体が基板と、該基板上に形成された
誘電体反射膜とからなることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の可変干渉装置。 ６ 前記基板がガラスまたは石英またはプラスチ
ツクからなることを特徴とする特許請求の範囲第
２項、第３項、第４項または第５項記載の可変干
渉装置。 ７ 前記２つの反射体のうちの一方の反射体を構
成する基板が透光性基板、他方の反射体を構成す
る基板が受光素子であることを特徴とする特許請
求の範囲第２項、第３項、第４項、第５項または
第６項記載の可変干渉装置。[Scope of Claims] 1. Two reflectors each having an electrode and facing each other, a support for supporting the two reflectors at a distance from each other, and a voltage applied to the electrodes of the two reflectors. and a power supply for applying the interference, by changing the distance between the two reflectors by electrostatic attraction generated between the two electrodes in accordance with the applied voltage applied by the power supply. A variable interference device characterized in that it determines a characteristic. 2. The variable interference device according to claim 1, wherein the reflector includes a substrate and a metal thin film formed on the substrate. 3. Claim 2, wherein the metal thin film is made of silver, gold, or aluminum.
Variable interference device as described in section. 4. The variable interference device according to claim 2 or 3, wherein the metal thin film also serves as the electrode to which voltage is applied by the power source. 5. The variable interference device according to claim 1, wherein the reflector comprises a substrate and a dielectric reflective film formed on the substrate. 6. The variable interference device according to claim 2, 3, 4, or 5, wherein the substrate is made of glass, quartz, or plastic. 7. Claims 2 and 3, characterized in that the substrate constituting one of the two reflectors is a light-transmitting substrate, and the substrate constituting the other reflector is a light receiving element. The variable interference device according to item 3, 4, 5, or 6.
Priority Applications (6)
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|---|---|---|---|
| JP10298986A JPS62257032A (en) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | Variable interference apparatus |
| GB8628157A GB2186708B (en) | 1985-11-26 | 1986-11-25 | A variable interferometric device and a process for the production of the same |
| US06/934,843 US4859060A (en) | 1985-11-26 | 1986-11-25 | Variable interferometric device and a process for the production of the same |
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| DE3645238A DE3645238C2 (en) | 1985-11-26 | 1986-11-26 | Variable Fabrv Perot type interferometer |
| GB8911757A GB2217839B (en) | 1985-11-26 | 1989-05-22 | An optical sensor |
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| JPS62257032A JPS62257032A (en) | 1987-11-09 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63241434A (en) * | 1987-03-30 | 1988-10-06 | Sharp Corp | Variable interference device |
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| JP6813149B2 (en) * | 2015-03-13 | 2021-01-13 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | Physical / Chemical Sensors, Physical / Chemical Phenomenon Sensing Devices and Their Usage and Physical / Chemical Sensor Arrays |
| FI128101B (en) * | 2017-07-03 | 2019-09-30 | Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy | Microelectromechanical (MEMS) fabry-perot interferometer, apparatus and method for manufacturing fabry-perot interferometer |
-
1986
- 1986-04-30 JP JP10298986A patent/JPS62257032A/en active Granted
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|---|---|---|---|---|
| JPS63241434A (en) * | 1987-03-30 | 1988-10-06 | Sharp Corp | Variable interference device |
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