可変分光素子
【課題】高速且つ正確に光学特性を変化させることのできる可変分光素子を提供する。
【解決手段】第１センサと第３センサ、第２センサと第４センサが、一対の光学基板２の対向面の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置され、第１〜４アクチュエータの各々が、一対の光学基板２の対向面の重心から第１〜４センサの各々の中心方向へ伸びる線の線上に配置された可変分光素子であって、第１〜４センサの信号から、一対の光学基板２の対向面の重心同士の間隔ｘを算出し、第１センサの信号と第３センサの信号から、移動させる光学基板の対向面と重心を結んだ線に垂直な面がなす第１の角度θを算出し、第２センサの信号と第４センサの信号から、重心を結んだ線に垂直な面と移動させる光学基板の対向面がなす第２の角度φを算出し、重心同士の間隔ｘ、第１の角度θ及び第２の角度φに基づいて第１〜４アクチュエータを駆動する制御部を備えている。
【解決手段】第１センサと第３センサ、第２センサと第４センサが、一対の光学基板２の対向面の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置され、第１〜４アクチュエータの各々が、一対の光学基板２の対向面の重心から第１〜４センサの各々の中心方向へ伸びる線の線上に配置された可変分光素子であって、第１〜４センサの信号から、一対の光学基板２の対向面の重心同士の間隔ｘを算出し、第１センサの信号と第３センサの信号から、移動させる光学基板の対向面と重心を結んだ線に垂直な面がなす第１の角度θを算出し、第２センサの信号と第４センサの信号から、重心を結んだ線に垂直な面と移動させる光学基板の対向面がなす第２の角度φを算出し、重心同士の間隔ｘ、第１の角度θ及び第２の角度φに基づいて第１〜４アクチュエータを駆動する制御部を備えている。
【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】
従来から、空間を隔てて対向するように配置された一対の光学基板のいずれか一方又は両方を、ピエゾ素子のようなアクチュエータを用いて移動させることにより、それらの光学基板の対向する面同士又はその面上に形成された反射膜同士の面間隔（以下、総称して「光学基板の面間隔」という。）を変化させ、光学特性を変化させることのできる可変分光素子として、エタロン装置と制御部とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、このような可変分光素子においては、光学基板の面間隔を所望の間隔とするために、対向する面上にその面間隔を測定するための静電容量センサを配置し、その静電容量センサにより所定のサンプリング周期で現在の面間隔を測定し、測定した面間隔と所望の面間隔との比較を行い、その比較の結果に基づいてアクチュエータを駆動させて面間隔の調整を行うものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２９１４９号公報
【特許文献２】特開平６−２４１８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１，２に記載されているような可変分光素子は、例えば、分光特性を連続的に変化させた画像の取得を行う分光内視鏡装置等において用いるときのように、連続的且つ高速に光学特性を変化させなければならない場合、画像取得のサンプリング周期の１フレームという極めて短い時間内に、アクチュエータを制御して光学基板の面間隔を変化させなければならない。
【０００６】
また、特許文献１，２に記載されているような可変分光素子の光学特性は、一対の光学基板の対向する面同士又はその面上に形成された反射膜同士の平行度に大きく影響を受けるため、アクチュエータの制御は正確なものでなければならない。
【０００７】
しかし、特許文献１，２に記載されているような可変分光素子のように、光学基板の面間隔と対向する面の平行度を４つの静電容量センサからの出力値に基づいて制御しようとする場合、アクチュエータ同士の相互の干渉を考慮して４つのアクチュエータを制御する必要がある。そして、そのような演算処理は複雑であるため、制御に時間がかかり、光学特性の変化を高速にすることができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高速且つ正確に光学特性を変化させることのできる可変分光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の可変分光素子は、間隔を隔てて対向するように配置された一対の光学基板と、各々が前記一対の光学基板の対向する面の夫々に配置された一対の電極部を有していて各々の配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を検出する第１乃至第４静電容量センサと、前記一対の光学基板の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させて前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を変化させる第１乃至第４アクチュエータを備えた可変分光素子において、前記第１静電容量センサと前記第３静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、前記第２静電容量センサと前記第４静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、前記第１乃至第４アクチュエータの各々が、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心から前記第１乃至第４静電容量センサの各々の中心方向へ伸びる線の線上に配置されており、前記第１乃至第４静電容量センサによる信号から前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心同士の間隔を算出し、前記第１静電容量センサによる信号と前記第３静電容量センサによる信号とから前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第１の角度を算出し、前記第２静電容量センサによる信号と前記第４静電容量センサによる信号とから前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第２の角度を算出し、前記重心同士の間隔及び前記第１の角度に基づいて前記第１及び第３アクチュエータを駆動し、前記重心同士の間隔及び前記第２の角度に基づいて前記第２及び第３アクチュエータを駆動する制御部を備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の可変分光素子は、前記第１乃至第４静電容量センサ各々と前記第１乃至第４アクチュエータの各々とが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて重なる位置に配置されており、以下の条件式を満足することが好ましい。
ｘ1＝ｘ−ｒｓｉｎθ
ｘ2＝ｘ−ｒｓｉｎφ
ｘ3＝ｘ＋ｒｓｉｎθ
ｘ4＝ｘ＋ｒｓｉｎφ
ただし、ｘは前記重心同士の間隔、ｘ1、ｘ2、ｘ3及びｘ4はそれぞれ前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の面間隔、θは前記第１の角度、φは前記第２の角度、ｒは前記可動基板の対向する面上における重心から前記静電容量センサまでの距離である。
【００１１】
また、本発明の可変分光素子は、前記制御部が、前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の平均から前記重心同士の間隔を算出し、前記第１乃及び第３静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の差分から前記第１の角度を算出し、前記第２乃及び第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の差分から前記第２の角度を算出することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の可変分光素子は、前記第１乃至第４静電容量センサ各々と前記第１乃至第４アクチュエータの各々とが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて重なる位置に配置されており、以下の条件式を満足することが好ましい。
ｘ＝（ｘ1＋ｘ2＋ｘ3＋ｘ4）／４
θ＝Ｒ1（ｘ3−ｘ1）
φ＝Ｒ2（ｘ4−ｘ2）
ただし、ｘは前記重心同士の間隔、ｘ1、ｘ2、ｘ3及びｘ4はそれぞれ前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔、θは前記第１の角度、φは前記第２の角度、Ｒ1及びＲ2は所定の係数である。
【００１３】
また、上記の目的を達成するために、本発明の可変分光素子は、間隔を隔てて対向するように配置された一対の光学基板と、各々が前記一対の光学基板の対向する面の夫々に配置された一対の電極部を有していて各々の配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を検出する第１乃至第４静電容量センサと、前記一対の光学基板の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させて前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を変化させる第１乃至第４アクチュエータを備えた可変分光素子において、前記第１静電容量センサと前記第３静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、前記第２静電容量センサと前記第４静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、前記第１乃至第４静電容量センサと前記第１乃至第４アクチュエータが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて交互に等間隔となるように環状に配置されており、前記第１乃至第４静電容量センサによる信号から前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心同士の間隔を算出し、前記第１乃至第４の静電容量センサによる信号から求めた第１及び第３アクチュエータの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の値を用いて前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第１の角度を算出し、前記第１乃至第４の静電容量センサによる信号から求めた第２及び第４アクチュエータの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の値を用いて前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第２の角度を算出し、前記重心同士の間隔、前記第１の角度及び前記第２の角度に基づいて前記第１乃至第４アクチュエータを駆動する制御部を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高速且つ正確に光学特性を変化させることのできる可変分光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１に係る可変分光素子のエタロン装置を示す断面図である。
【図２】図１のエタロン装置の平面図である。
【図３】図１のエタロン装置の一対の光学基板及び４つのピエゾ素子の作動を示す模式図である。
【図４】実施例１に係る可変分光素子の制御部の行う演算を示すブロック図である。
【図５】図１のエタロン装置の応答特性を示すグラフであり、（ａ）は従来の可変分光素子により制御した場合のグラフ、（ｂ）は本実施例の可変分光素子により制御された場合のグラフである。
【図６】図１のエタロン装置の第１の変形例を示す平面図である。
【図７】図１のエタロン装置の第２の変形例を示す平面図である。
【図８】図１のエタロン装置の第３の変形例を示す平面図である。
【図９】図１のエタロン装置の第４の変形例を示す断面図である。
【図１０】実施例２に係る可変分光素子のエタロン装置を示す断面図である。
【図１１】図１０のエタロン装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１〜図５を用いて、本発明に係る可変分光素子の第１の実施例について説明し、その後、図６〜図９を用いて４つの変形例について説明する。
【００１８】
なお、図１は、本実施例に係る可変分光素子のエタロン装置を示す断面図である。図２は、図１のエタロン装置の平面図である。図３は、図１のエタロン装置の一対の光学基板及び４つのピエゾ素子の作動を示す模式図である。図４は、実施例１に係る可変分光素子の制御部の行う演算を示すブロック図である。図５は、図１のエタロン装置の応答特性を示すグラフであり、（ａ）は従来の可変分光素子により制御した場合のグラフ、（ｂ）は本実施例の可変分光素子により制御された場合のグラフである。図６は、図１のエタロン装置の第１の変形例を示す平面図である。図７は、図１のエタロン装置の第２の変形例を示す平面図である。図８は、図１のエタロン装置の第３の変形例を示す平面図である。図９は、図１のエタロン装置の第４の変形例を示す断面図である。
【００１９】
本実施例に係る可変分光素子は、図１及び図２に示すエタロン装置と、不図示の制御部とによって構成されている。
【００２０】
まず、図１及び図２を用いて、この可変分光素子のエタロン装置の構成について説明する。
【００２１】
このエタロン装置は、図１及び図２に示すように、外枠１の内部に、一対の光学基板２と、一対の光学基板２の対向する面同士の面間隔の測定手段である静電容量センサと、一対の光学基板２の一方の基板を移動させるためのアクチュエータであり不図示の制御部により駆動を制御されるピエゾ素子を備えている。
【００２２】
外枠１は、筒状部材１1の端面の一方に環状部材１2を、他方に環状部材１3を取り付けて構成されている。
【００２３】
また、環状部材１2，１3には、その略中央部に、円形の開口部１2ａ，１3ａが形成されているが、このエタロン装置では、その開口部１2ａ，１3ａを光が通過する。
【００２４】
一対の光学基板２は、対向する面が空間を隔てて互いに平行となるように配置されている固定基板２1と可動基板２2とからなっている。それらのうち、固定基板２1は、外枠１の内部において開口部１2ａ，１3ａを通過する光の軸を横切るようにして外枠１の環状部材１2に固定された円板状の光学部材である。一方、可動基板２2は、開口部１2ａ，１3ａを通過する光を横切るようにしてピエゾ素子に保持された円板状の光学部材である。
【００２５】
このような一対の光学基板２は、可動基板２2が、開口部１2ａ、１3ａを通過する光の軸に沿う方向、すなわち、一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向に、ピエゾ素子によって移動させられることにより、対向する面の間隔が変化し得るようになっている。
【００２６】
第１静電容量センサ３1、第２静電容量センサ３2、第３静電容量センサ３3、第４静電容量センサ３4は、それぞれ、一対の電極３11と３12、３21と３22、３31と３32、３41と３42からなっている。そして、それらの一対の電極は、一対の光学基板２の対向する面上であって外枠１の開口部１2ａ，１3ａを通過する光を遮らない位置に、互いに対向するようにして配置されている。
【００２７】
なお、これらの静電容量センサは、電極間の静電容量が面間隔に反比例して変化する特性を有している。そして、このエタロン装置では、これらの静電容量センサにより取得した値を光学基板２の面間隔値に変換し不図示の制御部へ出力している。
【００２８】
第１ピエゾ素子４1、第２ピエゾ素子４2、第３ピエゾ素子４3、第４ピエゾ素子４4は、それぞれ、外枠１の内部において開口１2ａ，１3ａを通過する光を遮らないようにして外枠１の環状部材１3に固定されている。
【００２９】
そして、第１ピエゾ素子４1は第１静電容量センサ３1と、第２ピエゾ素子４2は第２静電容量センサ３2と、第３ピエゾ素子４3は第３静電容量センサ３3と、第４ピエゾ素子４4は第４静電容量センサ３4と、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、重なる位置に配置されている。
【００３０】
また、第１静電容量センサ３1及び第１ピエゾ素子４1と、第３静電容量センサ３3及び第３ピエゾ素子４3とは、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、その重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されている。
【００３１】
一方、第２静電容量センサ３2及び第２ピエゾ素子４2と、第４静電容量センサ３4及び第４ピエゾ素子４4とは、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、その重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されている。
【００３２】
つまり、第１静電容量センサ３1及び第１ピエゾ素子４1と、第２静電容量センサ３2及び第２ピエゾ素子４2と、第３静電容量センサ３3及び第３ピエゾ素子４3と、第４静電容量センサ３4及び第４ピエゾ素子４4とは、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、等間隔に配置されている。
【００３３】
次に、図３を用いて、本実施例に係る可変分光素子のエタロン装置における可動基板２2の動作及びその制御について説明する。
【００３４】
図３に示すように、固定基板２1に対して可動基板２2を移動させて一対の光学基板２の面間隔をｘoにしようとする場合、従来のエタロン装置においては、一対の光学基板２の面間隔が目標値ｘoとなるように、第１静電容量センサ３1の出力値に基づいて第１静電容量センサ３1の配置位置における面間隔が目標値ｘoとなるように第１ピエゾ素子４1を駆動させ、同様に、第２静電容量センサ３2の出力値に基づいて第２ピエゾ素子４2を、第３静電容量センサ３3の出力値に基づいて第３ピエゾ素子４3を、第４静電容量センサ３4の出力値に基づいて第４ピエゾ素子４4を駆動させていた。
【００３５】
しかし、そのような制御では、例えば、第１ピエゾ素子４1を正確に駆動させて第１静電容量センサ３1の配置位置における一対の光学基板２の面間隔を目標値ｘoにしたとしても、その後、第１ピエゾ素子４1に隣接するように配置されている第２ピエゾ素子４2や第４ピエゾ素子４4が駆動する際に生ずる干渉によって、目標値ｘoに対して面間隔が変化してしまうことがあった。
【００３６】
そこで、その解消方法としては、ＰＩＤ制御（Proportional Integral Derivative Control）などのフィードバック制御を採用する方法があるが、その場合、光学基板の面間隔が目標値ｘoになるまでには長い時間が必要である。
【００３７】
また、他の解消方法としては、各ピエゾ素子に対し、他のピエゾ素子等による干渉を事前に計算した値を指令値として与える方法があるが、その指令値の算出は非常に複雑になるため、同様に、一対の光学基板２の面間隔が目標値ｘoになるまでには長い時間が必要である。
【００３８】
そこで、本実施例に係る可変分光素子では、第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4による４つの出力値を、３つのパラメータに変換して演算を行い、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4の駆動を制御している。
【００３９】
ここで、図３〜図５を用いて、本実施例の可変分光素子の制御部の行う演算について詳細に説明する。
【００４０】
本実施例の可変分光素子において、図３に示すように、固定基板２1に対して可動基板２2を移動させて一対の光学基板２の面間隔をｘoにしようとする場合、まず、図４に示すように、制御部に目標値入力部５1を介して、固定基板２1の対向する面の重心Ｇ1と可動基板２2の対向する面の重心Ｇ2との間隔の目標値ｘo、それらの重心同士を結んだ線に垂直な面と可動基板２2の対抗する面とがなす第１の角度の目標値θo及び第２の角度の目標値φoを入力する。
【００４１】
次に、センサ出力変換部５2が、第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4により測定された各静電容量センサの配置位置における光学基板の面間隔ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4を取得するとともに、それらの面間隔ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4を、重心Ｇ1と重心Ｇ2との間隔の現在値ｘ、第１の角度の現在値θ及び第２の角度の現在値φに変換する。
【００４２】
具体的には、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心同士の間隔ｘは、以下の式により求められる。
ｘ＝（ｘ1＋ｘ2＋ｘ3＋ｘ4）／４
【００４３】
また、一対の光学基板２の対向する面の重心を結んだ線に垂直な面と可動基板２2の固定基板２1と対抗する面とがなす第１の角度θ及び第２の角度φについては、既知の値である可動基板２2の対向する面の重心Ｇ2から第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4の電極３12、３22、３32、３42の中心までの固定基板２2の対向する面上における距離ｒ31、ｒ32、ｒ33、ｒ34を用いて、以下の式が成り立つ。
ｓｉｎθ＝（ｘ3−ｘ1）／（ｒ31＋ｒ33）
ｓｉｎφ＝（ｘ4−ｘ2）／（ｒ32＋ｒ34）
【００４４】
なお、本実施例においては、
ｒ31＝ｒ32＝ｒ33＝ｒ34＝ｒ
であり、第１の角度θ及び第２の角度φはいずれも十分に小さいため、第１の角度θ及び第２の角度φは以下の式により求められる。
θ＝（ｘ3−ｘ1）／２ｒ
φ＝（ｘ4−ｘ2）／２ｒ
【００４５】
次に、差分値算出部５3において、目標値入力部５1を介して入力された目標値ｘo、θo、φoと、センサ出力変換部５2で変換されたｘ、θ、φとの、それぞれの差分値ｅｘ、ｅθ、ｅφを算出する。
【００４６】
次に、指令値算出部５4において、差分値算出部５3で算出された差分値ｅｘ、ｅθ、ｅφに基づいてＰＩＤ制御を行い、指令値ｘc、θc、φcを求める。
【００４７】
次に、指令値変換部５5において、指令値算出部５4で求めた指令値ｘc、θc、φcを第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4のそれぞれに対する指令値ｘc1、ｘc2、ｘc3、ｘc4に変換する。指令値ｘc1、ｘc2、ｘc3、ｘc4はそれぞれ対応する第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4を駆動する図示しないピエゾ素子ドライバに入力され、このピエゾ素子ドライバにより第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4のそれぞれに駆動電圧が印加される。
【００４８】
なお、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4のそれぞれに対する指令値ｘc1、ｘc2、ｘc3、ｘc4については、既知の値である第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4の中心までの固定基板２2の対向する面上における距離ｒ41、ｒ42、ｒ43、ｒ44を用いて、以下の式が成り立つ。
ｘ1＝ｘc−ｒ41ｓｉｎθc
ｘ2＝ｘc−ｒ42ｓｉｎφc
ｘ3＝ｘc＋ｒ43ｓｉｎθc
ｘ4＝ｘc＋ｒ44ｓｉｎφc
【００４９】
また、本実施例においては、
ｒ41＝ｒ42＝ｒ43＝ｒ44＝ｒ
であり、第１の角度についての指令値θc及び第２の角度についての指令値φcはいずれも十分に小さいため、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4のそれぞれに対する指令値ｘc1、ｘc2、ｘc3、ｘc4は以下の式により求められる。
ｘc1＝ｘ−ｒθc
ｘc2＝ｘ−ｒφc
ｘc3＝ｘ＋ｒθc
ｘc4＝ｘ＋ｒφc
【００５０】
その後、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4は、それぞれに対する指令値ｘc1、ｘc2、ｘc3、ｘc4に基づいてピエゾ素子ドライバにより印加される電圧により駆動され、可動基板２2を移動させて、一対の光学基板２の面間隔ｘを変化させる。
【００５１】
図５は、可変分光素子においてフィードバック制御を行った際のエタロン装置の応答特性に関する実験結果を示すグラフである。なお、縦軸は一対の光学基板の面間隔（ｎｍ）、横軸は時間（ｓｅｃ）であり、（ａ）は従来の可変分光素子による実験結果、（ｂ）は本実施例の可変分光素子による実験結果である。なお、この実験においては、破線で示すように、０．０２秒ごとに目標値を切り替えて信号を入力している。
【００５２】
この図５からもわかるように、本実施例の可変分光素子は、従来の可変分光素子に比べ、一対の光学基板の面間隔が収束するまでの時間が非常に短い。そのため、本発明の可変分光素子は、連続的且つ高速に光学特性を変化させる場合であっても、正確に光学特性を変化させることができる。
【００５３】
次に、図６〜図９を用いて本実施例の可変分光素子のエタロン装置の変形例を示す。
【００５４】
図６に示すエタロン装置は、上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と異なり、第１静電容量センサ３1及び第１ピエゾ素子４1と、第２静電容量センサ３2及び第２ピエゾ素子４2と、第３静電容量センサ３3及び第３ピエゾ素子４3と、第４静電容量センサ３4及び第４ピエゾ素子４4とは、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、等間隔に配置されていない。
【００５５】
しかし、このような配置であっても、第１静電容量センサ３1及び第１ピエゾ素子４1と第３静電容量センサ３3及び第３ピエゾ素子４3、第２静電容量センサ３2及び第２ピエゾ素子４2と第４静電容量センサ３4及び第４ピエゾ素子４4が、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、その重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されていれば、制御部において上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と同様の演算を行って制御を行うことができる。
【００５６】
図７及び図８に示すエタロン装置は、上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と異なり、第１静電容量センサ３1と第１ピエゾ素子４1、第２静電容量センサ３2と第２ピエゾ素子４2、第３静電容量センサ３3と第３ピエゾ素子４3、第４静電容量センサ３4と第４ピエゾ素子４4が、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、重ならない位置に配置されている。
【００５７】
しかし、このような配置であっても、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4の各々が、第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4の各々の中心方向へ伸びる線の線上に配置されていれば、制御部において上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と同様の演算を行って制御を行うことができる。
【００５８】
図９に示すエタロン装置は、上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と異なり、外枠１を備えておらず、第１ピエゾ素子４1、第２ピエゾ素子４2、第３ピエゾ素子４3、第４ピエゾ素子４4が、それぞれ、エタロン装置を通過する光を遮らないようにして、固定基板２1の対向する面上に固定されている。
【００５９】
しかし、このような構成であっても、制御部において上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と同様の演算を行って制御を行うことができる。
【実施例２】
【００６０】
図１０〜図１１を用いて、本発明に係る可変分光素子であるエタロン装置を備えた可変分光素子の第２の実施例について説明する。なお、本実施例の可変分光素子のエタロン装置を構成する部材は、実施例１のエタロン装置を構成する部材と同じであるため、同じ構成を有する部材には、同一の符号を付すとともに、それらについての詳細な説明は省略する。また、本実施例の可変分光素子の制御部の構成や内部で行われる演算は、実施例１の可変分光素子の制御部で行われる演算とほぼ同じであるため、それらについての詳細な説明は省略する。
【００６１】
なお、図１０は、本実施例に係る可変分光素子のエタロン装置を示す断面図である。図１１は、図１０のエタロン装置の平面図である。
【００６２】
図１０及び図１１を用いて、この可変分光素子のエタロン装置の構成について説明する。
【００６３】
本実施例の可変分光素子のエタロン装置においては、実施例１の可変分光素子のエタロン装置と異なり、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4と第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4が、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、交互に等間隔となるように環状に配置されている。
【００６４】
次に、本実施例に係る可変分光素子のエタロン装置における可動基板２2の動作及びその制御について説明する。
【００６５】
実施例１の可変分光素子においては、第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4の出力値から一対の光学基板２の対向する面の重心同士の間隔ｘを算出し、第１、第３静電容量センサ３1、３3の出力値から第１の角度θを算出し、第２、第４静電容量センサ３2、３4の出力値から第２の角度φを算出する。そして、第１、第３ピエゾ素子４1、４3の駆動を重心同士の間隔ｘと第１の角度θに基づいて制御し、第２、第４ピエゾ素子４2、４4の駆動を重心同士の間隔ｘと第２の角度φに基づいて制御している。
【００６６】
これに対し、本実施例の可変分光素子においては、第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4の全ての出力値を用いて重心同士の間隔ｘ、第１の角度θ及び第２の角度φを算出する。そして、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4それぞれの駆動を重心同士の間隔ｘ、第１の角度θ及び第２の角度φに基づいて制御する。
【００６７】
このように、本実施例では、静電容量センサ３と対応するピエゾ素子４とが、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、重なる位置に配置されていないが、静電容量センサ３が検出した一対の光学基板２の対向する面同士の面間隔を、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4の位置における光学基板の面間隔ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4に変換しているため、実施例１と同一の制御を行うことができる。
【００６８】
したがって、本実施例２においても、実施例１の可変分光素子と同様に、本実施例の可変分光素子は、従来の可変分光素子に比べ、一対の光学基板２の面間隔が収束するまでの時間が非常に短い。そのため、本発明の可変分光素子は、連続的且つ高速に光学特性を変化させる場合であっても、正確に光学特性を変化させることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 外枠
１1 筒状部材
１2，１3 環状部材
１2ａ，１3ａ 開口部
２ 一対の光学基板
２1 固定基板
２2 可動基板
３1 第１静電容量センサ
３2 第２静電容量センサ
３3 第３静電容量センサ
３4 第４静電容量センサ
３11，３12，３21，３22，３31，３32，３41，３42 電極
４1 第１ピエゾ素子
４2 第２ピエゾ素子
４3 第３ピエゾ素子
４4 第４ピエゾ素子
５1 目標値入力部
５2 センサ出力変換部
５3 差分値算出部
５4 指令値算出部
５5 指令値変換部
Ｇ1 固定基板の対向する面における重心
Ｇ2 可動基板の対向する面における重心
【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】
従来から、空間を隔てて対向するように配置された一対の光学基板のいずれか一方又は両方を、ピエゾ素子のようなアクチュエータを用いて移動させることにより、それらの光学基板の対向する面同士又はその面上に形成された反射膜同士の面間隔（以下、総称して「光学基板の面間隔」という。）を変化させ、光学特性を変化させることのできる可変分光素子として、エタロン装置と制御部とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、このような可変分光素子においては、光学基板の面間隔を所望の間隔とするために、対向する面上にその面間隔を測定するための静電容量センサを配置し、その静電容量センサにより所定のサンプリング周期で現在の面間隔を測定し、測定した面間隔と所望の面間隔との比較を行い、その比較の結果に基づいてアクチュエータを駆動させて面間隔の調整を行うものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２９１４９号公報
【特許文献２】特開平６−２４１８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１，２に記載されているような可変分光素子は、例えば、分光特性を連続的に変化させた画像の取得を行う分光内視鏡装置等において用いるときのように、連続的且つ高速に光学特性を変化させなければならない場合、画像取得のサンプリング周期の１フレームという極めて短い時間内に、アクチュエータを制御して光学基板の面間隔を変化させなければならない。
【０００６】
また、特許文献１，２に記載されているような可変分光素子の光学特性は、一対の光学基板の対向する面同士又はその面上に形成された反射膜同士の平行度に大きく影響を受けるため、アクチュエータの制御は正確なものでなければならない。
【０００７】
しかし、特許文献１，２に記載されているような可変分光素子のように、光学基板の面間隔と対向する面の平行度を４つの静電容量センサからの出力値に基づいて制御しようとする場合、アクチュエータ同士の相互の干渉を考慮して４つのアクチュエータを制御する必要がある。そして、そのような演算処理は複雑であるため、制御に時間がかかり、光学特性の変化を高速にすることができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高速且つ正確に光学特性を変化させることのできる可変分光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の可変分光素子は、間隔を隔てて対向するように配置された一対の光学基板と、各々が前記一対の光学基板の対向する面の夫々に配置された一対の電極部を有していて各々の配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を検出する第１乃至第４静電容量センサと、前記一対の光学基板の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させて前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を変化させる第１乃至第４アクチュエータを備えた可変分光素子において、前記第１静電容量センサと前記第３静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、前記第２静電容量センサと前記第４静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、前記第１乃至第４アクチュエータの各々が、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心から前記第１乃至第４静電容量センサの各々の中心方向へ伸びる線の線上に配置されており、前記第１乃至第４静電容量センサによる信号から前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心同士の間隔を算出し、前記第１静電容量センサによる信号と前記第３静電容量センサによる信号とから前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第１の角度を算出し、前記第２静電容量センサによる信号と前記第４静電容量センサによる信号とから前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第２の角度を算出し、前記重心同士の間隔及び前記第１の角度に基づいて前記第１及び第３アクチュエータを駆動し、前記重心同士の間隔及び前記第２の角度に基づいて前記第２及び第３アクチュエータを駆動する制御部を備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の可変分光素子は、前記第１乃至第４静電容量センサ各々と前記第１乃至第４アクチュエータの各々とが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて重なる位置に配置されており、以下の条件式を満足することが好ましい。
ｘ1＝ｘ−ｒｓｉｎθ
ｘ2＝ｘ−ｒｓｉｎφ
ｘ3＝ｘ＋ｒｓｉｎθ
ｘ4＝ｘ＋ｒｓｉｎφ
ただし、ｘは前記重心同士の間隔、ｘ1、ｘ2、ｘ3及びｘ4はそれぞれ前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の面間隔、θは前記第１の角度、φは前記第２の角度、ｒは前記可動基板の対向する面上における重心から前記静電容量センサまでの距離である。
【００１１】
また、本発明の可変分光素子は、前記制御部が、前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の平均から前記重心同士の間隔を算出し、前記第１乃及び第３静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の差分から前記第１の角度を算出し、前記第２乃及び第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の差分から前記第２の角度を算出することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の可変分光素子は、前記第１乃至第４静電容量センサ各々と前記第１乃至第４アクチュエータの各々とが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて重なる位置に配置されており、以下の条件式を満足することが好ましい。
ｘ＝（ｘ1＋ｘ2＋ｘ3＋ｘ4）／４
θ＝Ｒ1（ｘ3−ｘ1）
φ＝Ｒ2（ｘ4−ｘ2）
ただし、ｘは前記重心同士の間隔、ｘ1、ｘ2、ｘ3及びｘ4はそれぞれ前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔、θは前記第１の角度、φは前記第２の角度、Ｒ1及びＲ2は所定の係数である。
【００１３】
また、上記の目的を達成するために、本発明の可変分光素子は、間隔を隔てて対向するように配置された一対の光学基板と、各々が前記一対の光学基板の対向する面の夫々に配置された一対の電極部を有していて各々の配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を検出する第１乃至第４静電容量センサと、前記一対の光学基板の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させて前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を変化させる第１乃至第４アクチュエータを備えた可変分光素子において、前記第１静電容量センサと前記第３静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、前記第２静電容量センサと前記第４静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、前記第１乃至第４静電容量センサと前記第１乃至第４アクチュエータが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて交互に等間隔となるように環状に配置されており、前記第１乃至第４静電容量センサによる信号から前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心同士の間隔を算出し、前記第１乃至第４の静電容量センサによる信号から求めた第１及び第３アクチュエータの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の値を用いて前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第１の角度を算出し、前記第１乃至第４の静電容量センサによる信号から求めた第２及び第４アクチュエータの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の値を用いて前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第２の角度を算出し、前記重心同士の間隔、前記第１の角度及び前記第２の角度に基づいて前記第１乃至第４アクチュエータを駆動する制御部を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高速且つ正確に光学特性を変化させることのできる可変分光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１に係る可変分光素子のエタロン装置を示す断面図である。
【図２】図１のエタロン装置の平面図である。
【図３】図１のエタロン装置の一対の光学基板及び４つのピエゾ素子の作動を示す模式図である。
【図４】実施例１に係る可変分光素子の制御部の行う演算を示すブロック図である。
【図５】図１のエタロン装置の応答特性を示すグラフであり、（ａ）は従来の可変分光素子により制御した場合のグラフ、（ｂ）は本実施例の可変分光素子により制御された場合のグラフである。
【図６】図１のエタロン装置の第１の変形例を示す平面図である。
【図７】図１のエタロン装置の第２の変形例を示す平面図である。
【図８】図１のエタロン装置の第３の変形例を示す平面図である。
【図９】図１のエタロン装置の第４の変形例を示す断面図である。
【図１０】実施例２に係る可変分光素子のエタロン装置を示す断面図である。
【図１１】図１０のエタロン装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１〜図５を用いて、本発明に係る可変分光素子の第１の実施例について説明し、その後、図６〜図９を用いて４つの変形例について説明する。
【００１８】
なお、図１は、本実施例に係る可変分光素子のエタロン装置を示す断面図である。図２は、図１のエタロン装置の平面図である。図３は、図１のエタロン装置の一対の光学基板及び４つのピエゾ素子の作動を示す模式図である。図４は、実施例１に係る可変分光素子の制御部の行う演算を示すブロック図である。図５は、図１のエタロン装置の応答特性を示すグラフであり、（ａ）は従来の可変分光素子により制御した場合のグラフ、（ｂ）は本実施例の可変分光素子により制御された場合のグラフである。図６は、図１のエタロン装置の第１の変形例を示す平面図である。図７は、図１のエタロン装置の第２の変形例を示す平面図である。図８は、図１のエタロン装置の第３の変形例を示す平面図である。図９は、図１のエタロン装置の第４の変形例を示す断面図である。
【００１９】
本実施例に係る可変分光素子は、図１及び図２に示すエタロン装置と、不図示の制御部とによって構成されている。
【００２０】
まず、図１及び図２を用いて、この可変分光素子のエタロン装置の構成について説明する。
【００２１】
このエタロン装置は、図１及び図２に示すように、外枠１の内部に、一対の光学基板２と、一対の光学基板２の対向する面同士の面間隔の測定手段である静電容量センサと、一対の光学基板２の一方の基板を移動させるためのアクチュエータであり不図示の制御部により駆動を制御されるピエゾ素子を備えている。
【００２２】
外枠１は、筒状部材１1の端面の一方に環状部材１2を、他方に環状部材１3を取り付けて構成されている。
【００２３】
また、環状部材１2，１3には、その略中央部に、円形の開口部１2ａ，１3ａが形成されているが、このエタロン装置では、その開口部１2ａ，１3ａを光が通過する。
【００２４】
一対の光学基板２は、対向する面が空間を隔てて互いに平行となるように配置されている固定基板２1と可動基板２2とからなっている。それらのうち、固定基板２1は、外枠１の内部において開口部１2ａ，１3ａを通過する光の軸を横切るようにして外枠１の環状部材１2に固定された円板状の光学部材である。一方、可動基板２2は、開口部１2ａ，１3ａを通過する光を横切るようにしてピエゾ素子に保持された円板状の光学部材である。
【００２５】
このような一対の光学基板２は、可動基板２2が、開口部１2ａ、１3ａを通過する光の軸に沿う方向、すなわち、一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向に、ピエゾ素子によって移動させられることにより、対向する面の間隔が変化し得るようになっている。
【００２６】
第１静電容量センサ３1、第２静電容量センサ３2、第３静電容量センサ３3、第４静電容量センサ３4は、それぞれ、一対の電極３11と３12、３21と３22、３31と３32、３41と３42からなっている。そして、それらの一対の電極は、一対の光学基板２の対向する面上であって外枠１の開口部１2ａ，１3ａを通過する光を遮らない位置に、互いに対向するようにして配置されている。
【００２７】
なお、これらの静電容量センサは、電極間の静電容量が面間隔に反比例して変化する特性を有している。そして、このエタロン装置では、これらの静電容量センサにより取得した値を光学基板２の面間隔値に変換し不図示の制御部へ出力している。
【００２８】
第１ピエゾ素子４1、第２ピエゾ素子４2、第３ピエゾ素子４3、第４ピエゾ素子４4は、それぞれ、外枠１の内部において開口１2ａ，１3ａを通過する光を遮らないようにして外枠１の環状部材１3に固定されている。
【００２９】
そして、第１ピエゾ素子４1は第１静電容量センサ３1と、第２ピエゾ素子４2は第２静電容量センサ３2と、第３ピエゾ素子４3は第３静電容量センサ３3と、第４ピエゾ素子４4は第４静電容量センサ３4と、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、重なる位置に配置されている。
【００３０】
また、第１静電容量センサ３1及び第１ピエゾ素子４1と、第３静電容量センサ３3及び第３ピエゾ素子４3とは、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、その重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されている。
【００３１】
一方、第２静電容量センサ３2及び第２ピエゾ素子４2と、第４静電容量センサ３4及び第４ピエゾ素子４4とは、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、その重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されている。
【００３２】
つまり、第１静電容量センサ３1及び第１ピエゾ素子４1と、第２静電容量センサ３2及び第２ピエゾ素子４2と、第３静電容量センサ３3及び第３ピエゾ素子４3と、第４静電容量センサ３4及び第４ピエゾ素子４4とは、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、等間隔に配置されている。
【００３３】
次に、図３を用いて、本実施例に係る可変分光素子のエタロン装置における可動基板２2の動作及びその制御について説明する。
【００３４】
図３に示すように、固定基板２1に対して可動基板２2を移動させて一対の光学基板２の面間隔をｘoにしようとする場合、従来のエタロン装置においては、一対の光学基板２の面間隔が目標値ｘoとなるように、第１静電容量センサ３1の出力値に基づいて第１静電容量センサ３1の配置位置における面間隔が目標値ｘoとなるように第１ピエゾ素子４1を駆動させ、同様に、第２静電容量センサ３2の出力値に基づいて第２ピエゾ素子４2を、第３静電容量センサ３3の出力値に基づいて第３ピエゾ素子４3を、第４静電容量センサ３4の出力値に基づいて第４ピエゾ素子４4を駆動させていた。
【００３５】
しかし、そのような制御では、例えば、第１ピエゾ素子４1を正確に駆動させて第１静電容量センサ３1の配置位置における一対の光学基板２の面間隔を目標値ｘoにしたとしても、その後、第１ピエゾ素子４1に隣接するように配置されている第２ピエゾ素子４2や第４ピエゾ素子４4が駆動する際に生ずる干渉によって、目標値ｘoに対して面間隔が変化してしまうことがあった。
【００３６】
そこで、その解消方法としては、ＰＩＤ制御（Proportional Integral Derivative Control）などのフィードバック制御を採用する方法があるが、その場合、光学基板の面間隔が目標値ｘoになるまでには長い時間が必要である。
【００３７】
また、他の解消方法としては、各ピエゾ素子に対し、他のピエゾ素子等による干渉を事前に計算した値を指令値として与える方法があるが、その指令値の算出は非常に複雑になるため、同様に、一対の光学基板２の面間隔が目標値ｘoになるまでには長い時間が必要である。
【００３８】
そこで、本実施例に係る可変分光素子では、第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4による４つの出力値を、３つのパラメータに変換して演算を行い、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4の駆動を制御している。
【００３９】
ここで、図３〜図５を用いて、本実施例の可変分光素子の制御部の行う演算について詳細に説明する。
【００４０】
本実施例の可変分光素子において、図３に示すように、固定基板２1に対して可動基板２2を移動させて一対の光学基板２の面間隔をｘoにしようとする場合、まず、図４に示すように、制御部に目標値入力部５1を介して、固定基板２1の対向する面の重心Ｇ1と可動基板２2の対向する面の重心Ｇ2との間隔の目標値ｘo、それらの重心同士を結んだ線に垂直な面と可動基板２2の対抗する面とがなす第１の角度の目標値θo及び第２の角度の目標値φoを入力する。
【００４１】
次に、センサ出力変換部５2が、第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4により測定された各静電容量センサの配置位置における光学基板の面間隔ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4を取得するとともに、それらの面間隔ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4を、重心Ｇ1と重心Ｇ2との間隔の現在値ｘ、第１の角度の現在値θ及び第２の角度の現在値φに変換する。
【００４２】
具体的には、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心同士の間隔ｘは、以下の式により求められる。
ｘ＝（ｘ1＋ｘ2＋ｘ3＋ｘ4）／４
【００４３】
また、一対の光学基板２の対向する面の重心を結んだ線に垂直な面と可動基板２2の固定基板２1と対抗する面とがなす第１の角度θ及び第２の角度φについては、既知の値である可動基板２2の対向する面の重心Ｇ2から第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4の電極３12、３22、３32、３42の中心までの固定基板２2の対向する面上における距離ｒ31、ｒ32、ｒ33、ｒ34を用いて、以下の式が成り立つ。
ｓｉｎθ＝（ｘ3−ｘ1）／（ｒ31＋ｒ33）
ｓｉｎφ＝（ｘ4−ｘ2）／（ｒ32＋ｒ34）
【００４４】
なお、本実施例においては、
ｒ31＝ｒ32＝ｒ33＝ｒ34＝ｒ
であり、第１の角度θ及び第２の角度φはいずれも十分に小さいため、第１の角度θ及び第２の角度φは以下の式により求められる。
θ＝（ｘ3−ｘ1）／２ｒ
φ＝（ｘ4−ｘ2）／２ｒ
【００４５】
次に、差分値算出部５3において、目標値入力部５1を介して入力された目標値ｘo、θo、φoと、センサ出力変換部５2で変換されたｘ、θ、φとの、それぞれの差分値ｅｘ、ｅθ、ｅφを算出する。
【００４６】
次に、指令値算出部５4において、差分値算出部５3で算出された差分値ｅｘ、ｅθ、ｅφに基づいてＰＩＤ制御を行い、指令値ｘc、θc、φcを求める。
【００４７】
次に、指令値変換部５5において、指令値算出部５4で求めた指令値ｘc、θc、φcを第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4のそれぞれに対する指令値ｘc1、ｘc2、ｘc3、ｘc4に変換する。指令値ｘc1、ｘc2、ｘc3、ｘc4はそれぞれ対応する第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4を駆動する図示しないピエゾ素子ドライバに入力され、このピエゾ素子ドライバにより第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4のそれぞれに駆動電圧が印加される。
【００４８】
なお、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4のそれぞれに対する指令値ｘc1、ｘc2、ｘc3、ｘc4については、既知の値である第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4の中心までの固定基板２2の対向する面上における距離ｒ41、ｒ42、ｒ43、ｒ44を用いて、以下の式が成り立つ。
ｘ1＝ｘc−ｒ41ｓｉｎθc
ｘ2＝ｘc−ｒ42ｓｉｎφc
ｘ3＝ｘc＋ｒ43ｓｉｎθc
ｘ4＝ｘc＋ｒ44ｓｉｎφc
【００４９】
また、本実施例においては、
ｒ41＝ｒ42＝ｒ43＝ｒ44＝ｒ
であり、第１の角度についての指令値θc及び第２の角度についての指令値φcはいずれも十分に小さいため、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4のそれぞれに対する指令値ｘc1、ｘc2、ｘc3、ｘc4は以下の式により求められる。
ｘc1＝ｘ−ｒθc
ｘc2＝ｘ−ｒφc
ｘc3＝ｘ＋ｒθc
ｘc4＝ｘ＋ｒφc
【００５０】
その後、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4は、それぞれに対する指令値ｘc1、ｘc2、ｘc3、ｘc4に基づいてピエゾ素子ドライバにより印加される電圧により駆動され、可動基板２2を移動させて、一対の光学基板２の面間隔ｘを変化させる。
【００５１】
図５は、可変分光素子においてフィードバック制御を行った際のエタロン装置の応答特性に関する実験結果を示すグラフである。なお、縦軸は一対の光学基板の面間隔（ｎｍ）、横軸は時間（ｓｅｃ）であり、（ａ）は従来の可変分光素子による実験結果、（ｂ）は本実施例の可変分光素子による実験結果である。なお、この実験においては、破線で示すように、０．０２秒ごとに目標値を切り替えて信号を入力している。
【００５２】
この図５からもわかるように、本実施例の可変分光素子は、従来の可変分光素子に比べ、一対の光学基板の面間隔が収束するまでの時間が非常に短い。そのため、本発明の可変分光素子は、連続的且つ高速に光学特性を変化させる場合であっても、正確に光学特性を変化させることができる。
【００５３】
次に、図６〜図９を用いて本実施例の可変分光素子のエタロン装置の変形例を示す。
【００５４】
図６に示すエタロン装置は、上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と異なり、第１静電容量センサ３1及び第１ピエゾ素子４1と、第２静電容量センサ３2及び第２ピエゾ素子４2と、第３静電容量センサ３3及び第３ピエゾ素子４3と、第４静電容量センサ３4及び第４ピエゾ素子４4とは、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、等間隔に配置されていない。
【００５５】
しかし、このような配置であっても、第１静電容量センサ３1及び第１ピエゾ素子４1と第３静電容量センサ３3及び第３ピエゾ素子４3、第２静電容量センサ３2及び第２ピエゾ素子４2と第４静電容量センサ３4及び第４ピエゾ素子４4が、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、その重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されていれば、制御部において上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と同様の演算を行って制御を行うことができる。
【００５６】
図７及び図８に示すエタロン装置は、上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と異なり、第１静電容量センサ３1と第１ピエゾ素子４1、第２静電容量センサ３2と第２ピエゾ素子４2、第３静電容量センサ３3と第３ピエゾ素子４3、第４静電容量センサ３4と第４ピエゾ素子４4が、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、重ならない位置に配置されている。
【００５７】
しかし、このような配置であっても、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4の各々が、第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4の各々の中心方向へ伸びる線の線上に配置されていれば、制御部において上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と同様の演算を行って制御を行うことができる。
【００５８】
図９に示すエタロン装置は、上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と異なり、外枠１を備えておらず、第１ピエゾ素子４1、第２ピエゾ素子４2、第３ピエゾ素子４3、第４ピエゾ素子４4が、それぞれ、エタロン装置を通過する光を遮らないようにして、固定基板２1の対向する面上に固定されている。
【００５９】
しかし、このような構成であっても、制御部において上記実施例の可変分光素子のエタロン装置と同様の演算を行って制御を行うことができる。
【実施例２】
【００６０】
図１０〜図１１を用いて、本発明に係る可変分光素子であるエタロン装置を備えた可変分光素子の第２の実施例について説明する。なお、本実施例の可変分光素子のエタロン装置を構成する部材は、実施例１のエタロン装置を構成する部材と同じであるため、同じ構成を有する部材には、同一の符号を付すとともに、それらについての詳細な説明は省略する。また、本実施例の可変分光素子の制御部の構成や内部で行われる演算は、実施例１の可変分光素子の制御部で行われる演算とほぼ同じであるため、それらについての詳細な説明は省略する。
【００６１】
なお、図１０は、本実施例に係る可変分光素子のエタロン装置を示す断面図である。図１１は、図１０のエタロン装置の平面図である。
【００６２】
図１０及び図１１を用いて、この可変分光素子のエタロン装置の構成について説明する。
【００６３】
本実施例の可変分光素子のエタロン装置においては、実施例１の可変分光素子のエタロン装置と異なり、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4と第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4が、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、交互に等間隔となるように環状に配置されている。
【００６４】
次に、本実施例に係る可変分光素子のエタロン装置における可動基板２2の動作及びその制御について説明する。
【００６５】
実施例１の可変分光素子においては、第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4の出力値から一対の光学基板２の対向する面の重心同士の間隔ｘを算出し、第１、第３静電容量センサ３1、３3の出力値から第１の角度θを算出し、第２、第４静電容量センサ３2、３4の出力値から第２の角度φを算出する。そして、第１、第３ピエゾ素子４1、４3の駆動を重心同士の間隔ｘと第１の角度θに基づいて制御し、第２、第４ピエゾ素子４2、４4の駆動を重心同士の間隔ｘと第２の角度φに基づいて制御している。
【００６６】
これに対し、本実施例の可変分光素子においては、第１〜第４静電容量センサ３1、３2、３3、３4の全ての出力値を用いて重心同士の間隔ｘ、第１の角度θ及び第２の角度φを算出する。そして、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4それぞれの駆動を重心同士の間隔ｘ、第１の角度θ及び第２の角度φに基づいて制御する。
【００６７】
このように、本実施例では、静電容量センサ３と対応するピエゾ素子４とが、一対の光学基板２の対向する面の各々の重心を結んだ線に沿う方向からみて、重なる位置に配置されていないが、静電容量センサ３が検出した一対の光学基板２の対向する面同士の面間隔を、第１〜第４ピエゾ素子４1、４2、４3、４4の位置における光学基板の面間隔ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4に変換しているため、実施例１と同一の制御を行うことができる。
【００６８】
したがって、本実施例２においても、実施例１の可変分光素子と同様に、本実施例の可変分光素子は、従来の可変分光素子に比べ、一対の光学基板２の面間隔が収束するまでの時間が非常に短い。そのため、本発明の可変分光素子は、連続的且つ高速に光学特性を変化させる場合であっても、正確に光学特性を変化させることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 外枠
１1 筒状部材
１2，１3 環状部材
１2ａ，１3ａ 開口部
２ 一対の光学基板
２1 固定基板
２2 可動基板
３1 第１静電容量センサ
３2 第２静電容量センサ
３3 第３静電容量センサ
３4 第４静電容量センサ
３11，３12，３21，３22，３31，３32，３41，３42 電極
４1 第１ピエゾ素子
４2 第２ピエゾ素子
４3 第３ピエゾ素子
４4 第４ピエゾ素子
５1 目標値入力部
５2 センサ出力変換部
５3 差分値算出部
５4 指令値算出部
５5 指令値変換部
Ｇ1 固定基板の対向する面における重心
Ｇ2 可動基板の対向する面における重心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を隔てて対向するように配置された一対の光学基板と、各々が前記一対の光学基板の対向する面の夫々に配置された一対の電極部を有していて各々の配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を検出する第１乃至第４静電容量センサと、前記一対の光学基板の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させて前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を変化させる第１乃至第４アクチュエータを備えた可変分光素子において、
前記第１静電容量センサと前記第３静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、
前記第２静電容量センサと前記第４静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、
前記第１乃至第４アクチュエータの各々が、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心から前記第１乃至第４静電容量センサの各々の中心方向へ伸びる線の線上に配置されており、
前記第１乃至第４静電容量センサによる信号から前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心同士の間隔を算出し、前記第１静電容量センサによる信号と前記第３静電容量センサによる信号とから前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第１の角度を算出し、前記第２静電容量センサによる信号と前記第４静電容量センサによる信号とから前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第２の角度を算出し、前記重心同士の間隔及び前記第１の角度に基づいて前記第１及び第３アクチュエータを駆動し、前記重心同士の間隔及び前記第２の角度に基づいて前記第２及び第３アクチュエータを駆動する制御部を備えていることを特徴とする可変分光素子。
【請求項２】
前記第１乃至第４静電容量センサ各々と前記第１乃至第４アクチュエータの各々とが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて重なる位置に配置されており、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の可変分光素子。
ｘ1＝ｘ−ｒｓｉｎθ
ｘ2＝ｘ−ｒｓｉｎφ
ｘ3＝ｘ＋ｒｓｉｎθ
ｘ4＝ｘ＋ｒｓｉｎφ
ただし、ｘは前記重心同士の間隔、ｘ1、ｘ2、ｘ3及びｘ4はそれぞれ前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔、θは前記第１の角度、φは前記第２の角度、ｒは前記可動基板の対向する面上における重心から前記静電容量センサまでの距離である。
【請求項３】
前記制御部が、前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の平均から前記重心同士の間隔を算出し、前記第１乃及び第３静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の差分から前記第１の角度を算出し、前記第２乃及び第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の差分から前記第２の角度を算出することを特徴とする請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項４】
前記第１乃至第４静電容量センサ各々と前記第１乃至第４アクチュエータの各々とが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて重なる位置に配置されており、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の可変分光素子。
ｘ＝（ｘ1＋ｘ2＋ｘ3＋ｘ4）／４
θ＝Ｒ1（ｘ3−ｘ1）
φ＝Ｒ2（ｘ4−ｘ2）
ただし、ｘは前記重心同士の間隔、ｘ1、ｘ2、ｘ3及びｘ4はそれぞれ前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔、θは前記第１の角度、φは前記第２の角度、Ｒ1及びＲ2は所定の係数である。
【請求項５】
間隔を隔てて対向するように配置された一対の光学基板と、各々が前記一対の光学基板の対向する面の夫々に配置された一対の電極部を有していて各々の配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を検出する第１乃至第４静電容量センサと、前記一対の光学基板の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させて前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を変化させる第１乃至第４アクチュエータを備えた可変分光素子において、
前記第１静電容量センサと前記第３静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、
前記第２静電容量センサと前記第４静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、
前記第１乃至第４静電容量センサと前記第１乃至第４アクチュエータが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて交互に等間隔となるように環状に配置されており、
前記第１乃至第４静電容量センサによる信号から前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心同士の間隔を算出し、前記第１乃至第４の静電容量センサによる信号から求めた第１及び第３アクチュエータの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の値を用いて前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第１の角度を算出し、前記第１乃至第４の静電容量センサによる信号から求めた第２及び第４アクチュエータの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の値を用いて前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第２の角度を算出し、前記重心同士の間隔、前記第１の角度及び前記第２の角度に基づいて前記第１乃至第４アクチュエータを駆動する制御部を備えていることを特徴とする可変分光素子。
【請求項１】
間隔を隔てて対向するように配置された一対の光学基板と、各々が前記一対の光学基板の対向する面の夫々に配置された一対の電極部を有していて各々の配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を検出する第１乃至第４静電容量センサと、前記一対の光学基板の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させて前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を変化させる第１乃至第４アクチュエータを備えた可変分光素子において、
前記第１静電容量センサと前記第３静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、
前記第２静電容量センサと前記第４静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、
前記第１乃至第４アクチュエータの各々が、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心から前記第１乃至第４静電容量センサの各々の中心方向へ伸びる線の線上に配置されており、
前記第１乃至第４静電容量センサによる信号から前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心同士の間隔を算出し、前記第１静電容量センサによる信号と前記第３静電容量センサによる信号とから前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第１の角度を算出し、前記第２静電容量センサによる信号と前記第４静電容量センサによる信号とから前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第２の角度を算出し、前記重心同士の間隔及び前記第１の角度に基づいて前記第１及び第３アクチュエータを駆動し、前記重心同士の間隔及び前記第２の角度に基づいて前記第２及び第３アクチュエータを駆動する制御部を備えていることを特徴とする可変分光素子。
【請求項２】
前記第１乃至第４静電容量センサ各々と前記第１乃至第４アクチュエータの各々とが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて重なる位置に配置されており、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の可変分光素子。
ｘ1＝ｘ−ｒｓｉｎθ
ｘ2＝ｘ−ｒｓｉｎφ
ｘ3＝ｘ＋ｒｓｉｎθ
ｘ4＝ｘ＋ｒｓｉｎφ
ただし、ｘは前記重心同士の間隔、ｘ1、ｘ2、ｘ3及びｘ4はそれぞれ前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔、θは前記第１の角度、φは前記第２の角度、ｒは前記可動基板の対向する面上における重心から前記静電容量センサまでの距離である。
【請求項３】
前記制御部が、前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の平均から前記重心同士の間隔を算出し、前記第１乃及び第３静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の差分から前記第１の角度を算出し、前記第２乃及び第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の差分から前記第２の角度を算出することを特徴とする請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項４】
前記第１乃至第４静電容量センサ各々と前記第１乃至第４アクチュエータの各々とが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて重なる位置に配置されており、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の可変分光素子。
ｘ＝（ｘ1＋ｘ2＋ｘ3＋ｘ4）／４
θ＝Ｒ1（ｘ3−ｘ1）
φ＝Ｒ2（ｘ4−ｘ2）
ただし、ｘは前記重心同士の間隔、ｘ1、ｘ2、ｘ3及びｘ4はそれぞれ前記第１乃至第４静電容量センサの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔、θは前記第１の角度、φは前記第２の角度、Ｒ1及びＲ2は所定の係数である。
【請求項５】
間隔を隔てて対向するように配置された一対の光学基板と、各々が前記一対の光学基板の対向する面の夫々に配置された一対の電極部を有していて各々の配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を検出する第１乃至第４静電容量センサと、前記一対の光学基板の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させて前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔を変化させる第１乃至第４アクチュエータを備えた可変分光素子において、
前記第１静電容量センサと前記第３静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、
前記第２静電容量センサと前記第４静電容量センサとが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として対称となる位置に配置されており、
前記第１乃至第４静電容量センサと前記第１乃至第４アクチュエータが、前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心を結んだ線を軸として該軸に沿う方向からみて交互に等間隔となるように環状に配置されており、
前記第１乃至第４静電容量センサによる信号から前記一対の光学基板の対向する面の各々の重心同士の間隔を算出し、前記第１乃至第４の静電容量センサによる信号から求めた第１及び第３アクチュエータの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の値を用いて前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第１の角度を算出し、前記第１乃至第４の静電容量センサによる信号から求めた第２及び第４アクチュエータの配置位置における前記一対の光学基板の対向する面同士の面間隔の値を用いて前記重心を結んだ線に垂直な面と移動させる前記光学基板の前記対向する面とがなす第２の角度を算出し、前記重心同士の間隔、前記第１の角度及び前記第２の角度に基づいて前記第１乃至第４アクチュエータを駆動する制御部を備えていることを特徴とする可変分光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２０９５７４（Ｐ２０１１−２０９５７４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７８２１３（Ｐ２０１０−７８２１３）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]