JPH0792529B2 - 漏れ調整式線形可変フィルタ及び漏れを調整する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は線形可変フィルタに関す
る。本発明は特に、１つ以上のフィルタを構成し、そし
て、フィルタに沿って長さの線形関数として帯域外の好
ましくない放射を阻止する多層積重ねフィルタに関す
る。

【従来の技術】多年の間、円形可変フィルタ（ＣＶＦ）
と線形可変フィルタ（ＬＶＦ）が製造されている。これ
らは、例えば、１９５５年５月１７日に公告されたカバ
ノーの米国特許第２，７０８，３８９号、１９６９年５
月６日に公告された米国特許第３，４４２，５７２号、
および、可変フィルタおよびその製造方法に関連して、
１９７０年９月２９日に公告された米国特許第３，５３
０，８２４号に開示されている。図１に概略的に示され
ているように、ＣＶＦフィルタ１は、フィルタの部分４
に、次いで検出器５又はスリットの後ろの他の光学受信
器に、入射光３をくっきりと投射するスリット又は開口
２を所持して使用されてきた。円形および線形可変フィ
ルタは、帯域幅および中央波長を定め、かつ、帯域外の
好ましくない光を遮る多層誘電性スタックを使用してい
る。層の厚さ、従って、帯域の中央波長は、フィルタに
沿った、すなわち線形可変フィルタの場合には長さに沿
った、また円形可変フィルタの場合には角度位置に沿っ
た位置の関数として変動する。従って、帯域の特性の波
長中央は、フィルタが開口を移動すると、一定の方法で
変動する。帯域フィルタの中央波長とＬＶＦの物理的長
さとの関係は普通、ほほ直線である。干渉技術による全
ての好ましくない光の除去に必要とされる多くの層を収
容するために、１つの基板以上の層を分布させることが
通常必要である。単一の基板の両側をコーティングする
のが良く、多くの用途について、多数の光学的透過基板
が、機械的な完全さを満足することなしに、層の全てを
収容するために使用される。線形検出器のアレイの有用
性および入手容易性が増大するにつれて、多数の波長の
放射を同時に受信し区別することができる一体分散要素
および検出器を作り出すため、同等の寸法の線形検出器
のアレイをもつ線形可変フィルタを一対にして考慮する
ことが極めて魅力的になった。図２は、このようなＬＶ
Ｆシステムを概略的に示している。入射光７は、走査す
ることなしに線形フィルタ６にあふれ、ＣＤＤ（帯電結
合装置）又は他の適当な装置である関連した線形フィル
タ８によって検出される。あいにく、１つ以上の面がコ
ーティングされている場合には、多層干渉フィルタにつ
いて従来の設計はこれと結合して作動しないことが論証
されてきた。特に、多層フィルタが少なくとも２つの面
に分布した層を有している場合、個々の面が波長の関数
として異なる反射／透過特性を有している場合、そし
て、これらの特性が面上の物理的位置の適所に従って変
動する場合には、或る波長の光はフィルタから不意に漏
れることがある。次に、詳細な説明で深さに関連して議
論されている特別なウェッジフィルタの例について簡単
に考えよう。例示の線形ウェッジフィルタは、５４６ｎ
ｍの中央波長のところにフィルタ位置を有する。５４６
ｎｍの入射光が、対応する５４６ｎｍの位置で垂直に入
射することなく、フィルタの方へ僅かに角度をなしてい
る場合には、フィルタを通って透過する前に、フィルタ
に沿って長さ方向に変位し、５４６ｎｍの調整位置から
間隔を隔てた位置で検出される。すなわち、長さ方向前
進又は漏れのため、角度をつけられた入射光は、５４６
ｎｍの光が見えないであろう検出位置で検出される。

【発明が解決しようとする課題】上述の議論を考慮する
と、本発明の主な目的は、図２に示された型式、すなわ
ち漏れが調整される型式の線形可変フィルタを提供する
ことである。本発明の関連した目的は、漏れがフィルタ
の光学的効率を実質的に減少させないように調整又は抑
制する構造のフィルタを提供することである。

【課題を解決するための手段】ある観点では、本発明
は、少なくとも複数の光学透過性の基板を含み、入射光
の所定波長に対するフィルタの作動特性がフィルタに沿
った所定位置に対応するように、該基板には、フィルタ
に沿って長さ方向位置に従って波長の増加する入射光の
所望の透過を得るための、薄い光学的フィルムフィルタ
が設けられており、前記基板は、長さ方向に沿った非対
応位置で所定波長の光の漏れを阻止するため、フィルタ
に沿って光の長さ方向の前進を押さえるように適合され
ている線形可変フィルタを提供する。関連した観点で
は、本発明は、フィルタは、所定範囲内において同じ波
長で反射する２つの面が平行でないように構成されてい
る。好適には、構成要素の基板は、互いに対して非平行
角度で配向されている。また、反射波長が重複するフィ
ルタコーティングが、同じ基板の平行な対向面ではな
く、異なる基板に形成される。特定の観点では、適合、
すなわち漏れの調整構造は、互いに対して非平行角度で
基板を配向することを含み、前記角度は、内部反射光を
フィルタの端部ではなく側面に差し向けるため、フィル
タの一方の側での僅かに間隔を隔てた間隔、および、フ
ィルタの他方の側での比較的大きな間隔によって、基板
に沿って波長の増加する方向と直交する方向において基
板間の分離を増加することによって、定められる。ま
た、別の観点では、漏れ調整構造を達成するのは、個々
の基板が互いに対して非平行角度で配向されているこ
と、および、個々の基板の対向した平行面の非重複位置
に、フィルタコーティングが設けられていることにあ
る。好適には、基板は、約１０度の角度で配向されてい
る。別の観点では、適合すなわち漏れ止め構造は、フィ
ルタの内部の僅かに間隔を隔てた光遮断要素のほぼ平ら
なアレイからなる。平らなアレイは、要素のアレイによ
って定められる面がフィルタ面とほぼ平行であるように
配向されており、フィルタ内での光の長さ方向前進を吸
収することによる遮断のため、アレイの個々の要素はフ
ィルタを通る光の伝播方向とほぼ平行である。要素は、
検出器の位置と一致する位置にある要素によって光の遮
断を回避するため、検出器の軸線に対して、僅かな角度
（例えば、５〜２０度）配向されている。別の観点で
は、本発明は、フィルタに沿った光の長さ方向前進を抑
えることを含む、線形可変フィルタに沿って光の漏れを
調整する方法に関する。調整は、フィルタの長さと交差
する内部反射光を差し向けることを含む。変形例とし
て、調整は、吸収によって、内部反射光を長さ方向前進
から遮断することを含む。

【実施例】図３は、特別な型式の線形ウェッジフィルタ
１０の構造を概略的に示しているが、このウェッジフィ
ルタは、本発明の利益なしに形成されたときは、全体と
して多層の誘電性スタックフィルタと関連した漏れの問
題を受ける。図示したフィルタ１０は、典型的には空気
の隙間１４によって分離された３つの間隔を隔てた基板
１１、１２、１３に与えられている。参考のため、波長
の尺度１５が、フィルタ１０の長さに沿って示されてい
る。図示した基板の各々は、２つの平行な面１、２を有
する（入射光７はまず面１に入射する）。図示されてい
るように，基板１１、１２は、両側に多層光学フィルタ
コーティング１１−１、１１−２、１２−１、１２−２
が形成されており、第３の基板１３は、出口側１にのみ
多層光学コーティング１３−１を有する。図２を参照す
ると、フィルタ６の前（入射）面および後（出口）面
が、１６Ｆおよび１６Ｒでそれぞれ示されている。長さ
方向縁部が１７で、横方向縁部が１８で示されている。
また、フィルタの長さ方向および横方向軸線は、図２に
おいて１とｔでそれぞれ示されている。コーティング１
１−１、１１−２、１２−１、１２−２および１３−１
は、図３に示されているように、典型的にはフィルタの
長さ延びた連続コーティングである。例えば、図４乃至
図８において示されている種々の「部分」４１、４２、
４３等は、所定の波長における（除波帯域のような）コ
ーティングの作動特性を示しており、物理的に不連続な
コーティングを示していない。次に図４乃至図８を参照
すると、特別な実施例では、フィルタ１０は、１組の線
形ウェッジフィルタからなる線形可変フィルタであり、
この線形ウェッジフィルタは、基板１１、１２に形成さ
れた、狭帯域フィルタと、阻止フィルタとを有する。さ
らに、第３の基板１３は、ウェッジではなく、３８０ｎ
ｍ（ナノメートル）以下および７１５ｎｍ以上の光を阻
止する第３のフィルタ要素を有する。特に、基板１１
は、面１１−１、１１−２に、長波長フィルタと帯域フ
ィルタの機能を果たすフィルタコーティングが形成され
ている。基板１２は、面１２−１、１２−２に形成され
た短波長フィルタコーティングを有する。基板１３は、
後面１３−２にＵＶ／ＩＲ阻止コーティングを有する。
要約すると、これらのフィルタのコーティングは ３８
０ｎｍ以下と７１５ｎｍ以上のエネルギを阻止し、３８
０〜７１５ｎｍまで変動し且つ図３の適当な波長位置に
対応する位置で生ずる中央波長をもつ帯域フィルタを作
り出す。個々の要素１１、１２、１３、特に、コーティ
ング１１−１、１１−２、１２−１、１２−２、１３−
２の透過曲線が、５４６ｎｍの帯域中央に対応する中央
位置について、図１、図２、図３にそれぞれ示されてい
る。図５は、５０パーセント透過レベルでの除波帯域を
示すバー５１〜５５の形態の同じ情報を示している。図
４および図６乃至図８は、４５９、４９１、６００、６
４０ｎｍの中央波長にそれぞれ相当するフィルタ位置で
の同じ情報を示す。特に、中央波長４５９、４９１、６
００、６４０ｎｍについての情報は、図４のバー４１〜
４６、図５のバー５１〜５７、図６のバー６１〜６６、
図７のバー７１〜７６および図８のバー８１〜８６の形
態をそれぞれ示している。多層円形および線形可変フィルタの固有の漏れ特性 図示したフィルタは、図２に概略的に示した技術による
平行なレーザー光で照射されたとき、予想したように作
動した。しかしながら、５４６ｎｍのレーザー光の収束
ビームがフィルタに入射したとき、４５６および６４０
ｎｍのフィルタ帯域波長に対応する検出器画素が、５４
６ｎｍの予想位置に照明されている。簡単に言えば、か
かるフィルタの代表的なものでは、中央帯域波長に対応
する光は、フィルタを通る透過完了前に、より短い波長
とより長い波長の両方の方へフィルタに沿って長さ方向
に移動され、かくして、予想した中央波長位置の上方お
よび下方の位置でスプリアスの漏れ信号を得られた。漏れの問題のメカニズムの分析 上述の漏れの問題は、次のように述べることができる。
多層フィルタが２つの平行な面に分布した層を有してい
る場合、個々の面が波長の関数として異なる反射／透過
特性を有する場合、そしてこれらの特性が面の上での物
理的な位置の関数として変動する場合には、或る波長の
光が不意にフィルムを通って漏れることがある。いくつ
かの特定波長の反射光についての特定の位置において、
面１で透過し面２で反射する場合には、この光は面１を
通過し面２によって反射され再び面１を透過する。しか
しながら、２つの面と直交する以外の角度で光が反射し
た場合には、入射位置と異なる位置で反射した後に面２
にあたる。フィルタのいくつかの位置について、光が面
２にあたるこの新しい位置では、透過ではなく反射し、
この場合には、光は反射して面１の方へ戻り、次いで、
面１か面２のいずれかで透過する位置に到達するまで、
フィルタ内を横方向又は長さ方向に進行して多層反射す
る。光が検出位置で面２を通って逃げた場合には、この
漏れた光は、フィルタ全体が透過するようになってはい
ない位置で検出される。かかる分析を上述の例示的なフ
ィルタに適用するため、図５に示した５４６ｎｍの位置
と図６に示した４９１ｎｍの位置との間、すなわち５４
６ｎｍの中央波長の下側の位置での５４６ｎｍの光の通
常の入射を考えよう。この通常の入射光は、基板１２を
通って透過し、面１１−２によって反射され、次いで、
基板を通って再び透過されて、意図したように装置に吸
収される。フィルタは同様に、５４６ｎｍの中央波長位
置と６４０ｎｍの位置との間で通常入射する５４６ｎｍ
の光に対して作用する。しかしながら、光が、垂直に入
射することなくフィルタの短波長端の方へ僅かに角度を
なしている場合には、状況は全く異なる。この場合に
は、光が４９１ｎｍの位置（図６）に接近すると、光は
基板１１で第１の反射をするが、関連した角度のため、
光は異なる位置で基板１２にあたり、そこで、透過しな
いで反射する。５４６ｎｍの入射光は、基板１１と１２
との間で捕捉され、はね返って、フィルタの短波長端の
方へ長さ方向にその経路をたどる。すなわち、光は、フ
ィルタの短波長端の方へ長さ方向に前進する。約４５６
ｎｍの位置では、光はもはや基板１１によって反射され
ず、この位置で検出器画素を通過し又は漏れ、４５６ｎ
ｍの帯域フィルタの位置で検出される。この漏れは、図
４および図６においてＡで示されている。図７および図
８におけるＢを参照すると、フィルタの長波長端の方へ
も同様な状況が存在し、５４６ｎｍのエネルギは６４０
ｎｍの帯域の位置で漏れる。漏れの問題は、５４６ｎｍ
の放射に特有なものではない。一般的には、アレイの物
理的寸法以上にならない限り、同じ現象が、各呼称波長
位置の上方および下方のほぼ１６〜１７パーセントの波
長に相当する位置で漏れが生ずる。さらに、図５および
図６に示したＣについては別の位置があり、約５１０ｎ
ｍよりも長い場合には、照明波長よりも３７パーセント
高い波長に相当する位置で漏れが生ずる。漏れ調整式フィルタ １．非平行配向 ある実施例では、本発明の要旨をなす漏れ調整式フィル
タは、以下の特性に従って設計されている。関心のある
範囲内で同じ波長で反射する２つの面は、平行ではな
い。代表的には、このことは、第１に、コーティングし
た面が互いに僅かな角度をなすように、関連した基板が
アレイ軸線と垂直に角度をなすこと、第２に、反射波長
が重なり合うフィルタが、同じ基板の２つの平行な側面
ではなく異なる基板に形成されることを意味する。代表
的には、平行からの僅かな角度（例えば、５〜１５度）
の逸脱は、２つのコーティング面の間に捕捉された光が
長さ方向ではなくアレイの縁１７の方へ横方向に迅速に
移動し、そして、漏れが生ずる位置に到達する機会を有
しないのを確実にするのに十分である。上述のように、
ここに開示した例示的な漏れ調整式フィルタは、上述の
漏れフィルタ６の変形である。上述のように、変形例は
比較的簡単である。無調整式フィルタでは、基板１１の
両側の面は、図７および図８のＢにおいて、関心のある
範囲内で同じ波長で反射する。図１３を参照すると、調
整式フィルタ９０では、基板１２の側面２の広い帯域
は、基板１２、および位置Ｃのところで重複を増大させ
る新しい短波長フィルタからの長波長と交換される。さ
らに、前者の基板１２は、フィルタの幅ｗに沿って或る
角度、すなわち（図２を参照すると）フィルタの長さ１
と交差する頂部から底部（又は、その逆）方向に傾いて
いる。その結果生ずる基板は、図３の基板１１、１２、
１３に代えて、図１３で９１、９２、９３で示されてい
る。同様に、図３の要素に対応する他の構成要素は、図
３において１Ｘの代わりに９Ｘで示されている。図１２
を含む図は、無縮尺であることに留意されたい。帯域位
置と漏れ位置との間のフィルタ９０の物理的距離は、フ
ィルタの短波長端で最も短い。４００ｎｍの帯域およひ
照明波長については、漏れの位置は、帯域が４７６ｎｍ
の位置であり、４００ｎｍのエネルギは位置４３７のと
ころで要素２を過ぎて入ることができる。光がフィルタ
を移動しなければならない距離は、要素４３７から要素
４７６まで、すなわち、３００ｎｍ（３００ｎｍは０．
４インチに相当する）の中３９ｎｍである。光がフィル
タを前進しなければならない距離は、（３９／３００）
×０．４＝０．０５２インチである（図１２参照）。長
さ方向前進と側方前進との関係は、かなり複雑である。
何故ならば、要素が長さ方向において平行であり、多反
射した光が常に入射角度にあるからである。側方方向に
おいては、角度が反射面間に存在し、反射された角度は
各はね返り毎に急速に増大する。数回はね返ると、捕捉
された光はフィルタの縁に急速に移動する。入射エネル
ギの光線についての最大角度以上の角度で基板９２を傾
けるのがおそらく最良であろう。１０度が最大である。
何故ならば、スペクトルの純度を保つために、入射エネ
ルギがこの値以下に限定されるからである。幅が０．１
インチのフィルタについては、一方の側に０．０２イン
チのスペーサ（図示せず）を使用し他方の側で１０度を
僅かに傾けることによって、これを達成することができ
る。図５のＣでの長波長の漏れは、一番問題となりやす
い。初期の設計では、これは、基板１２の２つの面の間
にあり、これらが平行であるので、多反射光線は、長さ
方向前進におけるのと同様な側方入射角度を保持する。
このことは、４０ｎｍの「重複」については、入射エネ
ルギを、傾斜角度の半分の最大半角に限定しなければな
らないことを意味する。被覆される物質の量が許容でき
ないほど大きい場合には、コーティングを基板１２の側
面１から基板１１の側面１に移すと、これの解決策とな
る。２．内部ブラインドを有するフィルタ 第２の漏れ調整式フィルタの実施例が、図１４において
全体として参照符号１００で示されている。フィルタ１
００は、ベネチャンブラインド構造体１０８を有する。
ブラインド１０８は、多数の僅かに間隔を隔てた吸光要
素１０６からなり、要素１０６の各々は、フィルタ面と
直交し且つ入射光の方向７と平行にそれぞ配向されてい
る。各ブラインド１０８の面は、フィルタ１００の面と
ほぼ平行である。ある特別な例においては、内部ブライ
ンド構造体１０８では、米国ミネソタ州セントポールの
スリーエム社のセフティ・アンド・セキュリティ・ディ
ビジョンから入手可能なプライバシー光制御スクリーン
材料を、約０．８インチの厚さに切断することによって
製造される。２つの薄いブラインド組立体１０８は、一
方が基板１０１と１０２との間に位置決めされており、
他方が基板１０２と１０３との間に位置決めされてい
る。現在好適なブラインドの配向が、入射光７の方向と
平行に、図２の検出器８の方へフィルタ１００を通して
見た立面図である図１５に示されている。好適には、ブ
ラインド要素１０６は、ブラインド要素１０６が検出要
素１０９の正反対に位置決めされているときに（フィル
タを通して横方向への）遮光を阻止するため、フィルタ
の横方向軸線ｔに対して、そして、アレイ１０９の主軸
線に対して、例えば５〜１０度の僅かな角度で配向され
ている（図２参照）。組立体１０８からなるブラインド
要素は、フィルタの光学設計に従って、基板１０１〜１
０３を通る光の透過を可能にするが、長さ方向を横断す
る光を吸収し、これにより、意図した作動或いはフィル
タの効率に実質的に影響を与えることなしに、光の漏れ
を阻止する。ブラインドは、角度的に平行でない基板の
機能を満たしているが、非重複フィルタコーティング構
造を満たしていない（図１３）。

【図面の簡単な説明】

【図１】円形可変フィルタを示した概略図である。

【図２】線形可変フィルタを示した概略図である。

【図３】非調整式線形可変フィルタの長さ方向横断面図
である。

【図４】図３に示した波長位置における非調整式可変フ
ィルタのコーティング面の透過特性を示した図である。

【図５】図３に示した波長位置における非調整式可変フ
イルタのコーティング面の透過特性を示した図である。

【図６】図３に示した波長位置における非調整式可変フ
ィルタのコーティング面の透過特性を示した図である。

【図７】図３に示した波長位置における非調整式可変フ
ィルタのコーティング面の透過特性を示した図である。

【図８】図３に示した波長位置における非調整式可変フ
ィルタのコーティング面の透過特性を示した図である。

【図９】５４６ｎｍの帯域中央に対応する中央位置につ
いて、図３および図５の基板要素１１の透過曲線を示し
た図である。

【図１０】５４６ｎｍの帯域中央に対応する中央位置に
ついて、図３および図５の基板要素１２の透過曲線を示
した図である。

【図１１】５４６ｎｍの帯域中央に対応する中央位置に
ついて、図３および図５の基板要素１３の透過曲線を示
した図である。

【図１２】図１３のフィルタを作るのに使用される幾何
学的光学関係を示した図である。

【図１３】図１２の線１３−１３における、漏れ調整式
線形可変フィルタの横方向横断面図である。

【図１４】ブラインド型の漏れ抑制を有するＬＶＦであ
る、本願発明の変形例の長さ方向横断面図である。

【図１５】図１４のブラインド要素の好適な配向を示し
た図である。

【符号の説明】

１、２ 面、 １０ 線形ウェッジフィルタ、 １１、１２、１３ 基板、 １１−１、１１−２、１２−１、１２−２、１３−１
コーティング

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】漏れ調整式線形可変フィルタであって、少
   なくとも複数の光学透過性の基板を含み、該基板には、
   フィルタに沿って長さ方向位置に従って波長の増加する
   入射光の所望の透過を得るための、薄い光学的フィルム
   フィルタが設けられており、前記基板は、長さ方向に沿
   った非対応位置で所定波長の光の漏れを阻止するため、
   フィルタに沿って光の長さ方向の前進を押さえるように
   適合されていることを特徴とするフィルタ。
2. 【請求項２】前記適合は、互いに対して非平行角度で配
   向された基板を含み、前記角度は、フィルタの縁の方へ
   内部反射光を差し向けるために、基板に沿って波長の増
   加する方向と直交していることを特徴とする請求項１記
   載のフィルタ。
3. 【請求項３】前記の非平行角度は、約１０度からなるこ
   とを特徴とする請求項２記載のフィルタ。
4. 【請求項４】前記適合は、互いに対して非平行角度で配
   向された基板を含み、前記角度は、フィルタの縁の方へ
   内部反射光を差し向けるために、基板に沿って波長の増
   加する方向と直交しており、個々の基板の平行な対向面
   に形成された光学フィルタコーティングは、光を遮断す
   る波長が重複しないフィルムであることを特徴とする請
   求項１記載のフィルタ。
5. 【請求項５】前記適合は、フィルタに沿って光の長さ方
   向の前進を阻止すするために、フィルタ面とほぼ平行な
   アレイ面、およびフィルタを通る光の伝播方向とほぼ平
   行な個々の要素に対して構成された、僅かに間隔を隔て
   た隙間のある遮光要素のほぼ平らなアレイからなること
   を特徴とする請求項１記載のフィルタ。
6. 【請求項６】要素の配向は、フィルタの横方向軸線との
   平行から僅かに逸脱していること特徴とする請求項５記
   載のフィルタ。
7. 【請求項７】線形可変フィルタに沿って光の漏れを調整
   する方法であって、フィルタに沿って光の長さ方向前進
   を抑えることを含むことを特徴とする方法。
8. 【請求項８】調整は、フィルタの長さ方向と交差する内
   部反射光を差し向けることを含むことを特徴とする請求
   項７記載の方法。
9. 【請求項９】調整は、吸収による長さ方向前進から内部
   反射光を遮ることを含むことを特徴とする請求項７記載
   の方法。