可变分光元件技术领域
本发明涉及可变分光元件。
背景技术
以往，作为可变分光元件，公知的是具有标准具（etalon）装置和控制部，其中，
该可变分光元件利用压电元件这样的致动器，使隔着空间相对配置的一对光学基板中
的任意一方或者双方移动，由此能够改变这些光学基板的相对的面或者形成于这些面
上的反射膜彼此之间的面间隔（以下，统称为光学基板的面间隔），从而改变光学特
性（例如，参照日本特开2008-129149。）。
另外，在这样的可变分光元件中，为了使光学基板的面间隔成为期望的间隔，在
相对的面上配置了用于测定该面间隔的静电电容传感器，利用该静电电容传感器按照
预定的采样周期测定当前的面间隔，并对测定的面间隔和期望的面间隔进行比较，根
据其比较结果对致动器进行驱动，进行面间隔的调整（例如，参照日本特开平
6-241899。）。
发明内容
但是，对于日本特开2008-129149和日本特开平6-241899所记载的那样的可变
分光元件而言，例如，在像把该可变分光元件用到取得分光特性连续变化的画像的分
光内窥镜装置等中时那样，必须连续且高速地改变光学特性的情况下，必须要在取得
画像的采样周期的1帧这样极短的时间内，控制致动器改变光学基板的面间隔。
并且，由于日本特开2008-129149和日本特开平6-241899所记载的那样的可变
分光元件的光学特性受到一对光学基板的相对的面或者形成在这些面上的反射膜彼
此的平行度的影响很大，所以致动器的控制必须要准确。
但是，在像日本特开2008-129149和日本特开平6-241899所记载的可变分光元
件那样，欲根据来自4个静电电容传感器的输出值来控制光学基板的面间隔和相对的
面的平行度的情况下，需要考虑致动器彼此之间的相互干扰来控制4个致动器。并且，
由于这样的运算处理十分复杂，所以在控制上耗费时间，存在无法实现光学特性的高
速变化的问题。
本发明正是鉴于这样的现有技术的问题点而完成的，其目的在于，提供一种能够
高速且准确地改变光学特性的可变分光元件。
为了实现上述目的，本发明的可变分光元件具有：一对光学基板，它们隔着间隔
相对地配置；第1至第4静电电容传感器，它们各自具有分别配置于所述一对光学基
板的相对的面上的一对电极部，检测各个配置位置处的所述一对光学基板的相对的面
彼此之间的面间隔；以及第1至第4致动器，它们使所述一对光学基板中的至少一方
相对于另一方进行相对移动，改变所述一对光学基板的相对的面彼此之间的面间隔，
该可变分光元件的特征在于，所述第1静电电容传感器和所述第3静电电容传感器被
配置在以连接所述一对光学基板的相对的面各自的重心的线为轴而对称的位置处，所
述第2静电电容传感器和所述第4静电电容传感器被配置在以连接所述一对光学基板
的相对的面各自的重心的线为轴而对称的位置处，所述第1至第4致动器分别被配置
在从所述一对光学基板的相对的面各自的重心向所述第1至第4静电电容传感器各自
的中心方向延伸的线的线上，该可变分光元件具有控制部，该控制部根据所述第1
至第4静电电容传感器的信号，计算所述一对光学基板的相对的面各自的重心彼此之
间的间隔，根据所述第1静电电容传感器的信号和所述第3静电电容传感器的信号，
计算与连接所述重心的线垂直的面和移动的所述光学基板的所述相对的面所成的第
1角度，根据所述第2静电电容传感器的信号和所述第4静电电容传感器的信号，计
算与连接所述重心的线垂直的面和移动的所述光学基板的所述相对的面所成的第2
角度，根据所述重心彼此之间的间隔和所述第1角度，对所述第1和第3致动器进行
驱动，根据所述重心彼此之间的间隔和所述第2角度，对所述第2和第3致动器进行
驱动。
另外，在本发明的可变分光元件中，优选的是，以连接所述一对光学基板的相对
的面各自的重心的线为轴，从沿着该轴的方向看，各个所述第1至第4静电电容传感
器和各个所述第1至第4致动器被配置在重叠的位置处，且满足以下条件式：
x1=x-rsinθ
x3=x+rsinθ
其中，x是所述重心彼此之间的间隔，x1、x2、x3和x4分别是所述第1至第4静
电电容传感器的配置位置处的所述一对光学基板的面间隔，θ是所述第1角度，是
所述第2角度，r是所述可动基板的相对的面上从重心到所述静电电容传感器的距离。
另外，在本发明的可变分光元件中，优选的是，所述控制部根据所述第1至第4
静电电容传感器的配置位置处的所述一对光学基板的相对的面彼此之间的面间隔的
平均值，计算所述重心彼此之间的间隔，根据所述第1和第3静电电容传感器的配置
位置处的所述一对光学基板的相对的面彼此之间的面间隔的差分，计算所述第1角
度，根据所述第2和第4静电电容传感器的配置位置处的所述一对光学基板的相对的
面彼此之间的面间隔的差分，计算所述第2角度。
另外，在本发明的可变分光元件中，优选的是，以连接所述一对光学基板的相对
的面各自的重心的线为轴，从沿着该轴的方向看，各个所述第1至第4静电电容传感
器和各个所述第1至第4致动器被配置在重叠的位置处，且满足以下条件式：
x=（x1+x2+x3+x4）/4
θ=R1（x3-x1）
其中，x是所述重心彼此之间的间隔，x1、x2、x3和x4分别是所述第1至第4静
电电容传感器的配置位置处的所述一对光学基板的相对的面彼此之间的面间隔，θ是
所述第1角度，是所述第2角度，R1和R2是预定的常数。
另外，为了实现上述目的，本发明的可变分光元件具有：一对光学基板，它们隔
着间隔相对地配置；第1至第4静电电容传感器，它们各自具有分别配置于所述一对
光学基板的相对的面上的一对电极部，检测各个配置位置处的所述一对光学基板的相
对的面彼此之间的面间隔；以及第1至第4致动器，它们使所述一对光学基板中的至
少一方相对于另一方进行相对移动，改变所述一对光学基板的相对的面彼此之间的面
间隔，该可变分光元件的特征在于，所述第1静电电容传感器和所述第3静电电容传
感器被配置在以连接所述一对光学基板的相对的面各自的重心的线为轴而对称的位
置处，所述第2静电电容传感器和所述第4静电电容传感器被配置在以连接所述一对
光学基板的相对的面各自的重心的线为轴而对称的位置处，以连接所述一对光学基板
的相对的面各自的重心的线为轴，从沿着该轴的方向看，所述第1至第4静电电容传
感器和所述第1至第4致动器交替地、等间隔地配置成环状，该可变分光元件具有控
制部，该控制部根据所述第1至第4静电电容传感器的信号，计算所述一对光学基板
的相对的面各自的重心彼此之间的间隔，使用根据所述第1至第4静电电容传感器的
信号求出的第1和第3致动器的配置位置处的所述一对光学基板的相对的面彼此之间
的面间隔的值，计算与连接所述重心的线垂直的面和移动的所述光学基板的所述相对
的面所成的第1角度，使用根据所述第1至第4静电电容传感器的信号求出的第2
和第4致动器的配置位置处的所述一对光学基板的相对的面彼此之间的面间隔的值，
计算与连接所述重心的线垂直的面和移动的所述光学基板的所述相对的面所成的第
2角度，根据所述重心彼此之间的间隔、所述第1角度和所述第2角度，对所述第1
至第4致动器进行驱动。
根据本发明，可提供一种能够高速且准确地改变光学特性的可变分光元件。
附图说明
图1是示出实施例1的可变分光元件的标准具装置的剖视图。
图2是图1的标准具装置的俯视图。
图3是示出图1的标准具装置的一对光学基板和四个压电元件的动作的示意图。
图4是示出实施例1的可变分光元件的控制部所进行的运算的框图。
图5是示出图1的标准具装置的响应特性的曲线图，图5A是通过以往的可变分
光元件进行控制时的曲线图，图5B是通过本实施例的可变分光元件进行控制时的曲
线图。
图6是示出图1的标准具装置的第1变形例的俯视图。
图7是示出图1的标准具装置的第2变形例的俯视图。
图8是示出图1的标准具装置的第3变形例的俯视图。
图9是示出图1的标准具装置的第4变形例的剖视图。
图10是示出实施例2的可变分光元件的标准具装置的剖视图。
图11是图10的标准具装置的俯视图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1
使用图1～图5，对本发明的可变分光元件的第1实施例进行说明，之后，使用
图6～图9对4个变形例进行说明。
图1是示出本实施例的可变分光元件的标准具装置的剖视图。图2是图1的标准
具装置的俯视图。图3是示出图1的标准具装置的一对光学基板和4个压电元件的动
作的示意图。图4是示出实施例1的可变分光元件的控制部所进行的运算的框图。图
5是示出图1的标准具装置的响应特性的曲线图，图5A是通过以往的可变分光元件
进行控制时的曲线图，图5B是通过本实施例的可变分光元件进行控制时的曲线图。
图6是示出图1的标准具装置的第1变形例的俯视图。图7是示出图1的标准具装置
的第2变形例的俯视图。图8是示出图1的标准具装置的第3变形例的俯视图。图9
是示出图1的标准具装置的第4变形例的剖视图。
本实施例的可变分光元件由图1和图2所示的标准具装置和未图示的控制部构
成。
首先，使用图1和图2对该可变分光元件的标准具装置的结构进行说明。
如图1和图2所示，该标准具装置在外框1的内部具有：一对光学基板2；静电
电容传感器，其是一对光学基板2的相对的面彼此之间的面间隔的测定单元；以及压
电元件，其是用于使一对光学基板2中的一个基板移动的致动器，它的驱动由未图示
的控制部进行控制。
外框1是通过在筒状部件11的端面的一方安装环状部件12、并在另一方安装环
状部件13而构成的。
另外，环状部件12、13在其大致中央部，形成有圆形的开口部12a、13a，在该标
准具装置中，光通过该开口部12a、13a。
一对光学基板2由固定基板21和可动基板22构成，该固定基板21和可动基板22
被配置成彼此相对的面隔着空间相互平行。它们之中，固定基板21是在外框1的内
部中以横切通过开口部12a、13a的光轴的方式，固定在外框1的环状部件12上的圆板
状光学部件。另一方面，可动基板22是以横切通过开口部12a、13a的光的方式，保持
于压电元件的圆板状光学部件。
关于这样的一对光学基板2，可动基板22在沿着通过开口部12a、13a的光轴的方
向上，即，在沿着连接一对光学基板的相对的面各自的重心的线的方向上，在压电元
件的作用下进行移动，由此，能够使相对的面的间隔发生变化。
第1静电电容传感器31、第2静电电容传感器32、第3静电电容传感器33、以
及第4静电电容传感器34分别由一对电极311和312、321和322、331和332、341和342
构成。并且，这些一对电极以彼此相对的方式，配置在一对光学基板2的相对的面上
不遮挡通过外框1的开口部12a、13a的光的位置处。
另外，这些静电电容传感器具有电极间的静电电容与面间隔成反比地变化的特
性。并且，在该标准具装置中，将由这些静电电容传感器取得的值变换为光学基板2
的面间隔值而输出到未图示的控制部。
第1压电元件41、第2压电元件42、第3压电元件43、以及第4压电元件44分
别在外框1的内部以不遮挡通过开口12a、13a的光的方式，固定在外框1的环状部件
13上。
并且，从沿着连接一对光学基板2的相对的面各自的重心的线的方向看，第1
压电元件41配置在与第1静电电容传感器31重叠的位置，第2压电元件42配置在与
第2静电电容传感器32重叠的位置，第3压电元件43配置在与第3静电电容传感器
33重叠的位置，第4压电元件44配置在与第4静电电容传感器34重叠的位置。
另外，从沿着连接一对光学基板2的相对的面各自的重心的线的方向看，第1
静电电容传感器31及第1压电元件41、与第3静电电容传感器33及第3压电元件43
配置在以该连接重心的线为轴而对称的位置。
另一方面，从沿着连接一对光学基板2的相对的面各自的重心的线的方向看，第
2静电电容传感器32及第2压电元件42、与第4静电电容传感器34及第4压电元件
44配置在以该连接重心的线为轴而对称的位置。
即，从沿着连接一对光学基板2的相对的面各自的重心的线的方向看，第1静电
电容传感器31及第1压电元件41、第2静电电容传感器32及第2压电元件42、第3
静电电容传感器33及第3压电元件43、以及第4静电电容传感器34及第4压电元件
44等间隔地进行配置。
接着，使用图3对本实施例的可变分光元件的标准具装置中的可动基板22的动
作及其控制进行说明。
如图3所示，在相对于固定基板21移动可动基板22而欲使一对光学基板2的面
间隔成为xo的情况下，在以往的标准具装置中，为了使一对光学基板2的面间隔成
为目标值xo，根据第1静电电容传感器31的输出值驱动第1压电元件41，使得第1
静电电容传感器31的配置位置处的面间隔成为目标值xo，同样，根据第2静电电容
传感器32的输出值驱动第2压电元件42，根据第3静电电容传感器33的输出值驱动
第3压电元件43，根据第4静电电容传感器34的输出值驱动第4压电元件44。
但是，在这样的控制中，例如，即使准确地驱动第1压电元件41而使第1静电
电容传感器31的配置位置处的一对光学基板2的面间隔成为目标值xo，有时也会由
于之后的与第1压电元件41相邻地配置的第2压电元件42和第4压电元件44进行驱
动时产生的干扰，导致面间隔相对于目标值xo发生变化。
因此，作为其消除方法，有采用了PID控制（Proportional Integral Derivative
Control：比例－积分－微分控制）等反馈控制的方法，但是在该情况下，需要较长的
时间才能使光学基板的面间隔成为目标值xo。
另外，作为其他的消除方法，有这样的方法：针对各压电元件，给出了事前计算
其他压电元件等引起的干扰而得到的值，作为指令值。但是，该指令值的计算非常复
杂，因此，同样需要较长的时间才能使一对光学基板2的面间隔成为目标值xo。
因此，在本实施例的可变分光元件中，将第1～第4静电电容传感器31、32、33、
34的4个输出值变换为3个参数来进行运算，控制第1～第4压电元件41、42、43、
44的驱动。
这里，使用图3～图5对本实施例的可变分光元件的控制部所进行的运算进行详
细说明。
在本实施例的可变分光元件中，如图3所示，在相对于固定基板21移动可动基
板22而欲使一对光学基板2的面间隔成为xo的情况下，首先，如图4所示，经由目
标值输入部51，向控制部输入固定基板21的相对的面的重心G1与可动基板22的相对
的面的重心G2之间的间隔的目标值xo、以及与将这些重心彼此相连的线垂直的面和
可动基板22的相对的面所成的第1角度的目标值θo和第2角度的目标值
接着，传感器输出变换部52取得由第1～第4静电电容传感器31、32、31、34测
定的各静电电容传感器的配置位置处的光学基板的面间隔x1、x2、x3、x4，并且，将
这些面间隔x1、x2、x3、x4变换为重心G1与重心G2之间的间隔的当前值x、第1角
度的当前值θ和第2角度的当前值
具体而言，通过下式求出一对光学基板2的相对的面各自的重心彼此之间的间隔
x。
x=（x1+x2+x3+x4）/4
另外，关于与连接一对光学基板2的相对的面的重心的线垂直的面和可动基板
22的与固定基板21相对的面所成的第1角度θ和第2角度使用作为已知值的从可
动基板22的相对的面的重心G2到第1～第4静电电容传感器31、32、33、34的电极
312、322、332、342的中心的、固定基板22的相对的面上的距离r31、r32、r33、r34，下
式成立。
sinθ=（x3-x1）/（r31+r33）
另外，本实施例中，
r31=r32=r33=r34=r，
由于第1角度θ和第2角度都是足够小的值，因此，通过下式求出第1角度θ
和第2角度
θ=（x3-x1）/2r
接着，在差分值计算部53中，计算经由目标值输入部51输入的目标值xo、θo和
与传感器输出变换部52进行变换后的x、θ、之间的各自的差分值ex、eθ、
接着，在指令值计算部54中，根据由差分值计算部53计算出的差分值ex、eθ、
进行PID控制，求出指令值xc、θc、
接着，在指令值变换部55中，将指令值计算部54求出的指令值xc、θc、φc变换
为分别针对第1～第4压电元件41、42、43、44的指令值xc1、xc2、xc3、xc4。指令值
xc1、xc2、xc3、xc4被输入到驱动各自所对应的第1～第4压电元件41、42、43、44的
未图示的压电元件驱动器，该压电元件驱动器对第1～第4压电元件41、42、43、44
分别施加驱动电圧。
另外，关于分别针对第1～第4压电元件41、42、43、44的指令值xc1、xc2、xc3、
xc4，使用作为已知值的到第1～第4压电元件41、42、43、44的中心的、固定基板22
的相对的面上的距离r41、r42、r43、r44，下式成立。
X1=xc-r41sinθc
x3=xc+r43sinθc
另外，本实施例中
r41=r42=r43=r44=r，
由于与第1角度相关的指令值θc以及与第2角度相关的指令值都是足够小的
值，因此，通过下式来求出分别针对第1～第4压电元件41、42、43、44的指令值xc1、
xc2、xc3、xc4。
xc1=x-rθc
xc3=x+rθc
之后，利用压电元件驱动器根据分别针对第1～第4压电元件41、42、43、44的
指令值xc1、xc2、xc3、xc4而施加的电圧，对第1～第4压电元件41、42、43、44进行
驱动，使可动基板22移动，改变一对光学基板2的面间隔x。
图5是示出与在可变分光元件中进行了反馈控制时的标准具装置的响应特性有
关的实验结果的曲线图。另外，纵轴是一对光学基板的面间隔（nm），横轴是时间（sec：
秒），图5A是以往的可变分光元件的实验结果，图5B是本实施例的可变分光元件的
实验结果。另外，在该实验中，如虚线所示，每隔0.02秒对目标值进行切换而输入
信号。
根据该图5也可以看出，本实施例的可变分光元件与以往的可变分光元件相比，
一对光学基板的面间隔收敛的时间非常短。因此，本发明的可变分光元件即使在连续
且高速地改变光学特性情况下，也能够准确地改变光学特性。
接着，使用图6～图9，给出本实施例的可变分光元件的标准具装置的变形例。
图6所示的标准具装置与上述实施例的可变分光元件的标准具装置不同，从沿着
连接一对光学基板2的相对的面各自的重心的线的方向看，第1静电电容传感器31
及第1压电元件41、第2静电电容传感器32及第2压电元件42、第3静电电容传感
器33及第3压电元件43、以及第4静电电容传感器34及第4压电元件44不是等间隔
地进行配置。
但是，即使是这样的配置，从沿着连接一对光学基板2的相对的面各自的重心的
线的方向看，只要第1静电电容传感器31及第1压电元件41与第3静电电容传感器
33及第3压电元件43、第2静电电容传感器32及第2压电元件42与第4静电电容传
感器34及第4压电元件44配置在以该连接重心的线为轴而对称的位置处，在控制部
中即可进行与上述实施例的可变分光元件的标准具装置同样的运算而执行控制。
图7和图8所示的标准具装置与上述实施例的可变分光元件的标准具装置不同，
从沿着连接一对光学基板2的相对的面各自的重心的线的方向看，第1静电电容传感
器31与第1压电元件41、第2静电电容传感器32与第2压电元件42、第3静电电容
传感器33与第3压电元件43、以及第4静电电容传感器34与第4压电元件44被配置
在不重叠的位置。
但是，即使是这样的配置，从沿着连接一对光学基板2的相对的面各自的重心的
线的方向看，只要第1～第4压电元件41、42、43、44分别配置在朝向第1～第4静
电电容传感器31、32、33、34各自的中心方向延伸的线的线上，在控制部中即可进行
与上述实施例的可变分光元件的标准具装置同样的运算来执行控制。
图9所示的标准具装置与上述实施例的可变分光元件的标准具装置不同，不具有
外框1，第1压电元件41、第2压电元件42、第3压电元件43、第4压电元件44分
别以不遮挡通过标准具装置的光的方式，固定在固定基板21的相对的面上。
但是，即使是这样的结构，在控制部中，也能够进行与上述实施例的可变分光元
件的标准具装置同样的运算来执行控制。
实施例2
使用图10～图11对作为本发明的可变分光元件的具有标准具装置的可变分光元
件的第2的实施例进行说明。另外，由于构成本实施例的可变分光元件的标准具装置
的部件与构成实施例1的标准具装置的部件相同，因此，对具有相同结构的部件标注
同一标号，并且省略对它们的详细说明。另外，由于本实施例的可变分光元件的控制
部的结构和内部进行的运算与实施例1的可变分光元件的控制部中进行的运算大致
相同，因此省略对它们的详细说明。
另外，图10是示出本实施例的可变分光元件的标准具装置的剖视图。图11是图
10的标准具装置的俯视图。
使用图10和图11对该可变分光元件的标准具装置的结构进行说明。
在本实施例的可变分光元件的标准具装置中，与实施例1的可变分光元件的标准
具装置不同，从沿着连接一对光学基板2的相对的面各自的重心的线的方向看，第1～
第4压电元件41、42、43、44和第1～第4静电电容传感器31、32、33、34交替地、
等间隔地配置成环状。
接着，对本实施例的可变分光元件的标准具装置中的可动基板22的动作及其控
制进行说明。
在实施例1的可变分光元件中，根据第1～第4静电电容传感器31、32、33、34
的输出值计算一对光学基板2的相对的面的重心彼此之间的间隔x，根据第1、第3
静电电容传感器31、33的输出值计算第1角度θ，根据第2、第4静电电容传感器32、
34的输出值计算第2角度并且，根据重心彼此之间的间隔x和第1角度θ来控制
第1、第3压电元件41、43的驱动，根据重心彼此之间的间隔x和第2角度来控制
第2、第4压电元件42、44的驱动。
与此相对，在本实施例的可变分光元件中，使用第1～第4静电电容传感器31、
32、33、34全体的输出值，计算重心彼此之间的间隔x、第1角度θ和第2角度
并且，根据重心彼此之间的间隔x、第1角度θ和第2角度控制第1～第4压电
元件41、42、43、44各自的驱动。
这样，在本实施例中，从沿着连接一对光学基板2的相对的面各自的重心的线的
方向看，虽然静电电容传感器3和对应的压电元件4未被配置在重叠的位置，但是将
静电电容传感器3检测的一对光学基板2的相对的面彼此之间的面间隔变换为第1～
第4压电元件41、42、43、44的位置处的光学基板的面间隔x1、x2、x3、x4，因此能
够进行与实施例1相同的控制。
因此，在本实施例2中，也与实施例1的可变分光元件同样，本实施例的可变分
光元件与以往的可变分光元件相比，一对光学基板2的面间隔收敛的时间非常短。因
此，本发明的可变分光元件即使在连续且高速地改变光学特性的情况下，也能够准确
地改变光学特性。
产业上的可利用性
本发明的可变分光元件能够高速且准确地改变光学特性，因此适合在分光内窥镜
等中进行使用，在实际应用中极其有用。
标号说明
1 外框
11 筒状部件
12，13 环状部件
12a，13a 开口部
2 一对光学基板
21 固定基板
22 可动基板
31 第1静电电容传感器
32 第2静电电容传感器
33 第3静电电容传感器
34 第4静电电容传感器
311，312，321，322，331，332，341，342 电极
41 第1压电元件
42 第2压电元件
43 第3压电元件
44 第4压电元件
51 目标值输入部
52 传感器输出变换部
53 差分值计算部
54 指令值计算部
55 指令值变换部
G1 固定基板的相对的面的重心
G2 可动基板的相对的面的重心