专利名称：可变分光元件的制作方法
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I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，由于专利文献1、2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I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，检测各自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；以及第I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I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I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I至第4静电电容传感器各自的中心方向延伸的线上，该可变分光元件具有控制部，该控制部根据所述第I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I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I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I角度，对所述第I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，对所述重心彼此之间的间隔、所述第I角度和所述第2角度进行反馈控制，并且对所述重心彼此之间的间隔、所述第I角度或所述第2角度中的至少一个进行前馈控制。此外，本发明的可变分光元件优选的是，所述反馈控制是PID控制，所述前馈控制是输出用所述致动器的弹簧常数除以所述可变分光元件的移动部分的质量而得的值来除 如下各值的和而得的值作为输出值的控制，上述各值是指对输入值进行了二阶微分后的值；对输入值的微分值乘以所述致动器的衰减常数并除以所述可变分光元件的移动部分的质量而得的值；以及对输入值乘以所述致动器的弹簧常数并除以所述可变分光元件的移动部分的质量而得的值。具体而言，优选的是，所述反馈控制是PID控制，所述前馈控制是对于输入值u输出如下的输出值的控制y (t) = (d2u/dt2+B · du/dt+C · u) /A,其中，A=4k/m (k是所述致动器的弹簧常数、m是所述可变分光元件的移动部分的质量)，B=4c/m (c是设所述致动器的弹簧常数为k、设所述可变分光元件的移动部分的质量为m而输入了信号的情况下根据所述可变分光元件的移动部分的振动衰减而求出的常数)，C=4k/m。此外，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I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，检测各自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；以及第I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I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I至第4静电电容传感器和所述第I至第4致动器交替地、等角度地配置，该可变分光元件具有控制部，该控制部根据所述第I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I至第4静电电容传感器的信号求出的第I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I角度，使用根据所述第I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I角度和所述第2角度，对所述第I至第4致动器进行驱动，对所述重心彼此之间的间隔、所述第I角度和所述第2角度进行反馈控制，并且对所述重心彼此之间的间隔、所述第I角度或所述第2角度中的至少一个进行前馈控制。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。
图I是示出实施例I的可变分光元件的标准具装置的剖视图。图2是图I的标准具装置的俯视图。
图3是示出图I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I的可变分光元件的控制电路的框图。图5是示出实施例I的可变分光元件的控制部所进行的运算的框图。图6是示出图I的标准具装置的响应特性的曲线图，图6A是通过以往的可变分光元件进行控制时的曲线图，图6B是通过本实施例的可变分光元件进行控制时的曲线图。图7是示出图I的标准具装置的响应特性的曲线图，图7A是仅进行反馈控制时的曲线图，图7B是进行反馈控制和前馈控制时的曲线图。图8是示出图I的标准具装置的第I变形例的俯视图。图9是示出图I的标准具装置的第2变形例的俯视图。图10是示出图I的标准具装置的第3变形例的俯视图。图11是示出图I的标准具装置的第4变形例的剖视图。图12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13是图12的标准具装置的俯视图。
具体实施例方式下面，使用附图对本发明的实施例进行详细说明。实施例I使用图I 图7，对本发明的可变分光元件的第I实施例进行说明，之后，使用图8 图11对4个变形例进行说明。图I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I的标准具装置的俯视图。图3是示出图I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是示出本实施例的可变分光元件的控制电路的框图。图5是示出实施例I的可变分光元件的控制部所进行的运算的框图。图6是示出图I的标准具装置的响应特性的曲线图，图6A是通过以往的可变分光元件进行控制时的曲线图，图6B是通过本实施例的可变分光元件进行控制时的曲线图。图7是示出图I的标准具装置的响应特性的曲线图，图7A是仅进行反馈控制时的曲线图，图7B是进行反馈控制和前馈控制时的曲线图。图8是示出图I的标准具装置的第I变形例的俯视图。图9是示出图I的标准具装置的第2变形例的俯视图。图10是示出图I的标准具装置的第3变形例的俯视图。图11是示出图I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I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I和图2对该可变分光元件的标准具装置进行说明。如图I和图2所示，该标准具装置在外框I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I是通过在筒状部件I1的端面的一方安装环状部件I2、并在另一方安装环状部件I3而构成的。另外，环状部件12、I3在其大致中央部，形成有圆形的开口部l2a、l3a，在该标准具 装置中，光通过该开口部l2a、l3a。—对光学基板2由固定基板Z1和可动基板22构成，该固定基板Z1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，固定基板是在外框I的内部中以横切通过开口部l2a、l3a的光轴的方式，固定在外框I的环状部件I2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l2a、l3a的光的方式,保持于压电兀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l2a、l3a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I静电电容传感器S1、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3n和312、321和322、331和332、341和342构成。并且，这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I的开口部l2a、l3a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I压电元件I、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I的内部以不遮挡通过开口 l2a、l3a的光的方式，固定在外框I的环状部件I3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I压电元件I配置在与第I静电电容传感器S1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I静电电容传感器S1及第I压电元件I、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I静电电容传感器S1及第I压电元件I、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，在相对于固定基板移动可动基板22而欲使一对光学基板2的面间隔成为X。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X。，根据第I静电电容传感器S1的输出值驱动第I压电元件I，使得第I静电电容传感器S1的配置位置处的面间隔成为目标值X。，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I压电元件I而使第I静电电容 传感器S1的配置位置处的一对光学基板2的面间隔成为目标值X。，有时也会由于之后的与第I压电元件I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X。发生变化。因此，作为其消除方法,有采用了PID 控制(Proportional Integral DerivativeControl 比例一积分一微分控制)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X。。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X。。因此，在本实施例的可变分光元件中，将第I 第4静电电容传感器
4个输出值变换为3个参数来进行运算，控制第I 第4压电元件4p42、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的控制部中，如图4所示，进行了组合反馈控制和前馈控制的组合控制。另外，构成为在反馈控制中根据指令值和传感器输出值决定输出值，在前馈控制中仅根据指定值决定输出值。是因为除了反馈控制以外，还组合前馈控制，由此与仅使用反馈控制的情况相比，能够进一步缩短光学基板的面间隔收敛的时间。首先，对在本实施例的可变分光元件的控制部中进行的反馈控制进行详细说明。在本实施例的可变分光元件中，如图3所示，在相对于固定基板移动可动基板22而欲使一对光学基板2的面间隔成为X。的情况下，首先，如图5所示，经由目标值输入部51；向控制部输入固定基板的相对的面的重心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X。、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I角度的目标值Θ。和第2角度的目标值φ。。接着，传感器输出变换部52取得由第I 第4静电电容传感器3ρ32、33、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Xl、X2、X3、X4，并且，将这些面间隔Xl、x2、x3、x4变换为重心G1与重心G2之间的间隔的当前值X、第I角度的当前值Θ和第2角度的当前值φ。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
XoX= (XJ+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的与固定基板相对的面所成的第I角度Θ和第2角度φ，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I 第4静电电容传感器3ρ32、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。sin θ = (X3-X1)/ (r31+r33)
sincp= (Χ4 —Χ2) / C Γ32+Γ34)另外，本实施例中，r31=r32=r33=r34=r，由于第I角度Θ和第2角度φ都是足够小的值，因此，通过下式求出第I角度Θ和第2角度φ。θ = (χ3 — X1) /2r
φ= (Χ4—X2) /2r接着，在差分值计算部53中，计算经由目标值输入部S1输入的目标值X。、Θ。和队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、e θ >βφ0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、e Θ、eq)进行PID控制，求出指令值x。、θ ε>φ00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X。、Θ。、(^变换为分别针对第I 第4压电元件4ρ42、43、44的指令值Xel、Xe2、Xe3、Xe4。指令值xel、Xd^XmXe4被输入到驱动各自所对应的第I 第4压电元件1、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I 第4压电元件4、42、43、44分别施加驱动电圧。另外,关于分别针对第I 第4压电元件4p42、43、44的指令值xel、xc2> xc3> Xe4,使用作为已知值的到第I 第4压电元件4p42、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 — r41sin Θ c
X2=Xc-Γ42δ ηφ0x3=xc+r43sin θ c
X4=Xc+r44Sinfc另外，在本实施例中，r41=r42=r43=r44=r,由于与第I角度相关的指令值Θ。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I 第4压电元件4p42、43、44的指令值X。:、xc2> xc3>
Xc4o
权利要求
1.一种可变分光元件，其具有一对光学基板，它们隔着间隔相对地配置；第I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，检测各自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；以及第I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I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I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I至第4静电电容传感器各自的中心方向延伸的线上， 该可变分光元件具有控制部，该控制部根据所述第I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I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I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I角度，对所述第I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，对所述重心彼此之间的间隔、所述第I角度和所述第2角度进行反馈控制，并且对所述重心彼此之间的间隔、所述第I角度或所述第2角度中的至少一个进行前馈控制。
2.根据权利要求I所述的可变分光元件，其特征在于， 所述反馈控制是PID控制， 所述前馈控制是输出用所述致动器的弹簧常数除以所述可变分光元件的移动部分的质量而得的值来除如下各值的和而得的值作为输出值的控制，上述各值是指对输入值进行了二阶微分后的值；对输入值的微分值乘以所述致动器的衰减常数并除以所述可变分光元件的移动部分的质量而得的值；以及对输入值乘以所述致动器的弹簧常数并除以所述可变分光元件的移动部分的质量而得的值。
3.根据权利要求2所述的可变分光元件，其特征在于， 所述反馈控制是PID控制， 所述前馈控制是对于输入值u输出如下的输出值的控制 y (t) = (d2u/dt2+B · du/dt+C · u) /A, 其中，A=4k/m (k是所述致动器的弹簧常数、m是所述可变分光元件的移动部分的质量)，B=4c/m (c是在设所述致动器的弹簧常数为k、设所述可变分光元件的移动部分的质量为m而输入了信号的情况下根据所述可变分光元件的移动部分的振动衰减而求出的常数)，C=4k/m。
4.一种可变分光元件，其具有一对光学基板，它们隔着间隔相对地配置；第I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，检测各自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；以及第I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I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I至第4静电电容传感器和所述第I至第4致动器交替地、等角度地配置， 该可变分光元件具有控制部，该控制部根据所述第I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I至第4静电电容传感器的信号求出的第I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I角度，使用根据所述第I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I角度和所述第2角度，对所述第I至第4致动器进行 驱动，对所述重心彼此之间的间隔、所述第I角度和所述第2角度进行反馈控制，并且对所述重心彼此之间的间隔、所述第I角度或所述第2角度中的至少一个进行前馈控制。
全文摘要
第1传感器(31)与第3传感器(33)、第2传感器(32)与第4传感器(34)被配置在以连接一对光学基板(2)的相对的面的重心的线为轴而对称的位置处，第1～第4致动器(41～44)分别配置在从一对光学基板(2)的相对的面的重心向第1～第4传感器(31～34)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，该控制部根据第1～第4传感器(31～34)的信号计算一对光学基板(2)的相对的面的重心彼此之间的间隔(x)，根据第1传感器(31)的信号和第3传感器(33)的信号计算移动的光学基板的相对的面和与连接重心的线垂直的面所成的第1角度(θ)，根据第2传感器(32)的信号和第4传感器(34)的信号计算移动的光学基板的相对的面和与连接重心的线垂直的面所成的第2角度根据间隔(x)、角度(θ和)对第1～第4致动器(41～44)进行驱动，对间隔(x)、角度(θ和)进行FB控制和FF控制。
文档编号G01J3/26GK102822720SQ20118001745
公开日2012年12月12日 申请日期2011年3月15日 优先权日2010年3月30日
发明者若井浩志 申请人:奥林巴斯株式会社