CN1979230B - 介质多层滤光器 - Google Patents

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Abstract

提供产生减小入射角相关性的作用并具有宽反射带的介质多层滤光器、如IR截止滤光器和红光反射二向色滤光器。第一介质多层薄膜30在透明衬底28的正面形成，以及第二介质多层薄膜32在透明衬底28的背面形成。第一介质多层薄膜30的反射带的宽度W1设置成比第二介质多层薄膜32的反射带的宽度W2更窄。第二介质多层薄膜32的反射带的较短波长侧边沿的半值波长E2L设置在第一介质多层薄膜30的反射带的较短波长侧边沿处的半值波长E1L与较长波长侧边沿处的半值波长E1H之间。

Description

介质多层滤光器
技术领域
本发明涉及介质多层滤光器，它产生减小入射角相关性的作用并具有宽反射带。
背景技术
介质多层滤光器是包括由具有不同折射率的介质材料构成的多种薄膜的叠层并用于利用光干涉来反射(消除)或透射入射光中特定波长带的成分的滤光器。例如，介质多层滤光器是在CCD照相机中用于消除不利地影响色彩表现的红外光(大于大约650nm的波长的光)并透射可见光的所谓IR截止滤光器(红外截止滤光器)。或者，介质多层滤光器是在液晶投影仪中用于反射入射可见光中特定颜色的光并透射其它颜色的光的所谓二向色滤光器。
图2说明采用传统介质多层薄膜的IR截止滤光器的结构。IR截止滤光器10包括由光学玻璃构成的衬底12以及交替堆叠在衬底12的正面的SiO2的低折射率薄膜14和TiO2的高折射率薄膜16。图3说明IR截止滤光器10的光谱透射特性。在图3中，特性A和B分别表示以下透射比。
特性A：0度入射角的透射比
特性B：25度入射角的p偏振光和s偏振光(n偏振光)的平均的透射比
从图3可以看到，红外光(具有大于大约650nm的波长的光)被反射和消除，并透射可见光。
图4是放大视图，说明图3中的600至700nm波段中的特性。从图4可以看到，在入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性B)之间，反射带(“反射带”表示较短波长侧边沿与较长波长侧边沿之间的高反射比的波段)的较短波长侧边沿处的半值波长(“半值波长”表示透射比为50％的波长)移位多达19.5nm。这样，在图2所示的传统IR截止滤光器10中，反射带的较短波长侧边沿极大地位移(或者在很大程度上取决于入射角)。因此，如果IR截止滤光器用于CCD照相机，则存在所拍摄图像的色调随入射角改变的问题。
采用传统介质多层薄膜的二向色滤光器具有与图2所示相似的结构。也就是说，二向色滤光器包括由光学玻璃构成的衬底12以及交替堆叠在衬底12的正面的SiO2的低折射率薄膜14和TiO2的高折射率薄膜16。图31说明配置为红光反射二向色滤光器的二向色滤光器的光谱透射特性。该特性是在增透膜在衬底的背面形成的情况中的那些特性。在图31中，特性A、B和C分别表示以下透射比。在这里，二向色滤光器的常规入射角为45度。
特性A：30度入射角的s偏振光的透射比
特性B：45度入射角的s偏振光的透射比
特性C：60度入射角的s偏振光的透射比
从图31可以看到，与常规入射角45度的情况(特性B)相比，反射带的较短波长侧边沿的半值波长在入射角为30度(特性A)时朝较长波长移位35.9nm，以及在入射角为45度(特性C)时朝较短波长移位37.8nm。红光反射二向色滤光器的典型反射带在大约600nm具有较短波长侧边沿，而在大约680nm或者以上则具有较长波长侧边沿。具体来说，如果较短波长侧边沿像在特性C的情况中那样朝较短波长大量移位(移位37.8nm)，则存在反射光的色调改变的问题。
在以下所述的专利文献1中描述了用于减小入射角相关性的传统技术。图5说明根据该技术的滤光器结构。二向色多层滤光器18由光学玻璃衬底20以及交替堆叠在衬底20的正面的TiO2的高折射率薄膜22和具有低于TiO2的大约0.3的折射率的Ta2O5等的低折射率薄膜24组成。由于具有高于常用的SiO2的折射率的Ta2O5等的薄膜用作低折射率薄膜，因此，与图2所示的介质多层滤光器10相比，整个叠层薄膜的折射率(平均折射率)增加，以及介质多层滤光器18的入射角相关性减小。
[专利文献1]日本公开特许公报No.07-27907(图1)
发明内容
如果专利文献1中所述的技术应用于图2所示的IR截止滤光器或红光反射二向色滤光器10，以及低折射率薄膜14由具有高于SiO2的折射率的材料构成，则整个叠层薄膜的折射率(平均折射率)增加，使得入射角相关性可减小。但是，由于高折射率薄膜16与低折射率薄膜14之间的折射率的差异减小，因此，反射带变得更窄，以及出现IR截止滤光器或红光反射二向色滤光器不能具有所需反射带的问题。
本发明要解决以上所述的传统技术的问题，以及要提供一种介质多层滤光器，它产生减小入射角相关性的作用并具有宽反射带。
根据本发明的介质多层滤光器包括：透明衬底；在透明衬底的一个表面形成的具有预定反射带的第一介质多层薄膜；以及在透明衬底的另一个表面形成的具有预定反射带的第二介质多层薄膜，第一介质多层薄膜的反射带的宽度(“宽度”表示在透射比为50％的反射带的较短波长侧边沿处的波长与在透射比为50％的反射带的较长波长侧边沿处的波长之间的带宽)设置成比第二介质多层薄膜的反射带的宽度更窄，以及第二介质多层薄膜的反射带的较短波长侧边沿设置在第一介质多层薄膜的反射带的较短波长侧边沿与较长波长侧边沿之间。
根据本发明，整个元件的反射带被确定为第一介质多层薄膜的反射带的较短波长侧边沿与第二介质多层薄膜的反射带的较长波长侧边沿之间的带。因此，第一介质多层薄膜的反射带的宽度对整个元件的反射带的宽度没有影响(换言之，整个元件的反射带的宽度可与第一介质多层薄膜的反射带的宽度无关地设置)，使得第一介质多层薄膜的反射带的宽度可设置成窄的。因此，被确定为第一介质多层薄膜的反射带的较短波长侧边沿的整个元件的反射带的较短波长侧边沿因入射角的变化引起的移位减小，以及整个元件的入射角相关性可被减小。另一方面，第二介质多层薄膜的反射带的较短波长侧边沿被第一介质多层薄膜的反射带掩蔽，因而第二介质多层薄膜的反射带的较短波长侧边沿的入射角相关性对整个元件的反射特性没有影响。因此，第二介质多层薄膜的反射带的宽度可设置成很宽，因此可确保整个元件具有宽反射带。这样，根据本发明，提供一种介质多层滤光器，它产生减小入射角相关性的作用并具有宽反射带。
根据本发明的介质多层滤光器可按照以下方式来配置：整个第一介质多层薄膜的平均折射率设置成高于整个第二介质多层薄膜的平均折射率。本申请中所使用的术语“平均折射率”表示“(介质多层薄膜的总光学厚度)×(参考波长)/(介质多层薄膜的总物理厚度)”。
根据本发明的介质多层滤光器可按照以下方式来配置：第一介质多层薄膜具有包括交替堆叠的具有预定折射率的第一介质材料的薄膜和具有高于第一介质材料的折射率的第二介质材料的薄膜的结构，第二介质多层薄膜具有包括交替堆叠的具有预定折射率的第三介质材料的薄膜和具有高于第三介质材料的折射率的第四介质材料的薄膜的结构，第一介质材料与第二介质材料之间的折射率的差异设置成小于第三介质材料与第四介质材料之间的折射率的差异。
例如，根据本发明的介质多层滤光器可按照以下方式配置：第一介质材料对于具有550nm波长的光具有1.60至2.10的折射率，第二介质材料对于具有550nm波长的光具有2.0或以上的折射率，第三介质材料对于具有550nm波长的光具有1.30至1.59的折射率，以及第四介质材料对于具有550nm波长的光具有2.0或以上的折射率。
例如，根据本发明的介质多层滤光器可按照以下方式配置：第二介质材料为TiO2(至2.5)、Nb2O5(
Figure G061G9017520061225D000052
至2.4)和Ta2O5(
Figure G061G9017520061225D000053
至2.3)中的任一种或者主要包含TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种的复合氧化物(
Figure G061G9017520061225D000054
至2.2)，第三介质材料为SiO2()，以及第四介质材料为TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种或者主要包含TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种的复合氧化物(或以上)。
例如，根据本发明的介质多层滤光器可按照以下方式配置：第一介质材料为Bi2O3(
Figure G061G9017520061225D000057
)、Ta2O5(
Figure G061G9017520061225D000058
)、La2O3(
Figure G061G9017520061225D000059
Figure G061G9017520061225D0000510
)、Al2O3()、SiOx(x≤1)()、LaF3、La2O3和Al2O3的复合氧化物(至1.8)、Pr2O3和Al2O3的复合氧化物(至1.7)中的任一种、或者两种或两种以上这些材料的复合氧化物。
根据本发明的介质多层滤光器可按照以下方式配置：在第一介质多层薄膜中，第二介质材料的薄膜的光学厚度设置成大于第一介质材料的薄膜的光学厚度。在这种情况中，与第一介质材料的薄膜的光学厚度设置成等于第二介质材料的薄膜的光学厚度的情况相比，整个第一介质多层薄膜的平均折射率可增加，使得入射角相关性可减小。在这里，例如，“(第二介质材料的薄膜的光学厚度)/(第一介质材料的薄膜的光学厚度)”的值可能大于1.0，并且等于或小于4.0。
例如，根据本发明的介质多层滤光器可配置为透射可见光并反射红外光的红外截止滤光器或者反射红光的红光反射二向色滤光器。
附图说明
图1是示意图，说明根据本发明的一个实施例的介质多层滤光器的叠层结构；
图2是示意图，说明采用传统介质多层滤光器的IR截止滤光器的叠层结构；
图3说明图2所示的IR截止滤光器的光谱透射特性；
图4是放大视图，说明图3中的600至700nm波段中的光谱透射特性；
图5是简图，说明专利文献1中所述的介质多层滤光器的叠层结构；
图6说明图1所示的介质多层滤光器的光谱透射特性；
图7说明根据实例(1)-1的设计的光谱透射特性；
图8是放大视图，说明图7中的620至690nm波段中的特性；
图9说明根据实例(1)-2的设计的光谱透射特性；
图10是放大视图，说明图9中的620至690nm波段中的特性；
图11说明根据实例(1)-3的设计的光谱透射特性；
图12是放大视图，说明图11中的620至690nm波段中的特性；
图13说明根据实例(1)-4的设计的光谱透射特性；
图14是放大视图，说明图13中的620至690nm波段中的特性；
图15说明根据实例(1)-5的设计的光谱透射特性；
图16是放大视图，说明图15中的620至690nm波段中的特性；
图17说明根据实例(2)-1的设计的光谱透射特性；
图18说明根据实例(2)-2的设计的光谱透射特性；
图19说明根据实例(3)-1的设计的光谱透射特性；
图20是放大视图，说明图19中的620至690nm波段中的特性；
图21说明根据实例(3)-2的设计的光谱透射特性；
图22是放大视图，说明图21中的620至690nm波段中的特性；
图23说明根据实例(3)-3的设计的光谱透射特性；
图24是放大视图，说明图23中的620至690nm波段中的特性；
图25说明根据实例(3)-4的设计的光谱透射特性；
图26是放大视图，说明图25中的620至690nm波段中的特性；
图27说明根据实例(3)-5的设计的光谱透射特性；
图28是放大视图，说明图27中的620至690nm波段中的特性；
图29说明根据实例(3)-6的设计的光谱透射特性；
图30是放大视图，说明图29中的620至690nm波段中的特性；
图31说明图2所示的传统红光反射二向色滤光器的光谱透射特性(模拟值)；
图32说明对于0度入射角根据实例(4)的设计的IR滤光器的光谱透射特性(实际测量结果)；
图33是放大视图，说明对于变化入射角在625至680nm波段中根据实例(4)的设计的IR滤光器的光谱透射特性(实际测量结果)；
图34是放大视图，说明对于变化入射角在625至680nm波段中采用传统介质多层薄膜的IR截止滤光器的光谱透射特性(模拟值)；
图35说明对于45度入射角根据实例(5)的设计的红光反射二向色滤光器的光谱透射特性(模拟值)；以及
图36说明对于变化入射角根据实例(5)的设计的红光反射二向色滤光器的光谱透射特性(模拟值)。
具体实施方式
下面描述本发明的一个实施例。图1说明根据本发明的实施例的介质多层滤光器。介质多层滤光器26包括白玻璃等的透明衬底28、淀积在透明衬底28的正面(光的入射面)28a上的第一介质多层薄膜30以及淀积在透明衬底28的背面28b上的第二介质多层薄膜32。第一介质多层薄膜30由交替堆叠的具有预定折射率的第一介质材料的薄膜34和具有高于第一介质材料的折射率的第二介质材料的薄膜36构成。第一介质多层薄膜30基本上由奇数层组成，但也可由偶数层组成。各层34、36基本上具有λo/4的光学厚度(λo：反射带的中心波长)。但是，为了取得预期特性、如减小脉动，第一或最后一层可具有λo/8的厚度，或者可对各层的厚度进行微调。此外，虽然具有更低折射率的薄膜34在图1中作为第一层来淀积，但具有更高折射率的薄膜36也可作为第一层来淀积。
第二介质多层薄膜32由交替堆叠的具有低于第一介质材料的折射率的第三介质材料的薄膜38以及具有高于第三介质材料的折射率的第四介质材料的薄膜40构成。第二介质多层薄膜32基本上由奇数层组成，但也可由偶数层组成。各层38、40基本上具有λo/4的光学厚度(λo：反射带的中心波长)。但是，为了取得预期特性、如减小脉动，第一或最后一层可能具有λo/8的厚度，或者可对各层的厚度进行微调。此外，虽然具有更低折射率的薄膜38在图1中作为第一层来淀积，但具有更高折射率的薄膜40也可作为第一层来淀积。
在第一介质多层薄膜30中具有较低折射率的薄膜34可由介质材料(第一介质材料)制成，它例如是Bi2O3、Ta2O5、La2O3、Al2O3、SiOx(x≤1)、LaF3、La2O3和Al2O3的复合氧化物以及Pr2O3和Al2O3的复合氧化物中的任一种或者两种或两种以上这些材料的复合氧化物。在第一介质多层薄膜30中具有较高折射率的薄膜36可由介质材料(第二介质材料)制成，它例如是TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种或者主要包含TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种的复合氧化物。在第二介质多层薄膜32中具有较低折射率的薄膜38可由介质材料(第三介质材料)、如SiO2制成。在第二介质多层薄膜32中具有较高折射率的薄膜40可由介质材料(第四介质材料)制成，它例如是TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种或者主要包含TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种的复合氧化物。
第一介质多层薄膜30的总(平均)折射率设置成高于第二介质多层薄膜32的总(平均)折射率。构成第一介质多层薄膜30的薄膜34与36之间的折射率的差异设置成小于构成第二介质多层薄膜32的薄膜38与40之间的折射率的差异。形成第一介质多层薄膜30中具有较高折射率的薄膜36的第二介质材料可能与形成第二介质多层薄膜32中具有较高折射率的薄膜40的第四介质材料相同。
图6说明图1所示的介质多层滤光器26的光谱透射特性。在图6中，图6(a)说明单独的第一介质多层薄膜30(没有第二介质多层薄膜32)的特性，图6(b)说明单独的第二介质多层薄膜32(没有第一介质多层薄膜30)的特性，以及图6(c)说明整个介质多层滤光器26的特性。第一介质多层薄膜30的反射带的宽度W1设置成比第二介质多层薄膜32的反射带的宽度W2更窄。第二介质多层薄膜32的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E2L设置在第一介质多层薄膜30的反射带的较短波长侧边沿处的半值波长E1L与较长波长侧边沿处的半值波长E1H之间。换言之，第一介质多层薄膜30的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E1L设置成比第二介质多层薄膜32的反射带的较短波长侧边沿处的半值波长E2L更短，以及第二介质多层薄膜32的反射带的较长波长侧边沿上的半值波长E2H设置成比第一介质多层薄膜30的反射带的较长波长侧边沿上的半值波长E1H更长。
从图6可以看到，整个元件26的反射带的宽度W0被确定为第一介质多层薄膜30的反射带W1的较短波长侧边沿处的半值波长E1L与第二介质多层薄膜32的反射带的较长波长侧边沿处的半值波长E2H之间的宽度。因此，第一介质多层薄膜30的反射带的宽度W1对整个元件26的反射带的宽度W0没有影响(换言之，宽度W0可与宽度W1无关地设置)，使得第一介质多层薄膜30的反射带的宽度W1可设置成窄的。因此，被确定为第一介质多层薄膜30的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E1L的、整个元件26的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长EL(在IR截止滤光器的情况中接近650nm的波长，或者在红光反射二向色滤光器的情况中接近600nm的波长)因入射角变化引起的移位减小，以及可减小整个元件26的入射角相关性。另一方面，第二介质多层薄膜32的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E2L被第一介质多层薄膜30的反射带W1掩蔽，因而第二介质多层薄膜32的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E2L的入射角相关性对整个元件26的反射特性没有影响。因此，第二介质多层薄膜32的反射带的宽度W2可设置成宽的，因此可确保整个元件26的反射带具有大宽度W0。这样，图1所示的介质多层滤光器26可具有减小的入射角相关性以及宽的反射带。
实例
将描述图1所示的介质多层滤光器26配置为IR截止滤光器的实例(1)至(4)以及介质多层滤光器26配置为红光反射二向色滤光器的实例(5)。在说明实例(1)至(3)的光谱透射特性(均通过模拟来确定)的图7至图30中，特性A至D表示以下所述的透射比。每个实例中的设计的折射率和衰减系数的值是针对该实例中的设计波长(参考波长)λo的那些值。
特性A：0度入射角的透射比
特性B：25度入射角的p偏振光的透射比
特性C：25度入射角的s偏振光的透射比
特性D：25度入射角的p偏振光和s偏振光(n偏振光)的平均透射比
(1)第一介质多层薄膜30的实例
将描述第一介质多层薄膜30的实例。在以下实例中，第一介质多层薄膜30经过设计，使得反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E1L(参见图6(a))在入射角为0度时是655nm。
<实例(1)-1>
第一介质多层薄膜30采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.51的折射率和0的衰减系数)
薄膜34：La2O3和Al2O3的复合氧化物(具有1.72的折射率和0的衰减系数)
薄膜36：TiO2(具有2.27的折射率和0.0000817的衰减系数)
层数：27
参考波长(反射带的中心波长)λo：731.5nm
各层的厚度如表1所示。
[表1]
Figure G061G9017520061225D000111
图7说明根据实例(1)-1的设计的光谱透射特性(仅薄膜的特性)。图8是放大视图，说明图7的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。在特性的描述中，术语“高反射带(带宽)”表示其中透射比等于或小于1％的波段(带宽)(对于其它实例也是如此)。
0度入射角的高反射带：686.8至770.7nm
0度入射角的高反射带宽：83.9nm
25度入射角的p偏振光的高反射带：676.5至746nm
25度入射角的p偏振光的高反射带宽：69.5nm
25度入射角的s偏振光的高反射带：666至759.8nm
25度入射角的s偏振光的高反射带宽：93.8nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E1L的移位：15nm(参见图8)
整个叠层薄膜的平均折射率：1.94
<实例(1)-2>
第一介质多层薄膜30采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.51的折射率和0的衰减系数)
薄膜34：La2O3和Al2O3的复合氧化物(具有1.72的折射率和0的衰减系数)
薄膜36：Nb2O5(具有2.32的折射率和0的衰减系数)
层数：27
参考波长(反射带的中心波长)λo：732nm
各层的厚度如表2所示。
[表2]
Figure G061G9017520061225D000121
图9说明根据实例(1)-2的设计的光谱透射特性(仅薄膜的特性)。图10是放大视图，说明图9中的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：684.9至784.4nm
0度入射角的高反射带宽：99.5nm
25度入射角的p偏振光的高反射带：674.1至759.7nm
25度入射角的p偏振光的高反射带宽：85.6nm
25度入射角的s偏振光的高反射带：664.5至772.5nm
25度入射角的s偏振光的高反射带宽：108nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E1L的移位：14.8nm(参见图10)
整个叠层薄膜的平均折射率：1.96
根据这种设计，由于构成薄膜36的Nb2O5具有略高于构成实例(1)-1中的薄膜36的TiO2的折射率，因此与实例(1)-1相比，移位减少0.2nm。
<实例(1)-3>
第一介质多层薄膜30采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.51的折射率和0的衰减系数)
薄膜34：La2O3和Al2O3的复合氧化物(具有1.81的折射率和0的衰减系数)
薄膜36：TiO2(具有2.27的折射率和0.0000821的衰减系数)
层数：31
参考波长(反射带的中心波长)λo：729.5nm
各层的厚度如表3所示。
[表3]
Figure G061G9017520061225D000131
图11说明根据实例(1)-3的设计的光谱透射特性(仅薄膜的特性)。图12是放大视图，说明图11中的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：685.5至744.5nm
0度入射角的高反射带宽：59nm
25度入射角的p偏振光的高反射带：675.6至722.7nm
25度入射角的p偏振光的高反射带宽：47.1nm
25度入射角的s偏振光的高反射带：655.9至734.5nm
25度入射角的s偏振光的高反射带宽：78.6nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E1L的移位：14nm(参见图12)
整个叠层薄膜的平均折射率：2.00
根据这种设计，与实例(1)-2相比，移位减少0.8nm。
<实例(1)-4>
第一介质多层薄膜30采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.51的折射率和0的衰减系数)
薄膜34：Bi2O3(具有1.91的折射率和0的衰减系数)
薄膜36：TiO2(具有2.28的折射率和0.0000879的衰减系数)
层数：41
参考波长(反射带的中心波长)λo：700.5nm
各层的厚度如表4所示。
[表4]
Figure G061G9017520061225D000151
图13说明根据实例(1)-4的设计的光谱透射特性(仅薄膜的特性)。图14是放大视图，说明图13中的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：677.5至723.5nm
0度入射角的高反射带宽：46nm
25度入射角的p偏振光的高反射带：656至705nm
25度入射角的p偏振光的高反射带宽：49nm
25度入射角的s偏振光的高反射带：659.3至713nm
25度入射角的s偏振光的高反射带宽：53.7nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E1L的移位：13.9nm(参见图14)
整个叠层薄膜的平均折射率：2.05
根据这种设计，由于构成薄膜34的Bi2O3具有略高于构成实例(1)-3中的薄膜34的La2O3和Al2O3的复合氧化物的折射率，因此与实例(1)-3相比，移位减少0.1nm。
<实例(1)-5>
第一介质多层薄膜30采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.51的折射率和0的衰减系数)
薄膜34：Ta2O5(具有2.04的折射率和0的衰减系数)
薄膜36：Nb2O5(具有2.32的折射率和0的衰减系数)
层数：55
参考波长(反射带的中心波长)λo：691.5nm
各层的厚度如表5所示。
[表5]
图15说明根据实例(1)-5的设计的光谱透射特性(仅薄膜的特性)。图16是放大视图，说明图15中的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：669.5至706.8nm
0度入射角的高反射带宽：37.3nm
25度入射角的p偏振光的高反射带：659.5至691.6nm
25度入射角的p偏振光的高反射带宽：32.1nm
25度入射角的s偏振光的高反射带：655.7至696.3nm
25度入射角的s偏振光的高反射带宽：40.6nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E1L的移位：11.8nm(参见图16)
整个叠层薄膜的平均折射率：2.17
根据这种设计，与实例(1)-4相比，移位减少2.1nm。
(2)第二介质多层薄膜32的实例
将描述第二介质多层薄膜32的实例。在以下实例中，第二介质多层薄膜32经过设计，使得反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E2L(参见图6(b))在入射角为0度时是670nm。换言之，半值波长E2L设置成比根据实例(1)-1至(1)-5的第一介质多层薄膜30的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E1L(假定在这里E1L＝650nm)长20nm。
<实例(2)-1>
第二介质多层薄膜32采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.51的折射率和0的衰减系数)
薄膜38：SiO2(具有1.45的折射率和0的衰减系数)
薄膜40：TiO2(具有2.25的折射率和0.0000696的衰减系数)
层数：37
参考波长(反射带的中心波长)λo：847nm
各层的厚度如表6所示。
[表6]
Figure G061G9017520061225D000191
图17说明根据实例(2)-1的设计的光谱透射特性(仅薄膜的特性)。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：715.2至1011.6nm
0度入射角的高反射带宽：296.4nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E2L的移位：20nm
整个叠层薄膜的平均折射率：1.75
根据这种设计，由于与根据实例(1)-1至(1)-5的第一介质多层薄膜30相比，薄膜38与40之间的折射率的差异大，因此反射带比第一介质多层薄膜30更宽。
<实例(2)-2>
第二介质多层薄膜32采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.51的折射率和0的衰减系数)
薄膜38：SiO2(具有1.45的折射率和0的衰减系数)
薄膜40：Nb2O5(具有2.30的折射率和0的衰减系数)
层数：37
参考波长(反射带的中心波长)λo：825.5nm
各层的厚度如表7所示。
[表7]
Figure G061G9017520061225D000201
图18说明根据实例(2)-2的设计的光谱透射特性(仅薄膜的特性)。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：711.1至1091.6nm
0度入射角的高反射带宽：380.5nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E2L的移位：19.7nm
整个叠层薄膜的平均折射率：1.77
根据这种设计，由于与根据实例(1)-1至(1)-5的第一介质多层薄膜30相比，薄膜38与40之间的折射率的差异大，因此反射带比第一介质多层薄膜30更宽。
(3)IR截止滤光器26的实例
将描述由根据实例(1)-1至(1)-5的第一介质多层薄膜30的任一个以及根据上述实例(2)-1和(2)-2的第二介质多层薄膜32的任一个的组合所组成的整个IR截止滤光器26的实例。在以下实例的任一个中，采用德国的SCHOTT AG制造的B270-Superwhite(具有1.52的折射率(550nm)以及0.3mm的厚度)作为衬底28来执行模拟。
<实例(3)-1>
IR截止滤光器26采用根据以下实例的第一介质多层薄膜30和第二介质多层薄膜32来设计。
第一介质多层薄膜30：实例(1)-1(整个叠层薄膜的平均折射率＝1.94)
第二介质多层薄膜32：实例(2)-1(整个叠层薄膜的平均折射率＝1.75)
图19说明这种设计的IR截止滤光器26的光谱透射特性。图20是放大视图，说明图19中的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：685.2至1010.6nm
0度入射角的高反射带宽：325.4nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长EL的移位：15.5nm
<实例(3)-2>
IR截止滤光器26采用根据以下实例的第一介质多层薄膜30和第二介质多层薄膜32来设计。
第一介质多层薄膜30：实例(1)-1(整个叠层薄膜的平均折射率＝1.94)
第二介质多层薄膜32：实例(2)-2(整个叠层薄膜的平均折射率＝1.77)
图21说明这种设计的IR截止滤光器26的光谱透射特性。图22是放大视图，说明图21中的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：685.9至1091.6nm
0度入射角的高反射带宽：405.7nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长EL的移位：15.2nm
<实例(3)-3>
IR截止滤光器26采用根据以下实例的第一介质多层薄膜30和第二介质多层薄膜32来设计。
第一介质多层薄膜30：实例(1)-2(整个叠层薄膜的平均折射率＝1.96)
第二介质多层薄膜32：实例(2)-2(整个叠层薄膜的平均折射率＝1.77)
图23说明这种设计的IR截止滤光器26的光谱透射特性。图24是放大视图，说明图23中的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：683.9至1092.1nm
0度入射角的高反射带宽：408.2nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长EL的移位：15nm
<实例(3)-4>
IR截止滤光器26采用根据以下实例的第一介质多层薄膜30和第二介质多层薄膜32来设计。
第一介质多层薄膜30：实例(1)-3(整个叠层薄膜的平均折射率＝2.00)
第二介质多层薄膜32：实例(2)-1(整个叠层薄膜的平均折射率＝1.75)
图25说明这种设计的IR截止滤光器26的光谱透射特性。图26是放大视图，说明图25中的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：683.8至1011.5nm
0度入射角的高反射带宽：327.7nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长EL的移位：14.4nm
<实例(3)-5>
IR截止滤光器26采用根据以下实例的第一介质多层薄膜30和第二介质多层薄膜32来设计。
第一介质多层薄膜30：实例(1)-4(整个叠层薄膜的平均折射率＝2.05)
第二介质多层薄膜32：实例(2)-1(整个叠层薄膜的平均折射率＝1.75)
图27说明这种设计的IR截止滤光器26的光谱透射特性。图28是放大视图，说明图27中的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：677至1011.1nm
0度入射角的高反射带宽：334.1nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长EL的移位：14.4nm
<实例(3)-6>
IR截止滤光器26采用根据以下实例的第一介质多层薄膜30和第二介质多层薄膜32来设计。
第一介质多层薄膜30：实例(1)-5(整个叠层薄膜的平均折射率＝2.17)
第二介质多层薄膜32：实例(2)-2(整个叠层薄膜的平均折射率＝1.77)
图29说明这种设计的IR截止滤光器26的光谱透射特性。图30是放大视图，说明图29中的620至690nm波段中的光谱透射特性。根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：677.2至1011.6nm
0度入射角的高反射带宽：334.4nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长EL的移位：12nm
(4)与传统配置的IR截止滤光器的特性的比较
对于在传统上按照以下设计配置的IR截止滤光器执行模拟。
衬底：玻璃(具有1.52的折射率和0的衰减系数)
衬底的正面的介质多层薄膜：衬底/SiO2薄膜/TiO2薄膜/...(重复).../SiO2薄膜/空气层(这个薄膜经过设计，使得反射带的较短波长侧边沿上的半值波长在入射角为0度时是655nm，以及整个叠层薄膜的平均折射率＝1.78)。
介质多层薄膜的层数：17
在衬底的背面：形成增透膜
根据这种设计，得到以下特性。
0度入射角的高反射带：689.4至989.1nm
0度入射角的高反射带宽：299.7nm
入射角为0度的情况(特性A)与入射角为25度的情况(特性D)之间的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长EL的移位：19.5nm
通过采用传统配置的IR截止滤光器与根据本发明的实例(3)-1至(3)-6的IR截止滤光器之间的比较，得出以下结论。
(a)在本发明的实例(3)-1至(3)-6中，与传统配置相比，较短波长侧边沿上的半值波长EL的移位减小。这是因为，在本发明的每个实例中，定义反射带的较短波长侧边沿上的半值波长EL的整个第一介质多层薄膜30的平均折射率设置成高于由SiO2薄膜和TiO2薄膜所组成的传统的整个介质多层薄膜的平均折射率。因此，例如，在根据本发明的实例(3)-1至(3)-6的IR截止滤光器应用于CCD照相机的情况中，入射角相关性被减小，以及所拍摄图像的色调的变化可得到抑制。
(b)根据本发明的实例(3)-1至(3)-6，反射带与传统配置的相等或者更宽。这是因为，在这些实例中，第二介质多层薄膜32的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E2L(图6(b))设置成比第一介质多层薄膜30的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E1L(图6(a))长20nm。换言之，第二介质多层薄膜32的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E2L被第一介质多层薄膜30的反射带W1掩蔽。因此，第二介质多层薄膜32的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长E2L的入射角相关性对整个元件26的反射特性没有影响。因此，第二介质多层薄膜32的反射带的宽度W2可设置得更宽，以便增加整个元件26的反射带的宽度W0(图6(c))。因此，根据本发明的实例(3)-1至(3)-6，红外光可被充分阻塞，使得在IR截止滤光器应用于CCD照相机的情况中，红外光对色彩再现的不利影响可减小。
(5)实例(4)：IR截止滤光器26的另一个实例
将描述其中第一介质多层薄膜30的第二介质材料的薄膜36的光学厚度设置成大于第一介质材料的薄膜34的光学厚度的整个IR截止滤光器26的一个实例。
第一介质多层薄膜30采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.52的折射率和0的衰减系数)
第一介质材料的薄膜34：La2O3和Al2O3的复合氧化物(具有1.75的折射率和0的衰减系数)
第二介质材料的薄膜36：TiO2(具有2.39的折射率和0的衰减系数)
薄膜34与薄膜36之间的光学厚度比：1∶1.9(近似值)
层数：24(SiO2薄膜(具有1.46的折射率和0的衰减系数)在叠层之上形成)
参考波长(反射带的中心波长)：509nm
整个第一介质多层薄膜30的平均折射率：2.11
第一介质多层薄膜30的各层的厚度如表8所示。
[表8]
Figure G061G9017520061225D000261
λo＝509nm
第二介质多层薄膜32采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.51的折射率和0的衰减系数)
第三介质材料的薄膜38：SiO2(具有1.46的折射率和0的衰减系数)
第四介质材料的薄膜40：TiO2(具有2.33的折射率和0的衰减系数)
薄膜38与薄膜40之间的光学厚度比：1∶1(近似值)
层数：42
参考波长(反射带的中心波长)λo：805nm
整个第二介质多层薄膜32的平均折射率：1.78
第二介质多层薄膜32的各层的厚度如表9所示。
[表9]
λo＝805nm
图32说明对于0度入射角(常规入射角)根据这个实例(4)的设计的IR截止滤光器26的光谱透射特性(实际测量结果)。在图32中，特性A、B和C分别表示以下透射比。
特性A：仅第一介质多层薄膜30的n偏振光(p偏振光和s偏振光的平均值)的透射比
特性B：仅第二介质多层薄膜32的n偏振光的透射比
特性C：整个IR截止滤光器26的n偏振光的透射比
从图32所示的整个IR截止滤光器26的特性C可以看到，获得了IR截止滤光器所需的反射带。
图33是放大视图，说明对于变化入射角在625nm至680nm波段中根据这个实例(4)(整个IR截止滤光器26的特性)的设计的IR截止滤光器26的光谱透射特性(实际测量结果)。在图33中，特性A、
B、C和D分别表示以下透射比。
特性A：0度入射角的n偏振光的透射比
特性B：15度入射角的n偏振光的透射比
特性C：25度入射角的n偏振光的透射比
特性D：30度入射角的n偏振光的透射比
从图33中可以看到，特性B、C和D的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长从特性A(入射角＝0度)的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长(654.7nm)的移位如下。
特性B(入射角＝15度)的移位：4.3nm
特性C(入射角＝25度)的移位：11.8nm
特性D(入射角＝30度)的移位：16.5nm
作为比较实例，图34是放大视图，说明对于变化入射角在625至680nm波段中采用传统介质多层薄膜的IR截止滤光器的光谱透射特性(模拟值)。IR截止滤光器包括由光学玻璃构成的衬底、交替淀积在衬底的正面的SiO2的低折射率薄膜和TiO2的高折射率薄膜的叠层以及在衬底的背面形成的增透膜。在图34中，特性A、B、C和D分别表示以下透射比。
特性A：0度入射角的n偏振光的透射比
特性B：15度入射角的n偏振光的透射比
特性C：25度入射角的n偏振光的透射比
特性D：30度入射角的n偏振光的透射比
从图34中可以看到，特性B、C和D的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长从特性A(入射角＝0度)的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长(655.0nm)的移位如下。
特性B(入射角＝15度)的移位：7.1nm
特性C(入射角＝25度)的移位：18.7nm
特性D(入射角＝30度)的移位：25.8nm
通过图33与图34之间的比较可以看到，与传统设计相比，从0度入射角时的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长的移位在实例(4)中得到以下改进
对于15度的入射角为2.8nm(＝7.1nm-4.3nm)，
对于25度的入射角为6.9nm(＝18.7nm-11.8nm)，以及
对于30度的入射角为9.3nm(＝25.8nm-16.5nm)。
(6)实例(5)：红光反射二向色滤光器的实例
将描述由图1所示的介质多层滤光器26组成的红光反射二向色滤光器的一个实例。
第一介质多层薄膜30采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.52的折射率和0的衰减系数)
第一介质材料的薄膜34：La2O3和Al2O3的复合氧化物(具有1.70的折射率和0的衰减系数)
第二介质材料的薄膜36：Ta2O5(具有2.16的折射率和0的衰减系数)
薄膜34与薄膜36之间的光学厚度比：0.5∶2(1∶4)(近似值)
层数：43
参考波长(反射带的中心波长)：533nm
整个第一介质多层薄膜30的平均折射率：2.04
第一介质多层薄膜30的各层的厚度如表10所示。
[表10]
Figure G061G9017520061225D000301
第二介质多层薄膜32采用以下参数来设计。
衬底：玻璃(具有1.51的折射率和0的衰减系数)
薄膜38：SiO2(具有1.45的折射率和0的衰减系数)
薄膜40：Ta2O5(具有2.03的折射率和0的衰减系数)
薄膜38与薄膜40之间的光学厚度比：1∶1(近似值)
层数：14
参考波长(反射带的中心波长)λo：780nm
整个第二介质多层薄膜32的平均折射率：1.68
第二介质多层薄膜32的各层的厚度如表11所示。
[表11]
Figure G061G9017520061225D000311
λo＝780nm
图35说明对于45度入射角(常规入射角)根据这个实例(5)的设计的红光反射二向色滤光器26的光谱透射特性(模拟值)。在图35中，特性A和B分别表示以下透射比。
特性A：仅第一介质多层薄膜30的s偏振光的透射比
特性B：仅第二介质多层薄膜32的s偏振光的透射比
从图35可以看到，作为是特性A和B的反射带的组合的整个红光反射二向色滤光器26的反射带，得到IR截止滤光器所需的反射带。
图36说明对于变化入射角根据这个实例(5)的设计的整个红光反射二向色滤光器26的光谱透射特性(模拟值)。在图36中，特性A、B和C分别表示以下透射比。
特性A：30度入射角(＝常规入射角-15度)的s偏振光的透射比
特性B：45度入射角(＝常规入射角)的s偏振光的透射比
特性C：60度入射角(＝常规入射角+15度)的s偏振光的透射比
从图36中可以看到，特性A和C的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长从特性B(入射角＝45度)的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长(592.8nm)的移位如下。
特性A(入射角＝30度)的移位：+20.3nm
特性C(入射角＝60度)的移位：-20.8nm
作为比较实例，从前面所述的图31中可以看到(采用传统介质多层薄膜的红光反射二向色滤光器的特性)，特性A和C的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长从特性B(入射角＝45度)的反射带的较短波长侧边沿上的半值波长(591.7nm)的移位如下。
特性A(入射角＝30度)的移位：+35.9nm
特性C(入射角＝60度)的移位：-37.8nm
通过图31与图36之间的比较可以看到，与传统设计相比，从45度入射角时反射带的较短波长侧边沿上的半值波长的移位在实例(5)中得到以下改进
对于30度的入射角为15.6nm(＝35.9nm-20.3nm)，以及
对于60度的入射角为17.0nm(＝37.8nm-20.8nm)。
在第一介质多层薄膜30中的第二介质材料的薄膜36的光学厚度设置成大于第一介质材料的薄膜34的光学厚度的情况中，薄膜34与薄膜36之间的光学厚度比在实例(4)中近似为1∶1.9，以及在实例(5)中近似为1∶4。但是，各种光学厚度比、如1∶1.5(2∶3)和1∶3是可行的。
在根据上述实施例的介质多层滤光器26中，第一介质多层薄膜30在透明衬底28的正面(光的入射面)28a上形成，以及第二介质多层薄膜32在背面28b上形成。但是，第二介质多层薄膜32可在正面28a上形成，以及第一介质多层薄膜30可在背面28b上形成。
在上述实施例中，已经描述了本发明应用于IR截止滤光器和红光反射二向色滤光器的情况。但是，本发明也可应用于要求入射角相关性的抑制和宽反射带的其它任何滤光器(例如其它边缘滤光器)。

Claims (9)

1.一种介质多层滤光器，包括：
透明衬底；
在所述透明衬底的一个表面上形成的具有预定反射带的第一介质多层薄膜；以及
在所述透明衬底的另一个表面上形成的具有预定反射带的第二介质多层薄膜，
其中，所述第一介质多层薄膜的反射带的宽度设置成比所述第二介质多层薄膜的反射带的宽度更窄，以及
所述第二介质多层薄膜的反射带的较短波长侧边沿设置在所述第一介质多层薄膜的反射带的较短波长侧边沿与较长波长侧边沿之间。
2.如权利要求1所述的介质多层滤光器，其特征在于，整个所述第一介质多层薄膜的平均折射率设置成高于整个所述第二介质多层薄膜的平均折射率。
3.如权利要求1所述的介质多层滤光器，其特征在于，所述第一介质多层薄膜具有包括交替堆叠的具有预定折射率的第一介质材料的薄膜和具有高于第一介质材料的折射率的第二介质材料的薄膜的结构，
所述第二介质多层薄膜具有包括交替堆叠的具有预定折射率的第三介质材料的薄膜和具有高于第三介质材料的折射率的第四介质材料的薄膜的结构，以及
所述第一介质材料与所述第二介质材料之间的折射率的差异设置成小于所述第三介质材料与所述第四介质材料之间的折射率的差异。
4.如权利要求3所述的介质多层滤光器，其特征在于，所述第一介质材料对于具有550nm的波长的光具有1.60至2.10的折射率，
所述第二介质材料对于具有550nm的波长的光具有2.0或更高的折射率，
所述第三介质材料对于具有550nm的波长的光具有1.30至1.59的折射率，以及
所述第四介质材料对于具有550nm的波长的光具有2.0或更高的折射率。
5.如权利要求4所述的介质多层滤光器，其特征在于，所述第二介质材料是TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种或者是主要包含TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种的复合氧化物，
所述第三介质材料是SiO2，以及
所述第四介质材料是TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种或者是主要包含TiO2、Nb2O5和Ta2O5中的任一种的复合氧化物。
6.如权利要求3所述的介质多层滤光器，其特征在于，在所述第一介质多层薄膜中，所述第二介质材料的薄膜的光学厚度设置成大于所述第一介质材料的薄膜的光学厚度。
7.如权利要求6所述的介质多层滤光器，其特征在于，“(第二介质材料的薄膜的光学厚度)/(第一介质材料的薄膜的光学厚度)”的值大于1.0，并且等于或小于4.0。
8.如权利要求1所述的介质多层滤光器，其特征在于，所述介质多层滤光器是透射可见光并且反射红外光的红外截止滤光器。
9.如权利要求1所述的介质多层滤光器，其特征在于，所述介质多层滤光器是反射红光的红光反射二向色滤光器。
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