JP2000147248A - 多層膜ローパスフィルタおよびこれを用いた光学部品 - Google Patents

多層膜ローパスフィルタおよびこれを用いた光学部品

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JP2000147248A
JP2000147248A JP10342387A JP34238798A JP2000147248A JP 2000147248 A JP2000147248 A JP 2000147248A JP 10342387 A JP10342387 A JP 10342387A JP 34238798 A JP34238798 A JP 34238798A JP 2000147248 A JP2000147248 A JP 2000147248A
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Masataka Suzuki
雅隆 鈴木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リップルのないすぐれた透過率分光特性を有
するローパスフィルタを実現する。 【解決手段】 基板10に所定層数の高屈折率膜Haと
低屈折率膜Laからなる調整層21を積層し、その上に
高屈折率膜H1 と低屈折率膜L1 からなる固定層22を
設けて、全体でローパスフィルタとして必要な光学特性
を有する誘電体多層膜20を構成する。調整層21の高
屈折率膜Haと低屈折率膜Laの屈折率差は、固定層2
2の高屈折率膜H1 と低屈折率膜L1 の屈折率差より小
さくて、全体の膜構成の周期性を乱すことで、透過率分
光特性のリップルを除去することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、カメラ、複写機、
プリンタ、各種計測器等の光学機器や光通信分野の経路
および装置等に用いられる多層膜ローパスフィルタに関
するものである。
【0002】
【従来の技術】光通信分野や各種光学機器に用いられる
光学系では、所定の波長の光を透過させたり、または反
射させたりする目的で光学フィルタが随所で使われてい
る。なかでもローパスフィルタは、熱源となってしまう
赤外域の光や、光源からの2次光といった特定波長帯域
の光をカットする目的で使われている。
【0003】図9の(a)は、一従来例によるローパス
フィルタの膜構成を示すものである。一般的にこのよう
な光フィルタは、基板110上に、屈折率の異なる誘電
体膜H,Lを交互に積層した誘電体多層膜120によっ
て構成されている。具体的には、それぞれ高屈折率と低
屈折率の誘電体材料からなる高屈折率膜Hと低屈折率膜
Lを、反射帯域の設計中心波長λの1/4の光学的膜厚
nd(屈折率n×膜厚d)で交互に積層して形成され
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術によれば、屈折率差の大きい誘電体からなる高屈
折率膜と低屈折率膜を交互に積層して形成する多層膜ロ
ーパスフィルタでは、図9の(b)に示すように、光の
透過帯域と反射帯域との境界域近傍において透過帯域側
で透過率が波長によってばらつく、いわゆる透過損失う
ねりが発生してしまう。これは、通称リップルと呼ばれ
るもので、ローパスフィルタの透過率分光特性の向上や
安定性を確保するうえでの大きな障害となっている。
【0005】本発明は上記従来の技術の有する未解決の
課題に鑑みてなされたものであり、透過帯域における透
過損失うねりを除去して、透過帯域の全域にわたって安
定した透過率を確保することのできる高性能な多層膜ロ
ーパスフィルタおよびこれを用いた光学部品を提供する
ことを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の多層膜ローパスフィルタは、基板上に高屈
折率膜と低屈折率膜を交互に積層した誘電体多層膜を有
し、該誘電体多層膜の前記基板側の下部層を構成する前
記高屈折率膜と前記低屈折率膜の屈折率差が、残りの上
部層を構成する前記高屈折率膜と前記低屈折率膜の屈折
率差より小さいことを特徴とする。
【0007】誘電体多層膜の下部層の高屈折率膜と低屈
折率膜が、多層膜ローパスフィルタの透過帯域と反射帯
域の境界部分近傍の前記反射帯域の波長の1/4または
1/8を基準値として最適化された光学的膜厚を有する
とよい。
【0008】下部層が、合計で4層ないし7層の高屈折
率膜と低屈折率膜を有するとよい。
【0009】
【作用】誘電体多層膜を構成する高屈折率膜と低屈折率
膜のうちで、基板側の下部層を構成する高屈折率膜と低
屈折率膜の屈折率差が、上部層を構成する高屈折率膜と
低屈折率膜の屈折率差より小さくなるように、各膜の材
料となる誘電体を選定する。
【0010】全体の膜構造の周期性を乱すことで、該周
期性に起因する透過損失うねりを除去することができ
る。
【0011】ローパスフィルタの透過帯域と反射帯域の
境界領域において透過率がばらつくことなく、透過率分
光特性の向上と安定化に大きく貢献できる。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。
【0013】図1は一実施の形態による多層膜ローパス
フィルタの膜構成を示すもので、基板10上に積層され
た誘電体多層膜20を有する。誘電体多層膜20は、屈
折率差の小さい高屈折率膜Haと低屈折率膜Laを交互
に積層した下部層である調整層21と、屈折率差が大で
あり、ローパスフィルタとして所定の光学特性を達成す
るための主要部を構成する高屈折率膜H1 と低屈折率膜
1 が交互に積層された残りの上部層である固定層22
から構成される。換言すれば、固定層22の高屈折率膜
1 と低屈折率膜L1 の屈折率差より、調整層21の高
屈折率膜Haと低屈折率膜Laの屈折率差が小さくなる
ように、各膜の材料である誘電体が選定されている。
【0014】このように、基板10側の調整層21は、
固定層22を構成する高屈折率膜H1 と低屈折率膜L1
に比べて屈折率差の小さい高屈折率膜Haと低屈折率膜
Laを交互に積層したものである。すなわち、同じ高屈
折率誘電体膜であっても、屈折率が固定層22の高屈折
率膜H1 より低いものを高屈折率膜H2 とし、中屈折率
誘電体膜を中屈折率膜Mとし、同じ低屈折率誘電体膜で
あっても、屈折率が固定層22の低屈折率膜L1 より高
いものを低屈折率膜L2 としたときに、調整層21の高
屈折率膜Ha/低屈折率膜Laを例えば以下の組み合わ
せに設定する。
【0015】 H1 /M,H2 /M,H2 /L2 ,H2 /L1 高屈折率膜H1 ,H2 を得るための高屈折率誘電体膜と
しては、酸化ジルコニウム(ZrO2 )、酸化チタン
(TiO2 )、酸化タンタル(Ta25 )、酸化ニオ
ブ(Nb25 )、酸化ハフニウム(HfO2 )、酸化
セリウム(CeO2 )等のいずれかまたはこれらの混合
物が挙げられる。中屈折率膜Mを得るための中屈折率誘
電体膜としては、酸化アルミニウム(Al23 )、酸
化ゲルマニウム(GeO2 )、酸化イットリウム(Y2
3 )等のいずれかまたはこれらの混合物が挙げられ
る。また、低屈折率膜L1 ,L2 を得るための低屈折率
誘電体膜としては、酸化シリコン(SiO2 )、フッ化
マグネシウム(MgF2 )、フッ化アルミニウム(Al
3 )等のいずれかまたはこれらの混合物が挙げられ
る。
【0016】誘電体多層膜20を積層する基板10は、
低屈折率基板としては、例えば石英基板、BK7基板、
中屈折率基板としては、例えばSK材、SF材等の基
板、高屈折率基板としては、LaSF材、結晶のLiN
bO3 等の基板で、屈折率が略1.4〜2.4の基板が
適用できる。
【0017】このように屈折率の異なる基板に対して、
反射帯域として必要な範囲の反射率を満たす膜厚、層数
を有する固定層22を除く調整層21の膜厚を、基板等
に合わせて微調整あるいは最適化することによって、図
1の(b)に示すようにリップルの無い透過率分光特性
を有する高性能な多層膜ローパスフィルタを設計でき
る。その際の基準値となる光学的膜厚は、透過帯域と反
射帯域との境界部分近傍(長波長側)の反射帯域、換言
すれば、反射帯域の短波長域波長の1/4または1/8
とする。
【0018】具体的には、例えば、反射帯域が800n
mから1000nmである場合は、その短波長側800
〜900nmの1/4に当たる200〜225nmと、
1/8に当たる100〜113nmを基準の光学的膜厚
として、要求特性を満足するよう最適化計算をして、調
整層21の各層の膜厚を設定する。
【0019】本実施の形態によれば、ローパスフィルタ
を構成する誘電体多層膜全体の膜構造の周期性を屈折率
差の小さい調整層によって乱すことで、前記周期性に起
因するリップルを除去し、透過率分光特性を大幅に向
上、安定化させることができる。
【0020】次に実施例を説明する。
【0021】(第1実施例)図2は第1実施例の膜構成
を示す。これは合計37層構成で、各層の光学的膜厚n
dは図示の通りであり、高屈折率膜H1 ,Haの材料と
して酸化チタン(TiO2 )、低屈折率膜Laを構成す
る中屈折率膜Mの材料として酸化アルミニウム(Al2
3 )、低屈折率膜L1 の材料として酸化シリコン(S
iO2 )を用い、高屈折率膜Haと中屈折率膜Mで構成
される屈折率差の小さい調整層の層数を4層とした構成
である。基板は、高屈折率基板LiNbO3 を用いた。
【0022】図3は、本実施例の膜構成での透過率分光
特性Aを、図9に示した従来例の高屈折率膜と低屈折率
膜の固定層のみの膜構成からなる多層膜ローパスフィル
タの透過率分光特性Bと比較したグラフである。透過率
分光特性AとBは、それぞれの構成において、同一の計
算方法で、最も透過率精度を高めることのできる条件に
最適化されるように計算されたシミュレーショングラフ
である。透過率分光特性Bには透過率92%程度まで減
少するリップルが見られるが、透過率分光特性Aにはそ
ういったリップルは見られず、透過率として98%程度
が得られていることが判る。
【0023】(第2実施例)図4は第2実施例の膜構成
を示す。この場合も合計37層構成で、各層の光学的膜
厚ndは図示の通りであり、高屈折率膜H1 ,Haの材
料として酸化チタン(TiO2 )、低屈折率膜Laを構
成する中屈折率膜Mの材料として酸化アルミニウム(A
23 )、低屈折率膜L1 の材料として酸化シリコン
(SiO2 )を用い、高屈折率膜Haと中屈折率膜Mで
構成される屈折率差の小さい調整層の層数を6層とした
構成である。
【0024】図5に本実施例の膜構成での透過率分光特
性Cと、第1実施例の透過率分光特性Aを示す。透過率
分光特性AとCは、それぞれの構成において、同一の計
算方法で、最も透過率精度を高めることのできる条件に
最適化されるように計算されたシミュレーショングラフ
である。透過率分光特性CもAと同様にリップルは見ら
れず、透過率として98%程度が得られていることが判
る。
【0025】(第3実施例)図6は第3実施例の膜構成
を示す。この場合も合計37層構成で、各層の光学的膜
厚ndは図示の通りであり、高屈折率膜H1 の材料とし
て酸化チタン(TiO2 )、屈折率の低い高屈折率膜H
2 の材料として酸化ジルコニウム(ZrO2)、低屈折
率膜L1 の材料として酸化シリコン(SiO2 )を用
い、高屈折率膜H2 と低屈折率膜L1 で構成される屈折
率差の小さい調整層の層数を5層とした構成である。図
7は本実施例の透過率分光特性Dを示す。透過率分光特
性Dは、他の実施例の分光特性と同一の計算方法で、最
も透過率精度を高めることのできる条件に最適化される
ように計算されたシミュレーショングラフである。透過
率分光特性DもAと同様にリップルは見られず、透過率
として97%程度が得られていることが判る。
【0026】(第4実施例)第1実施例をもとに、屈折
率略1.4〜2.4の基板のなかで基板の種類を変えた
ときの調整層の各層の最適膜厚値を表1に示し、基板が
LaSFO3 であるサンプルの設計シミュレーショング
ラフを図8に示した。残りの基板についても図8と同様
のシミュレーショングラフが得られることが判明してい
る。
【0027】
【表1】
【0028】
【発明の効果】本発明は上述のとおり構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。
【0029】多層膜ローパスフィルタの透過帯域におけ
る透過損失うねりを除去して、透過率分光特性を大幅に
改善できる。
【0030】このような多層膜ローパスフィルタを各種
光学部品の表面等に設けることで、光学機器の光学性能
を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施の形態による多層膜ローパスフィルタを
示すもので、(a)はその膜構成を示す模式断面図、
(b)は(a)の透過率分光特性を示す図である。
【図2】第1実施例の膜構成を示す図である。
【図3】第1実施例の透過率分光特性のシミュレーショ
ングラフである。
【図4】第2実施例の膜構成を示す図である。
【図5】第2実施例の透過率分光特性のシミュレーショ
ングラフである。
【図6】第3実施例の膜構成を示す図である。
【図7】第3実施例の透過率分光特性のシミュレーショ
ングラフである。
【図8】第4実施例の透過率分光特性のシミュレーショ
ングラフである。
【図9】一従来例による多層膜ローパスフィルタを示す
もので、(a)はその膜構成を示す模式断面図、(b)
は(a)の透過率分光特性を示す図である。
【符号の説明】
10 基板 20 誘電体多層膜 21 調整層 22 固定層
フロントページの続き Fターム(参考) 2H048 GA04 GA09 GA12 GA46 GA56 GA62 4F100 AA05B AA06B AA17A AA17B AA19B AA20B AA21A AA26B AA27A AR00A AR00B AT00C BA05 BA07 BA08 BA10A BA10B BA10C BA13 BA26A BA26B GB90 JA20A JA20B JG05A JG05B JN18A JN18B JN18C JN30 YY00A YY00B YY00C

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に高屈折率膜と低屈折率膜を交互
    に積層した誘電体多層膜を有し、該誘電体多層膜の前記
    基板側の下部層を構成する前記高屈折率膜と前記低屈折
    率膜の屈折率差が、残りの上部層を構成する前記高屈折
    率膜と前記低屈折率膜の屈折率差より小さいことを特徴
    とする多層膜ローパスフィルタ。
  2. 【請求項2】 誘電体多層膜の下部層の高屈折率膜と低
    屈折率膜が、多層膜ローパスフィルタの透過帯域と反射
    帯域の境界部分近傍の前記反射帯域の波長の1/4また
    は1/8を基準値として最適化された光学的膜厚を有す
    ることを特徴とする請求項1記載の多層膜ローパスフィ
    ルタ。
  3. 【請求項3】 屈折率略1.4〜2.4の基板に対して
    下部層の高屈折率膜と低屈折率膜の光学的膜厚を最適化
    することで、透過損失うねりを除去したことを特徴とす
    る請求項2記載の多層膜ローパスフィルタ。
  4. 【請求項4】 下部層が、合計で4層ないし7層の高屈
    折率膜と低屈折率膜を有することを特徴とする請求項1
    ないし3いずれか1項記載の多層膜ローパスフィルタ。
  5. 【請求項5】 高屈折率膜としてZrO2 ,TiO2
    Ta23 ,Nb25 ,HfO2 ,CeO2 のいずれ
    かまたはこれらの混合物からなる高屈折率誘電体膜、低
    屈折率膜としてAl23 ,GeO2 ,Y23 のいず
    れかまたはこれらの混合物からなる中屈折率誘電体膜、
    またはSiO2 ,MgF2 ,AlF3のいずれかまたは
    これらの混合物からなる低屈折率誘電体膜を用いること
    を特徴とする請求項1ないし4いずれか1項記載の多層
    膜ローパスフィルタ。
  6. 【請求項6】 請求項1ないし5いずれか1項記載の多
    層膜ローパスフィルタを有することを特徴とする光学部
    品。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2004086515A1 (ja) * 2003-03-25 2004-10-07 Osaka Gas Co., Ltd. フィルタ機能付き光センサ及び火炎センサ
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