JP2006201450A - 光学フィルタ及び光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 透過帯域でのリップルを抑制しつつ、阻止帯域を広くすることができ、かつ、成膜時の膜厚制御が容易な膜構成で安定した光学特性を得ることができる光学フィルタ及び光学機器を提供すること。
【解決手段】 光学フィルタ３は、基板６と、屈折率が相対的に低い低屈折率層８と屈折率が相対的に高い高屈折率層１０とが交互に基板６上に積層された薄膜１１とを備えており、薄膜１１が、第１の積層部１２と、第１の積層部１２に隣接する第２の積層部１３と、第２の積層部１３に隣接し、高屈折率層１０及び低屈折率層８の各光学膜厚が、第２の積層部１３に係る高屈折率層１０及び低屈折率層８の各光学膜厚の係数倍とされた第３の積層部１５と、第３の積層部１５に隣接する第４の積層部１６とを備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光学フィルタ及び光学機器に関する。

ビデオカメラやデジタルカメラ等の固体撮像素子を使用した光学機器では、可視光のみを透過して赤外光の透過を阻止する光学フィルタがキーパーツとして用いられている。この光学フィルタの光学特性は、透過帯域においてはほぼ１００％の光を透過して、波長の増減に対する透過率の周期的な変動（リップル）が少ないことが好ましい。

このように、可視光を透過し赤外光を遮断する光学フィルタとしては、主に、色ガラスのような吸収タイプのフィルタと、誘電体多層膜で構成されるフィルタとが用いられている。
近年、光学機器の小型化への要求から、より薄型のフィルタが望まれている。また、レンズ上に直接フィルタを形成したいというニーズもある。そのため、基板上に高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した多層膜フィルタが、薄型のフィルタとして多く用いられている（例えば、特許文献１、２参照。）。この多層膜フィルタを透過する光の波長と透過率との関係、すなわち分光特性を図９に示す。

しかしながら、上記従来の技術は、透過帯域にリップルが未だ残存したている。また、リップルを抑制する膜構成とした場合、各層の膜厚が異なるために、実際に成膜する際の膜厚制御性が悪い。そのため、従来の技術では、安定した光学特性を得ることが困難である。
特開平６−１３８３１７号公報 特開２００４−１６３８６９号公報

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、透過帯域でのリップルを抑制しつつ、阻止帯域を広くすることができ、かつ、成膜時の膜厚制御が容易な膜構成で安定した光学特性を得ることができる光学フィルタ及び光学機器を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る光学フィルタは、基板と、屈折率が相対的に低い低屈折率層と屈折率が相対的に高い高屈折率層とが交互に前記基板上に積層された薄膜とを備える光学フィルタであって、前記薄膜の一方の側は前記基板に接し、前記薄膜の他方の側は入射媒質に接しており、前記高屈折率層の屈折率が、前記入射媒質側から前記基板側へ向かって漸次高く変化する第１の積層部と、該第１の積層部に隣接し、前記高屈折率層の屈折率が前記第１の積層部の最も高い屈折率層と略同一である第２の積層部と、該第２の積層部に隣接し、前記高屈折率層及び前記低屈折率層の各光学膜厚が、前記第２の積層部に係る前記高屈折率層及び前記低屈折率層の各光学膜厚の係数倍になっている第３の積層部と、該第３の積層部に隣接し、該第３の積層部と略同一の光学膜厚をそれぞれ有して、前記高屈折率層の屈折率が、前記第３の積層部側から前記基板側へ向かって漸次低く変化する第４の積層部とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、不要な波長帯域の光の透過を阻止する阻止帯域（以下、単に阻止帯域とする）の領域を十分に確保しつつ、所望の波長帯域の光を透過させる透過帯域（以下、単に透過帯域とする）でのリップルを好適に抑制した光学フィルタを得ることができる。

また、本発明に係る光学フィルタは、前記光学フィルタであって、前記薄膜が、前記第２の積層部と前記第３の積層部との間に配された第５の積層部を有し、該第５の積層部において、前記高屈折率層及び前記低屈折率層の光学膜厚が、前記第２の積層部と略同一の光学膜厚から前記第３の積層部と略同一の光学膜厚に漸次変化することを特徴とする。
この発明によれば、阻止帯域をさらに広げた光学フィルタを得ることができる。

また、本発明に係る光学フィルタは、前記光学フィルタであって、前記低屈折率層の屈折率が、略同一となっていることを特徴とする。
この発明によれば、透過帯域でのリップルをより好適に抑制した光学フィルタを得ることができる。

また、本発明に係る光学フィルタは、前記光学フィルタであって、前記第１の積層部に係る前記低屈折率層の屈折率が、前記入射媒質側から前記基板側へ向かって漸次低く変化し、前記第２の積層部及び前記第３の積層部に係る前記低屈折率層の屈折率が、前記第１の積層部の最も低い屈折率層の屈折率と略同一であり、前記第４の積層部に係る前記低屈折率層の屈折率が、前記第３の積層部側から前記基板側へ向かって漸次高く変化していることを特徴とする。
この発明によれば、透過帯域でのリップルをさらに好適に抑制した光学フィルタを得ることができる。

また、本発明に係る光学フィルタは、前記光学フィルタであって、前記入射媒質が空気であり、前記入射媒質と前記薄膜との間に反射防止膜が設けられていることを特徴とする。
この発明によれば、空気が入射媒体であっても、透過帯域でのリップルを好適に抑えた光学フィルタを得ることができる。

また、本発明に係る光学フィルタは、前記光学フィルタであって、前記薄膜の設計波長をλ／ｎ（ｎは整数）とするとき、前記第１の積層部及び前記第２の積層部の光学膜厚が、前記設計波長の略ｎ／４倍であることを特徴とする。
この発明によれば、実際に成膜する際の膜厚制御性を向上することができる。よって、安定した光学特性を有する光学フィルタを得ることができる。

また、本発明に係る光学フィルタは、前記光学フィルタであって、短波長側の光を透過させ、かつ、長波長側の光の透過を阻止するショートウェーブパスフィルタであることを特徴とする。
この発明によれば、設計波長を長波長側に設定することによって、長波長側の光の透過を好適に阻止したショートウェーブパスフィルタを得ることができる。

また、本発明に係る光学フィルタは、前記光学フィルタであって、可視光域での光を透過させ、かつ、赤外光域での光の透過を阻止する赤外光カットフィルタであることを特徴とする。
この発明によれば、設計波長を赤外光に設定することによって、赤外光の透過を好適に阻止する赤外光カットフィルタを得ることができる。

また、本発明に係る光学フィルタは、前記光学フィルタであって、短波長側の光の透過を阻止し、かつ、長波長側の光を透過するロングウェーブパスフィルタであることを特徴とする。
この発明によれば、設計波長を短波長側に設定することによって、短波長側の光の透過を好適に阻止したロングウェーブパスフィルタを得ることができる。

本発明に係る光学機器は、本発明に係る光学フィルタを備えていることを特徴とする。
この発明によれば、リップルの少ない光学フィルタを備えているので、所望の波長帯域の光を効率的に得ることができる。よって、高性能な光学系を有する光学機器を実現することができる。

本発明によれば、リップルが少なく、阻止帯域が広い光学フィルタを得ることができる。また、このような光学フィルタを製造するにあたって、成膜時の膜厚制御を容易にすることができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
本実施形態に係る光学機器１は、図１に示すように、レンズ系２と、光学フィルタ３と、ＣＣＤ等の固体撮像素子５とを備えている。

光学フィルタ３は、基板６と薄膜１１とを備えている。薄膜１１の一方の側は基板６に接しており、他方の側は入射媒質７に接している。薄膜１１は、屈折率が相対的に低い低屈折率層８と屈折率が相対的に高い高屈折率層１０とを有し、これら２つの屈折率層が交互に基板６上に積層されている。薄膜１１は、図２（ａ）に示すように、第１の積層部１２と、第２の積層部１３と、第３の積層部１５と第４の積層部１６とを備えている。
ここで、第１の積層部１２では、高屈折率層１０の屈折率が、入射媒質７側から基板６側へ向かって漸次高く変化する。第２の積層部１３は、第１の積層部１２に隣接している。第２の積層部１３では、高屈折率層１０の屈折率が、第１の積層部１２の最も高い屈折率層と略同一となっている。第３の積層部１５は、第２の積層部１３に隣接している。第３の積層部１５では、高屈折率層１０及び低屈折率層８の各光学膜厚が、第２の積層部１３の高屈折率層１０及び低屈折率層８の各光学膜厚の係数倍になっている。第４の積層部１６は、第３の積層部１５に隣接している。第４の積層部１６は、第３の積層部１５と略同一の光学膜厚を有している。第４の積層部１６では、高屈折率層１０の屈折率が、第３の積層部１５側から基板６側へ向かって漸次低く変化する。

また、第１の積層部１２では、低屈折率層８の屈折率は、入射媒質７側から基板６側へ向かって漸次低く変化する。第２の積層部１３及び第３の積層部１５では、低屈折率層８の屈折率は、第１の積層部１２の最も低い屈折率層の屈折率と略同一となっている。第４の積層部１６では、低屈折率層８の屈折率は、第３の積層部１５側から基板６側へ向かって漸次高く変化する。なお、屈折率が略同一とは、屈折率が同一、若しくは屈折率の差が０．２以内の範囲であることをいう。

低屈折率層８は、主にシリコン酸化物で構成され、高屈折率層１０は、主にチタン酸化物で構成されている。また、入射媒質７及び基板６の屈折率は１．８である。また、高屈折率層１０の屈折率は２．１から２．４までの範囲で変化し、低屈折率層８の屈折率は１．４５から１．８までの範囲で変化している。

ここで、薄膜１１の設計波長を、λ／ｎ（ｎは整数）とする。第１の積層部１２及び第２の積層部１３の各層の光学膜厚は、設計波長のｎ／４倍となっている。本実施形態では、ｎ＝１としているので、光学膜厚はλの１／４倍となっている。
また、第３の積層部１５及び第４の積層部１６における各層の光学膜厚は、０．３５λである。これは、第１の積層部１２及び第２の積層部１３における各層の光学膜厚の１．４倍である。
なお、第１の積層部１２から第４の積層部１６までの積層数は、３９層である。

この光学フィルタ３において、設計波長をλ＝８００ｎｍとしたときの透過率特性を図２（ｂ）に示す。
この光学フィルタ３では、次のような光学特性を得ることができた。まず、透過帯域の波長は、４００ｎｍ〜６５０ｎｍである。そして、リップルは、９９．８±０．２％以内に抑制されている。更に、阻止帯域の波長は、８００ｎｍ〜１１５０ｎｍである。そして、この阻止帯域では、透過率が０．１％以下となっている。

この光学フィルタ３によれば、阻止帯域の領域を十分に確保しつつ、透過帯域でのリップルを好適に抑制した（リップルが小さい）光学フィルタを実現することができる。
また、この光学機器１は、レンズ系２を通過した光束１７から不要な光１８を反射でき、かつ、透過帯域ではリップルの少ない光学特性を得る光学系を備えている。よって、この光学機器１によれば、所望の波長帯域の光を効率的に得ることができる。例えば、この光学機器１が蛍光顕微鏡である場合、所望の波長帯域の蛍光を、効率よく検出することができる。その結果、標本の鮮明な蛍光像が得られる蛍光顕微鏡を実現することができる。

次に、第２の実施形態について図３を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学フィルタ２０の薄膜２１が、図３（ａ）に示すように、第５の積層部２２を備えているとした点である。ここで、第５の積層部２２は、第２の積層部１３と第３の積層部１５との間に配されている。そして、第５の積層部２２では、高屈折率層１０及び低屈折率層８の光学膜厚が、第２の積層部１３と略同一の光学膜厚から第３の積層部１５と略同一の光学膜厚に漸次変化している。

本実施形態では、入射媒質２３及び基板２５の屈折率が１．９となっている。それ以外は、上記第１の実施形態と同様に、高屈折率層１０の屈折率を２．１から２．４までの範囲で変化させ、低屈折率層８の屈折率を１．４５から１．８までの範囲で変化させている。

第１の積層部１２及び第２の積層部１３の各層の光学膜厚は、０．２５λである。また、第３の積層部１５及び第４の積層部１６の各層の光学膜厚は、０．３５λである。これは、第１の積層部１２及び第２の積層部１３の各層の光学膜厚の１．４倍である。第５の積層部２２の光学膜厚は、第２の積層部１３から第３の積層部１５に至るまでの間に、各層とも０．０２λずつ増加している。なお、第１の積層部１２から第５の積層部２２までの積層数は、４９層である。

この光学フィルタ２０において、設計波長をλ＝８００ｎｍとしたときの透過率特性を図３（ｂ）に示す。
この光学フィルタ２０では、波長７５０ｎｍ〜１２００ｎｍの赤外波長域において、透過率が０．０５％以下とという光学特性を得ることができた。
この光学フィルタ２０によれば，第１の実施形態の光学フィルタよりも阻止帯域をさらに広げた光学フィルタを実現することができる。

次に、第３の実施形態について図４を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第３の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学フィルタ３０の薄膜３１に係る低屈折率層８の屈折率が、図４（ａ）に示すように、何れも同一の１．５になっている点である。

本実施形態において、入射媒質３２の屈折率は１．５２である。また、基板３３の屈折率は１．５２である。また、光学フィルタ３０では、高屈折率層１０の屈折率を１．６から２．４までの範囲で変化させている。
第１の積層部３５及び第２の積層部３６の各層の光学膜厚は、０．２５λである。また、第３の積層部３７及び第４の積層部３８の各層の光学膜厚は、０．３０λである。これは、第１の積層部３５及び第２の積層部３６の各層の光学膜厚の１．２倍である。第５の積層部３９の光学膜厚は、第２の積層部３６から第３の積層部３７に至るまでの間に、各層とも０．０１λずつ増加している。なお、第１の積層部３５から第４の積層部３８までの積層数は、６３層である。

この光学フィルタ３０において、設計波長をλ＝７５０ｎｍとしたときの透過率特性を図４（ｂ）に示す。
この光学フィルタ３０では、次のような光学特性を得ることができた。まず、波長３２５ｎｍ〜６２０ｎｍの帯域では、透過率が９９．２±０．８％である。そして、波長７５０ｎｍ〜９８０ｎｍの帯域では、透過率が０．１％以下である。更に、波長１１２５ｎｍ〜１５００ｎｍの帯域では、透過率が９９．７±０．３％である。
この光学フィルタ３０によっても、透過帯域でのリップルを好適に抑えた光学フィルタを得ることができる。

次に、第４の実施形態について図５を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号し、その説明を省略する。
第４の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学フィルタ４０の入射媒質４１が空気である点、図５（ａ）に示すように、入射媒質４１とこれと接する薄膜４２の第１の積層部４３との間に反射防止膜４４が配されている点である。

本実施形態において、入射媒質４１の屈折率は空気であるので、１．０である。また、基板４５の屈折率は１．５２である。光学フィルタ４０では、高屈折率層１０の屈折率は２．１から２．４までの範囲で変化し、低屈折率層８の屈折率は１．４５から１．８までの範囲で変化している。
第１の積層部４３及び第２の積層部４６の各層の光学膜厚は、０．２５λである。また、第３の積層部４７及び第４の積層部４８の各層の光学膜厚は、０．３５λである。これは、第１の積層部４３及び第２の積層部４６の各層の光学膜厚の１．４倍である。第５の積層部４９の光学膜厚は、第２の積層部４６から第３の積層部４７に至るまでの間に、各層とも０．０２λずつ増加している。なお、第１の積層部４３から第４の積層部４８までの積層数は、６２層である。

この光学フィルタ４０において、設計波長をλ＝８００ｎｍとしたときの透過率特性を図５（ｂ）に示す。
この光学フィルタ４０では、次のような光学特性を得ることができた。まず、波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍの帯域では、透過率が９９．２±０．７％である。そして、波長１２３０ｎｍ〜１５００ｎｍの帯域では、透過率が９９．５±０．５％である。更に、波長７１０ｎｍ〜９８０ｎｍの帯域では、透過率が０．１％以下である。
この光学フィルタ４０によっても、透過帯域でのリップルを好適に抑えた光学フィルタを得ることができる。

次に、第５の実施形態について図６を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第５の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学フィルタが、設計波長をλ＝６００ｎｍとしている点、短波長側の光を透過させ、かつ、長波長側の光の透過を阻止する点である。すなわち、本実施形態に係る光学フィルタは、ショートウェーブパスフィルタである。

このショートウェーブパスフィルタ５０によれば、波長３５０ｎｍから５００ｎｍまでの光を透過することができ、波長５５０ｎｍから９５０ｎｍの光をカットする光学フィルタを得ることができる。また、設計波長を長波長側に設定することによって、長波長側の光の透過を好適に阻止する光学フィルタを得ることができる。

次に、第６の実施形態について図７を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第６の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学フィルタが、設計波長をλ＝７５０ｎｍとしている点、可視光域での光を透過させ、かつ、赤外光域での光の透過を阻止する点である。すなわち、本実施形態に係る光学フィルタは、赤外光カットフィルタである。

この赤外光カットフィルタ６０によれば、波長３７０ｎｍから６１０ｎｍまでの光を透過させることができ、波長７００ｎｍから１０００ｎｍの光をカットする光学フィルタを得ることができる。すなわち、赤外光カットフィルタとして、赤外光の透過を好適に阻止する光学フィルタを得ることができる。

次に、第７の実施形態について図８を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第７の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学フィルタが、設計波長をλ＝３５０ｎｍとしている点、短波長側の光の透過を阻止し、かつ、長波長側の光を透過する点である。すなわち、本実施形態に係る光学フィルタは、ロングウェーブパスフィルタである。

このロングウェーブパスフィルタ７０によれば、波長３５０ｎｍから５４０ｎｍまでの光をカットすることができ、波長５９０ｎｍから１０００ｎｍの光を透過させる光学フィルタを得ることができる。また、設計波長を長波長側に設定することによって、長波長側の光の透過を好適に阻止する光学フィルタを得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、設計波長をλ／ｎ（ｎは整数）としたとき、第１の積層部及び第２の積層部における各層の光学膜厚をｎ＝１としてλの１／４倍としているが、ｎは１以外の整数であっても構わない。

本発明の第１の実施形態に係る光学機器の構成を示す概要図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学フィルタの（ａ）膜構成、（ｂ）分光特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る光学フィルタの（ａ）膜構成、（ｂ）分光特性を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る光学フィルタの（ａ）膜構成、（ｂ）分光特性を示すグラフである。 本発明の第４の実施形態に係る光学フィルタの（ａ）膜構成、（ｂ）分光特性を示すグラフである。 本発明の第５の実施形態に係る光学フィルタの分光特性を示すグラフである。 本発明の第６の実施形態に係る光学フィルタの分光特性を示すグラフである。 本発明の第７の実施形態に係る光学フィルタの分光特性を示すグラフである。 従来の光学フィルタの分光特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 光学機器
３、２０、３０、４０ 光学フィルタ
６、２５、３３、４５ 基板
７、２３、３２、４１ 入射媒質
８ 低屈折率層
１０ 高屈折率層
１１、２１、３１、４２ 薄膜
１２、２６、３５、４３ 第１の積層部
１３、２７、３６、４６ 第２の積層部
１５、２８、３７、４７ 第３の積層部
１６、２９、３８、４８ 第４の積層部
２２、３９、４９ 第５の積層部
４４ 反射防止膜
５０ ショートウェーブパスフィルタ
６０ 赤外光カットフィルタ
７０ ロングウェーブパスフィルタ

Claims (10)

1. 基板と、屈折率が相対的に低い低屈折率層と屈折率が相対的に高い高屈折率層とが交互に前記基板上に積層された薄膜とを備える光学フィルタであって、
   前記薄膜の一方の側は前記基板に接し、前記薄膜の他方の側は入射媒質に接しており、
   前記高屈折率層の屈折率が、前記入射媒質側から前記基板側へ向かって漸次高く変化する第１の積層部と、
   該第１の積層部に隣接し、前記高屈折率層の屈折率が前記第１の積層部の最も高い屈折率層と略同一である第２の積層部と、
   該第２の積層部に隣接し、前記高屈折率層及び前記低屈折率層の各光学膜厚が、前記第２の積層部に係る前記高屈折率層及び前記低屈折率層の各光学膜厚の係数倍になっている第３の積層部と、
   該第３の積層部に隣接し、該第３の積層部と略同一の光学膜厚をそれぞれ有して、前記高屈折率層の屈折率が、前記第３の積層部側から前記基板側へ向かって漸次低く変化する第４の積層部とを備えていることを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記薄膜が、前記第２の積層部と前記第３の積層部との間に配された第５の積層部を有し、
   該第５の積層部において、前記高屈折率層及び前記低屈折率層の光学膜厚が、前記第２の積層部と略同一の光学膜厚から前記第３の積層部と略同一の光学膜厚に漸次変化することを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 前記低屈折率層の屈折率が、略同一となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学フィルタ。
4. 前記第１の積層部に係る前記低屈折率層の屈折率が、前記入射媒質側から前記基板側へ向かって漸次低く変化し、
   前記第２の積層部及び前記第３の積層部に係る前記低屈折率層の屈折率が、前記第１の積層部の最も低い屈折率層の屈折率と略同一であり、
   前記第４の積層部に係る前記低屈折率層の屈折率が、前記第３の積層部側から前記基板側へ向かって漸次高く変化していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学フィルタ。
5. 前記入射媒質が空気であり、
   前記入射媒質と前記薄膜との間に反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載の光学フィルタ。
6. 前記薄膜の設計波長をλ／ｎ（ｎは整数）とするとき、前記第１の積層部及び前記第２の積層部の光学膜厚が、前記設計波長の略ｎ／４倍であることを特徴とする請求項１から５の何れか一つに記載の光学フィルタ。
7. 短波長側の光を透過させ、かつ、長波長側の光の透過を阻止するショートウェーブパスフィルタであることを特徴とする請求項１から６の何れか一つに記載の光学フィルタ。
8. 可視光域での光を透過させ、かつ、赤外光域での光の透過を阻止する赤外光カットフィルタであることを特徴とする請求項１から６の何れか一つに記載の光学フィルタ。
9. 短波長側の光の透過を阻止し、かつ、長波長側の光を透過するロングウェーブパスフィルタであることを特徴とする請求項１から６の何れか一つに記載の光学フィルタ。
10. 請求項１から９の何れか一つに記載の光学フィルタを備えていることを特徴とする光学機器。
    
    

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