JP2006511838A - 光学フィルタ - Google Patents

Abstract

本発明は、
第１の屈折率を有する第１の材料と、
第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する第２の材料と、
の１つまたは両方からそれぞれが形成される複数の材料層を自身の上に積層させた基板を含む光学フィルタであって、
複数の材料層が、第１の材料および第２の材料の不均一混合物からそれぞれ形成される第１層および第２層と、第１の材料から形成され、第１層および第２層間に積層される第３層とを含み、
第１層および第２層それぞれの光学的厚さが、前記第３層の光学的厚さよりも大きい光学フィルタを提供する。

Description

本発明は、基板に施される光学コーティング形状の光学フィルタに関する。本発明は、限定するわけではないが、特に、光電池とりわけ太陽電池用光学フィルタに関する。

太陽電池などの光電池は、典型的には、スペクトルの両端に渡って／内部で光電池を動作させるのが望ましい優先的な光動作スペクトルを有する。その理由として、電池の設計によって、電池が、このような優先スペクトル内の光放射に対して、比較的効率的かまたは比較的敏感にされるということがあり得る。代わりのまたは追加的な見方として、動作スペクトル外の光放射が、何らかの仕方で電池の動作に有害であるという場合もあり得る。

たとえば、電池の温度が上昇すると共に、多くの光電池における光電変換プロセスの効率が低下する。したがって、多くの太陽電池が、電池を熱する性質のある放射線波長を、電池に入射する放射線から除去するように設計されたフィルタを用いる。

典型的には、これらのフィルタは、入射赤外線（Ｉｎｆｒａ−Ｒｅｄ（ＩＲ）ｒａｄｉａｔｉｏｎ）（ＩＲ）を反射するように設計されている。太陽電池のある一定の部品を損傷する可能性のある紫外線（Ｕｌｔｒａ−Ｖｉｏｌｅｔ（ＵＶ）ｒａｄｉａｔｉｏｎ）（ＵＶ）など、他の種類の光放射を除去するように設計された他のフィルタを用いてもよい。これら他のフィルタは、ＩＲタイプのフィルタとは別個にしてもよい。代替として、単一の「帯域通過」フィルタを用いてもよい。その場合このフィルタは、太陽電池に入射する放射線からＩＲ放射線だけでなくＵＶ放射線も同時に除去するように設計されているが、しかし除去されるＩＲおよびＵＶ放射線と境界を接するスペクトル帯域内にある光放射には、フィルタを「通過」させる。

一般に、シリコン太陽電池は、０．４０μｍ〜１．１０μｍ間の波長の放射線に反応して動作する。この帯域外の太陽エネルギーは、一般に電気に変換されず、吸収されたときには太陽電池を熱するだけであり、それによって電池の効率を低下させる。ある一定のタイプの光学帯域通過フィルタには、ガラス基板などの基板上に配置された多層積層構造が含まれる。このような多層帯域通過フィルタは、太陽電池が動作することを目的とした放射線のスペクトル帯域（たとえば０．４μｍ〜１．１μｍの波長）の一側に直に隣接するＩＲ放射線（または近ＩＲ放射線）を反射し、スペクトル帯域内に位置する光放射を透過し、かつ太陽電池のスペクトル帯域の他側に隣接して位置するＵＶを反射するように設計されている。

このような多層フィルタの帯域透過スペクトルは、繰り返し現れる隣接層の対から層の積層を形成することによって達成されるが、その場合、対のいずれか一層は、対の他層の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で構成される。したがって、結果として得られる多層積層は、多層積層の深さが増加するにつれて、２つの値の間を周期的に飛び移る屈折率を有する。

当業者には周知のように、層の「光学的厚さ」は、層の物理的厚さに、光放射の特定の波長のための、層材料の屈折率を乗じることによって得られる。よって一定の物理的厚さの層は、それを通過する光放射の波長に依存する光学的厚さを有することになる。

繰り返し現れる対の層における２層それぞれの物理的厚さを適切に制御し、各層が、所定の光学的「設計」波長（たとえばＩＲ波長）の四分の一に等しい光学的厚さを有するようにすることによって、多層積層は、所定の「設計」波長（およびその近く）においてだけでなく、「設計」周波数の奇数倍に等しい「より高次」の周波数に相当する他の波長（およびその近く）においても、光放射の反射を生じさせる。この結果は、「四分の一波長」積層または「干渉フィルタ」として知られている。

したがって、所定の波長を適切なＩＲ波長になるように選択することにより、このような四分の一波長積層をＩＲ放射線を反射するための光学フィルタとして用いて、反射帯域が、所望のスペクトル通過帯域に隣接して形成されるようにしてもよい。しかしながら、このような干渉フィルタの欠点は、前述の「より高次」の反射帯域が、しばしば、所望のスペクトル通過帯域内にかなり入って存在するということである。したがって、このようなフィルタが、反射するのが望ましくない放射線を反射することも当然あり得る。

多層積層が単に２つではなく３つの異なる屈折率を有する材料から構成されている、他のタイプの多重積層光学干渉フィルタが提案された。層の積層内の繰り返しパターンに３つの異なる層タイプを適切に配置することによって、結果として得られる構造は、上述のような単純な四分の一波長積層では通常生じる、障害となる「より高次」の反射帯域の最初のいくつかを抑制できる。

しかしながら、単純な２屈折率四分の一波長積層および前述の３屈折率積層の共通の特徴は、隣接する積層層の間にあるような、屈折率の不連続が存在することである。この不連続は、隣接する積層層の間の界面における、材料（およびその光学的特性）の突然の変化のために生じる。このような不連続は、次の理由でフィルタの性能および構造に有害である。

多層積層の強度は、隣接する積層層の間における界面接着力の程度に敏感に依存する。前述した先行技術の装置では隣接層が異なる材料で構成されているので、このような隣接層間の差異（化学および／または物理的）によって、界面接着力の強度が低減され、結果として、界面が多層積層における構造的弱点の主な箇所になる場合が多い。

さらに、上述のものなど既存の干渉フィルタにおいては、断続的な反射帯域間の領域の、フィルタの透過スペクトルが、均一な透過性ではない。すなわち、このような干渉フィルタの反射帯域は、一般には主に、限定されたスペクトル帯域に制限されるが、それらは、実際は完全に制限されるのではない。むしろ、いわゆる反射「帯域」は、フィルタの通過帯域内のスペクトル領域において、フィルタの非ゼロ光反射率の著しいリップルまたは過渡現象を有することが多い。

反射帯域が通過帯域へこのように拡散／分散するのは、主に、積層の連続層の界面で生じる屈折率の不連続のためである。それは、このようなフィルタの透過スペクトルに有害である。なぜなら、それは、下にある太陽電池へと通過させるつもりの光放射を減衰させるからである。したがって太陽電池の効率が低下する。

本発明の目的は、先行技術における前述した欠陥の少なくともいくつかを克服することである。本発明の目的はまた、光学フィルタの性能を最適化するためにその構造を変更するとき、より大きな設計の柔軟性を可能とすることである。

したがって、本発明は、その第１の態様において、
第１の屈折率を有する第１の材料と、
第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する第２の材料と、
の１つまたは両方からそれぞれが形成される複数の材料層を自身の上に積層させた基板を含む光学フィルタであって、
複数の材料層が、第１の材料および第２の材料の不均一混合物からそれぞれ形成される第１層および第２層と、第１の材料から形成され、第１層および第２層間に積層される第３層とを含み、第１層および第２層それぞれの光学的厚さが、第３層の光学的厚さよりも大きい光学フィルタを提供することができる。

第１および第２層を形成するときには、第１の材料および第２の材料の異種混合のために、これらの層の屈折率は、第２の屈折率より大きな値と第１の屈折率より小さな値との間で、層の深さと共に変化する。

したがって、繰り返し現れる層グループを含む（基板上の）多層積層形状をした干渉フィルタを構築し、かつこのグループが、変化する（しかし低い）屈折率の２層間に挟まれた少なくとも１つの比較的高い屈折率の層を含むことによって、たとえば、非ゼロ光反射率のリップル、振動または過渡現象を実質的に低減または抑制する干渉フィルタを提供することが可能であり、そうでなければこれらのリップル、振動または過渡現象は、多層積層の主な反射率帯域および「より高次」の反射率帯域の外側に生じる傾向がある。すなわち、結果として得られる多積層フィルタの透過スペクトルは、フィルタの通過帯域内で／両端に渡って本質的にはより単調に変化する傾向となるか、または単調でない場合には、その内部で、少なくともより小さな振幅で振動する。

さらに、本発明によって、多層積層の隣接層間におけるような、屈折率および材料組成／構造におけるどんな不連続も低減またはほぼ除去することができる。結果として、隣接している層に直に隣接する異種層の部分は、その隣接する層に材料的に非常に類似している（または同一である）ので、それらの界面における２層の接合は向上され、それによって、多層構造は、その界面において強化される。

実際に、本発明の光学フィルタの「層」それぞれが、同じ２つの成分材料の割合を特別に選択することから形成されることを理解されたい。したがって、本明細書で用いられる用語「層」は、連続的に形成される物体に生じる異なる材料組成の層を指し、それによって、各層は、独立した層の集団または結合体に単に相当するのではなく、連続的な物体を形成する材料における特別の組成に相当する。

当業者には周知のように、材料層の「光学的厚さ」は、層の物理的厚さに、その層の屈折率を乗じることによって得られる。変化する屈折率の層に関しては、光学的厚さは、当該の層の深さ全体に渡る深さ依存の屈折率を積分することによって得られる。

第１層および第２層の光学的厚さがそれぞれ、大きさにおいて、値２ＱからＱ／２未満だけ変化し、第３層の光学的厚さが、大きさにおいて、値ＱからＱ／２未満だけ変化するのが好ましく、この場合、Ｑは、光学的厚さが決定される共通基準波長の光放射の波長のほぼ四分の一で横断（ｔｒａｖｅｒｓｅ）される所与の層の光学的厚さである。

積層の第１、第３および第２層の光学的厚さがそれぞれ次のように（２Ｑ、Ｑ、２Ｑ）である基本設計テンプレートから開始して、フィルタの設計中およびその製造に先立って、これらの３つの光学的厚さを連続的に変化させることにより、フィルタの性能を最適化してもよいことが分かった。もちろんこの変化は、関連する層の物理的厚さを変化させることによって達成されるが、光学的厚さの値における変化がＱ／２未満という条件で、関連する光学的厚さが、基本設計テンプレートの開始値から、任意の適切な値だけ変化するようにする。

たとえば、第１層の光学的厚さは、第２層の光学的厚さとほぼ等しくてもよいし、または２つの層は、光学的厚さにおいて異なってもよい。いずれの場合も、第１および第２層の光学的厚さは、値が２Ｑに等しくても等しくなくてもよく、設計の最適化がこれを要求するかしないかに依存する。

代替として、第１層および第２層の光学的厚さは、それぞれ、値２Ｑにほぼ等しくてもよい。第３層の光学的厚さもまた、設計性能を最適化するときに変化させてもよく、値Ｑとほぼ等しいか、またはＱ／２未満の量だけ値Ｑと異なってもよい。

光学フィルタは、その複数の層内に、第１の材料からそれぞれ形成される一対の外側層を含み、そしてその間に、第１、第２および第３層が積層されるのが好ましい。これによって、結果として、一対の外側層の間に挟まれた第１、第２および第３層を含む５層ネストが得られる。

外側層それぞれの光学的厚さは、値が大きさＱとＱ／２未満だけ異なるのが好ましい。よって、外側層自体の光学的厚さもまた、全体としてフィルタの性能を最適化するのを支援するために、前述の制限内で個々に変化させてもよい。たとえば、対の外側層のそれぞれの光学的厚さは、互いに異なってもよいし、または互いにほぼ等しくてもよい。外側層のそれぞれの光学的厚さがほぼ等しい場合には、この共通の光学的厚さは、Ｑと等しくてもよいし、またはＱと（Ｑ／２未満だけ）異なってもよい。

異なる屈折率の材料の混合に関する用語「不均一混合物」は、混合成分（混合物を形成する）の相対的割合の性質が、不均一混合物によって形成される層の深さの少なくとも一部を通して均一でないことを指すためのものである。混合物の異種性の結果して、同じ層において異なる深さ位置間で、そのように形成された層の屈折率が変化する。

第１および／または第２層の屈折率は、それぞれの層の深さの少なくとも一部を通して連続的に変化してもよい。代替または追加として、第１および／または第２層の屈折率は、それぞれの層の深さの少なくとも一部を通してほぼ段階的に変化してもよい。このような構成では、第１および／または第２層は、物理的に不連続ではなくて、混合物の空間的配分（異種の）を有する物理的に連続的な物であってもよく、そしてこの配分によって、混合物が鋭く／急速にまたはほぼ段階的に（もしくはそれに近く）対応して変化する、層の深さのある一定の領域において、層の屈折率における変化がもたらされる。

第１および／または第２層の屈折率における全ての変化は、鋭く／急速に、またはほぼ段階的に生じてもよい。このような場合に、第１および／または第２層は、第１の材料および第２の材料の均一混合物からそれぞれ形成される複数のサブ領域を含むのが好ましく、それによって、いずれか１つのサブ領域を形成する均一混合物が、中間層内の直に隣接するサブ領域を形成する均一混合物と異なり、そして複数のサブ領域それぞれの屈折率が、サブ領域の深さを通してほぼ一定であり、かつそれぞれ第１および／または第２層の屈折率が、その連続するサブ領域間で、鋭く／急速にまたはほぼ段階的に変化するようにする。

これによって、第１／第２層の屈折率における変化の「デジタル化」に至る。もう一度言うと、デジタル化された第１／第２層の隣接するサブ領域は、１つの物理的に連続するそれぞれの層内で、物理的に連続して形成してもよい。しかしながら、２つの材料の不均一混合物を適切に制御することによって、混合物を隣接するサブ領域間でほぼ段階的に変化させ、それによって、サブ領域間の屈折率における対応する「段階」をもたらしてもよい。

このような配置または他の配置において、第１および／または第２層の屈折率における全ての変化は、それぞれの層の深さが、第３層から離れたその領域から第３層に隣接するその領域へと増加するにつれて、屈折率を増加させてもよい。したがって、たとえば、屈折率の「傾斜」に前述のデジタル化を適用してもよいし、または滑らかに変化する屈折率の傾斜を有してもよい。

複数の層は、連続する層が積層の深さに渡って周期的に繰り返す順序で配置される層の積層を形成するように、配置されるのが好ましい。

フィルタは、少なくとも赤外線をほぼ反射し、かつ少なくとも可視光スペクトルにおける光放射を透過するように構成してもよい。フィルタは、少なくとも赤外線および紫外線をほぼ反射するように構成してもよい。

本発明はまた、本発明の第１の態様によるフィルタを含む光電池用のカバーを提供してもよく、そしてこのようなカバーを含む光電池を含むことができる。光電池は、好ましくは太陽の電池である。

本発明は、その第２の態様において、
第１の屈折率を有する第１の材料と、
第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する第２の材料と、
の不均一混合物から形成される層を自身に配置した基板を含む光学フィルタであって、
不均一混合物が、層の屈折率値が第２の屈折率より大きな値と第１の屈折率より小さな値との間で層の深さと共に振動するように、なっている光学フィルタを提供することができる。これは、多層積層タイプフィルタの代替であっても、またはそのようなフィルタの一部を形成してもよい。前者の場合では、屈折率における振動する変化によって、１つの主な反射帯域（ＩＲ周波数を中心にしてもよい）を有し、「より高次」なタイプの反射帯域がほぼないフィルタが結果として得られる。このような場合に、「より高次」の反射帯域が抑制されるので、フィルタは、ＩＲフィルタとしてのみ動作することができ、単一の反射帯域外の他の波長をほとんどまたは実質的には全く反射しない。

本発明の第２の態様によれば、層の屈折率値における振動する変化は、少なくともいくつかの鋭い／急速な、またはほぼ段階的な変化を含んでいてもよいか、または変化は、ほとんど（もしくはただ単に）このような鋭い／急速なもしくはほぼ段階的な変化であってもよい。このような場合に、層は、第１の材料および第２の材料の均一混合物からそれぞれが形成される複数のサブ領域を含むのが好ましく、それによって、いずれか１つのサブ領域を形成する均一混合物は、層内の直に隣接するサブ領域を形成する均一混合物と異なり、そして複数のサブ領域それぞれの屈折率が、サブ領域の深さに応じてほぼ一定であり、かつ層の屈折率が、その層の連続するサブ領域間で、急速に／鋭く、またはぼ段階的に変化するようにする。

このようにして、層の振動する屈折率は、代替としてあり得るような連続的振動（たとえば波）ではなく、部分的または全体的に「デジタル化」された振動（たとえばデジタル化された波形状）であってもよい。本発明の第２の態様によれば、光学フィルタは、太陽電池などの光電池用のフィルタを形成してもよい。たとえば、太陽電池は、本発明の第２の態様による振動する（たとえば波）層設計（デジタル化またはその他）のみを含む光学フィルタを有するように形成してもよい。代替として、このような波設計は、本発明の第１の態様によるフィルタ層の積層内の他のフィルタ層と境を接することも可能である。たとえば、波設計は、本発明の第１の態様における第１および第２の異種混合層のいずれか１つまたは両方に適用してもよい。波設計が五次形状を含み、この五次形状が、層全幅に渡る、所与の層の屈折率における正弦曲線振動の一周期を含むのが好ましい。

本発明の第１または第２の態様、およびそれらの前述した好ましい変形または代替のいずれかによる光学フィルタは、太陽電池などの光電池用であってもよい。

本発明が、第１および第２態様において、かつ上記の変形および好ましい特徴のいずれかまたは全てに従って、光学フィルタの製造方法を実行することは、容易に理解されるであろう。

したがって、本発明は、その第３の態様において、光学フィルタの製造方法であって、
基板を提供することと、
第１の屈折率を有する第１の材料と、
第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する第２の材料と、
の１つまたは両方からそれぞれが形成される複数の材料層を、基板上に積層することと、
第１の材料および第２の材料の不均一混合物から、複数の層のうちの第１層および第２層を形成することと、
第１および第２層間に積層される、複数の層のうちの第３層を第１の材料から形成することと、
を含み、
第１および第２層それぞれの光学的厚さが、第３層の光学的厚さよりも大きい方法を提供することができる。

第１および第２層を形成するとき、第１の材料および第２の材料の異種混合のために、第１および第２層の屈折率は、第２の屈折率より大きい値と第１の屈折率より小さい値との間で、中間層の深さと共に変化する。

本方法によれば、第１層および第２層はそれぞれ、大きさにおいて、値２ＱとＱ／２未満だけ異なる光学的厚さで形成してもよく、第３層は、大きさにおいて、値ＱとＱ／２未満だけ異なる光学的厚さで形成してもよく、この場合、Ｑは、光学的厚さが決定される共通基準波長の光放射の波長のほぼ四分の一で横断される所与の層の光学的厚さである。

第１層および第２層は、それらの光学的厚さが異なるようにか、またはそれらの光学的厚さが、値においてほぼ等しいように形成してもよい。第１層および第２層がそれぞれ、等しい値の光学的厚さを有するように形成される場合には、この値は、２Ｑとほぼ等しいか、または２ＱとＱ／２未満だけ異なる何か他の値と等しくてもよい。第３層は、Ｑとほぼ等しい光学的厚さを有するように形成してもよい。

本方法には、複数の層の一部であり、それぞれ第２の材料から形成される一対の外側層を形成するステップを含んでもよく、この場合、外側層は、第１、第２および第３層が外側層の間に積層されるように、形成される。対の外側層は、このような各層の光学的厚さが、値において、大きさＱとＱ／２未満だけ異なるように形成してもよい。対の外側層のそれぞれの光学的厚さは、互いにほぼ等しくてもよいし、また値Ｑにほぼ等しくてもよい。

光学フィルタ（第１、第２、第３および外側層を含む）の１つか、いくつか、または全ての層の光学的厚さの変化は、結果として得られるフィルタの性能を最適化する目的で変化させてもよいことを、理解されたい。したがって、本発明の第３態様によれば、本方法には、太陽電池を効果的に設計してそれが感受できるようにした波長帯域内の太陽放射線を透過させるため、かつ帯域外の太陽放射線を反射するために、光学フィルタのスペクトル応答を最適化する目的で、複数の層における１つか、いくつか、または全ての層の光学的厚さを変化させることを含んでもよい。

本方法によれば、第１および／または第２層は、その屈折率が、それぞれの層の深さの少なくとも一部を通して連続的に変化するように、形成してもよい。

代替または追加として、第１および／または第２層は、その屈折率が、それぞれの層の深さの少なくとも一部を通してほぼ段階的に変化するように、形成してもよい。

第１および／または第２層は、その屈折率における全ての変化が、ほぼ段階的に生じるように形成してもよい。

第１および／または第２層は、第１の材料および第２の材料の均一混合物からそれぞれが形成される複数のサブ領域を含むように形成してもよく、それによって、いずれか１つのサブ領域を形成する均一混合物が、第１および／または第２層内の直に隣接するサブ領域を形成する均一混合物と異なり、そして複数のサブ領域それぞれの屈折率が、サブ領域の深さに応じてほぼ一定であり、かつ第１および／または第２層の屈折率が、その連続するサブ領域間の深さと共にほぼ段階的に変化するようにする。

第１および／または第２層は、その層の深さが第３層から離れたその領域から第３層に隣接したその領域へと増加するにつれて、それぞれの層の屈折率における全ての変化がその屈折率を増加させるように、形成してもよい。

複数の層は層の積層を形成するように配置されるが、この場合、連続的な層が、積層の深さに渡って周期的に繰り返す順序で配置されるようにするのが好ましい。

複数の層は、少なくとも赤外線をほぼ反射し、かつ少なくとも可視光スペクトルにおける光放射を透過するように配置するのが好ましい。

複数の層は、少なくとも赤外線および紫外線をほぼ反射するように配置してもよい。

ここで本発明の非限定的な例を、添付の図面に関連して説明する。

図１を参照すると、高および低屈折率の交互層の積層を含む、周知の種類の、単純な干渉タイプ（または四分の一波長タイプ）多層積層光学フィルタの典型的な光透過スペクトル１が示されており、各層は、指定された「設計」波長λ_０（たとえばλ_０＝１２５０ｎｍ）の四分の一に等しい光学的厚さである。スペクトルは、スペクトル領域の両端に渡る入射光放射波長（λ）の関数としての、フィルタの光透過係数（Ｔ）における変化を示し、そしてこのスペクトル領域には、典型的な太陽電池の動作帯域幅（たとえば、光波長で約４００ｎｍ〜約１１００ｎｍ）が含まれる。

透過スペクトル１は、光スペクトルのＩＲ領域内における１２５０ｎｍの光波長を中心とする主な広い反射帯域２（すなわち低またはゼロ透過）、および光スペクトルの青／紫領域内かつ太陽電池の動作帯域幅内における４１７ｎｍ（すなわち４１７≒１２５０／３）の光波長を中心とする比較的狭い「より高次」の反射帯域３を有する。この「より高次」の反射帯域は、「第３次」反射帯域であり、「第２次」帯域（λ＝６２５ｍｍ＝１２５０／２における）は抑制され、「第１次」帯域（λ＝１２５０ｎｍ＝１２５０／１における）は存在している。「第４次」反射帯域（λ＝３１２．５ｎｍ＝１２５０／４における）もまた抑制されている。

透過スペクトル１はまた、主な「１次」反射帯域２と「第３次」反射帯域３との間、およびそれを超えたところで生じる一連の光透過過渡現象４を有する。これらの光透過過渡現象４のために、光学フィルタの透過係数（Ｔ）は、太陽電池の動作帯域幅の内部で、繰り返して著しく低下する。第３次反射帯域３および透過過渡現象４の両方とも、望ましくはない。なぜなら、それらは、太陽電池が受け取るつもりの光放射を使用できないように除去するからである。

図４は、本発明による干渉タイプの多層積層光学フィルタ構造を示す。多層光学フィルタには、約１００μｍ厚のＣＭＧガラス基板６０上に配置された多層積層５０が含まれる。多層積層５０には、一連の繰り返し現れる層グループ（または「ネスト」）が含まれ、「ネスト」のそれぞれには、低屈折率（ｎ）を有する材料（Ｌ）から形成された第１外側層が含まれる。続く第２層は、低屈折率材料（Ｌ）および比較的高屈折率の異なる材料（Ｈ）の不均一混合物（Ｍ）から形成される。第２層の屈折率（ｎ）は、層の深さと共に変化するが、このことは、層を形成する２つの材料（ＬおよびＨ）の混合物（Ｍ）の異種性（層の深さに応じた）によって達成される。続く第３層は、第２層を形成するために部分的に用いられる高屈折率材料（Ｈ）から形成される。続く第４層は、低屈折率材料（Ｌ）および高屈折率材料（Ｈ）の不均一混合物（Ｍ）から形成するが、第４層の屈折率が、ＨおよびＬ材料の異種混合の結果として、層の深さと共に変化するようにする。最後の第５外側層は、第１層を形成するために用いられたのと同じ材料（Ｌ）から形成される。

かくして、積層５０における５層「ネスト」の屈折率の概要は、図４の「第１ネスト」が示すようなＬＭＨＭＬとして要約できる。ネストにおける第１、第３および第５層のそれぞれは、所定の設計波長（たとえば、λ_０＝３４０ｎｍ）の四分の一波長の「光学的」厚さを有する。すなわち、所定の設計波長（λ_０）の光放射が、ネスト内の第１、第３または第５層の所与のいずれか１つを通して伝わるとき、その層内の放射線の波長（真空で測定したときの波長と異なる可能性がある）は、層の厚さのほぼ４倍大きい。

反対に、ネストにおける第２および第４層のそれぞれは、所定の設計波長の二分の一波長の光学的厚さを有する。したがって、所定の設計波長（λ_０）の光放射が、ネスト内の第２または第４層の所与のいずれか１つを通して伝わるとき、その層内の放射線の波長は、層の厚さのほぼ２倍大きい。

積層５０における「第２ネスト」および全ての続くネストは、「第１ネスト」の層状構造を単に繰り返す。この例において、７つのネストが互いに積層されているが、異なる数のネストをこのように積層してもよい。

図２は、図４に示した多数の５層ネストのうちのいずれか１つにおける屈折率の概要を示す。第１および第５層（外側層）はそれぞれ、それぞれの層の深さに渡って低く（Ｌ）て均一な同じ屈折率２０および２４をそれぞれ有する。第３層は、層の深さに渡って高く（Ｈ）て均一な屈折率２２を有する。

第１および第３層の中間、ならびに第３および第５層の中間に、第１、第３および第５層（それぞれ２０、２２および２４）を形成するために用いられる材料の不均一混合物で形成された第２および第４層がある。当該の２つの材料（ＬおよびＨ）の不均一混合物によって、結果として、第２および第４層のための屈折率（２１および２３）がそれぞれ得られるが、これらの屈折率は、低屈折率値（Ｌ）から、連続的に変化する中間値を通って、より高い屈折率値（Ｈ）まで、それぞれの層の深さと共に連続的に変化し、そして変化する中間値は、第１または第５層に関連する低い値（Ｌ）と、第３層に関連する高い値（Ｈ）との間にある。したがって、異種の第２または第４層は、第３層から離れたその領域から、第３層に隣接したその領域へと、値が増加する傾斜した屈折率を有する。

材料タイプの点では、５層ネスト構造は、（ＬＭＨＭＬ）として要約できる。しかしながら、層の光学的厚さの点では、５層ネストは、（Ｑ、２Ｑ、Ｑ、２Ｑ、Ｑ）^ｎと呼んでもよく、Ｑは、所定の設計波長（たとえばλ_０＝３４０ｎｍ）の四分の一波長を指す。整数「ｎ」は、光学積層設計においてネスト層を繰り返してもよい回数を指し、この例ではｎ＝７である。

図２ａ、２ｂおよび２ｃの設計で示す連続的な層の光学的厚さは、「テンプレート」または基本設計配置と称することが可能なものに対応するが、これは、続いて、完成した光学フィルタ内における１つか、いくつか、または全てのネストの１つか、いくつか、または全ての光学層の光学的厚さを変えることによって最適化してもよいことに、留意されたい。たとえば、太陽電池を効果的に設計してそれが感受できる波長帯域内の太陽放射線を透過させる目的のためか、またはその帯域外の太陽放射線を最適に反射するために、個別の層の光学的厚さを変えることによってか、または層の光学的厚さを一括して変えることによって、光学フィルタのスペクトル応答を最適化してもよいことが分かった。

第２および第４層（異種混合層である）それぞれの光学的厚さが、第３（高屈折率）層の光学的厚さを超えるという条件で、外側（低屈折率）層が、設計波長の八分の一未満（すなわちλ_０／８未満）である場合には、適切なスペクトル応答が、光学フィルタにおいて達成できることが分かった。

図３を参照すると、形状（Ｑ、２Ｑ、Ｑ、２Ｑ、Ｑ）^７の７つが積層された５層ネストを含む多重積層光学フィルタの透過スペクトルが示されているが、各ネストは、図２ａ、２ｂまたは２ｃで示すような形状（ＬＭＨＭＬ）の５層屈折率配分を有する。図３のスペクトルには、１２５０ｎｍの波長を中心とする主な「第１次」反射帯域、および３１２．５ｎｍ（すなわち３１２．５＝１２５０／４）の波長を中心とする第４次反射帯域が含まれる。第１次および第４次反射帯域の中間にある透過スペクトル領域は、透過率過渡現象３２の存在が著しく抑制された高いレベルの透過率を享受できることに留意されたい。さらに、第２次反射帯域が、６２５ｎｍ（すなわち６２５＝１２５０／２）の波長において完全に抑制されるだけではなく、４１７ｎｍ（すなわち４１７＝１２５０／３）を中心とする第３次反射帯域３もまた抑制される。これを、単純な四分の一波長積層が４１７ｎｍで第３次反射帯域を抑制できない場合の図１と比較されたい。

図３に示す基礎透過スペクトルは、スペクトルが関連する光学フィルタの７つのネストそれぞれで用いられる設計パラメータを適切に最適化することによって、さらに改善してもよい。上述のように、この改善には、各ネスト内の５層の１つか、いくつか、または全てにおける光学的厚さを適切に変更することを伴ってもよい。たとえば、光学的厚さの点では、ネストは、（１．１Ｑ、２．３Ｑ、１．１Ｑ、２．３Ｑ、１．１Ｑ）に修正してもよい。この変更は、相対的な厚さをどのように変更できるかの単に１つの例証的な例であり、異なる変更を、多層積層の異なるネストに適用してもよい。

さらに、所与のネストの第２および第４異種混合層の１つまたは両方における屈折率の勾配（すなわち層の深さの関数としての屈折率の変化）はまた、フィルタのスペクトル応答を最適化するための手順で変更してもよい。この例は図２ｂに示されているが、そこでは、第２層２５および第４層２６はそれぞれ、図２ａに示す屈折率に比べて低減された屈折率の変化を示す。この例において、異種混合層のそれぞれは、次のように形成される。すなわち、層の屈折率は、第１層２０に関連する低屈折率値よりも値が大きい低中間値（Ｍ１）から、第１の中間値（Ｍ１）より大きいが、第３層に関連する高屈折率値より小さい第２の中間値（Ｍ２）へ変化する。

実際は、第２および第４層の屈折率の、第３層への特有の傾斜が単に存在するだけで、フィルタにおけるスペクトル応答の良好な最適化をもたらすのに十分であり、一方で、スペクトル応答を「微調整」するために、続いて各傾斜形状の特性を最適化してもよいことが分かった。

第２および／または第４層における屈折率の傾斜形状は線形である必要はなく、（第３層へ向かうように）指数関数的に増加するか、または何か他のより複雑な傾斜形状であってもよい。実際は、５次の傾斜形状を用いてもよく、その場合には、第２または第４層の屈折率は、単一の正弦曲線周期に渡って緩やかに振動するように形成され、５次振動が、屈折率における基本的な傾斜の増加に重畳される。

図２ｃは、本明細書で説明する実施形態のさらなる設計の変形を示し、かつそれぞれの層の深さを通してほぼ段階的に変化する、異種混合された第２および第４層（２７と２８）の屈折率（ｎ）の変化を示す。この配置では、第２および第４層（２７と２８）はそれぞれ、物理的に連続した物である。物理的に不連続でなくて、層のある一定のサブ領域でそれぞれの層の屈折率のほぼ段階的な変化をもたらす、混合物（Ｍ）の空間的配分（異種の）を有し、そして混合物は、ほぼ段階的に（またはそれに近く）対応して変化する。

この変形において、第２／第４層には、図２ｃのサブ層６５および７０などの複数のサブ領域が含まれ、各サブ領域は、層の厚さ「ｘ」に渡って第１の材料（Ｌ）および第２の材料（Ｈ）の均一混合物から形成される。いずれか１つのサブ領域を形成する均一混合物は、第２／第４層（Ｍ）内で直に隣接するサブ領域を形成する均一混合物とは異なって、複数のサブ領域それぞれの屈折率が、サブ領域の深さ「ｘ」に応じてほぼ一定であるようにする。しかしながら、第２／第４層（Ｍ）の屈折率は、その層の連続的なサブ領域間でほぼ段階的に変化する。これによって、結局、第２および第４層の屈折率における変化の完全な「デジタル化」がもたらされる。

デジタル化された第２／第４層における隣接するサブ領域は、１つの物理的に連続するそれぞれの層内に物理的に連続して形成され、別々に形成されたサブ層を表わさないことに、もう一度留意されたい。しかしながら、２つの材料（ＬおよびＨ）の不均一混合物を適切に制御することによって、隣接するサブ領域間で混合物をほぼ段階的に変化させ、それによって、サブ領域間の屈折率に、対応する「段階」をもたらすことができる。

図２ｃ示す「デジタル化された」異種屈折率の概要は、図２ａおよび２ｂにおける第２および第４層の滑らかに変化する屈折率の傾斜の代わりに（またはそれに追加して）適用してもよい。実際は、これは、滑らかに変化する屈折率の傾斜より達成するのがより簡単と分かった。

このようなデジタル化の利点は、このようなデジタル化された形状の形成では、混合に用いる２つの異なる材料を異種混合するために使用する装置において必要な制御が、より少ないということである。デジタル化が用いられる場合には、混合物を連続的に調節／変化させる必要がなくなる。

本発明による光学フィルタ（５０、６０）における多層積層５０の層を形成する際に使用可能な材料には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）および二酸化ハフニウム（ＨＦＯ_２）、ならびにＣＭＧガラスなどの基板ガラス（６０）が含まれる。

たとえば、次の表は、多重ネスト積層で用いられる所与の５層ネストにおける５層それぞれの物理的厚さの例を示す。外側の第１および第５層はそれぞれ二酸化ケイ素から形成され、第３の高屈折率層は二酸化ハフニウムから形成され、一方で、第２および第４の中間屈折率の層は、二酸化ケイ素および二酸化ハフニウムの不均一混合物から形成される。以下の表に示す物理的な層の厚さは、光学的厚さに変換可能だが、この変換は、この例ではλ_０＝３４０ｎｍの設計波長用の、それぞれの層における材料の屈折率を、物理的厚さに乗じることにより行われる。

設計波長における屈折率は以下の通りである。
ＳｉＯ_２−１．４６、
ＨｆＯ_２−２．０９。

これによって、３４０ｎｍの設計波長用の非混合層の物理的厚さが、次のように与えられる。
ＳｉＯ_２−５８．２ｎｍ、
ＨｆＯ_２−４０．６ｎｍ。異種混合材料ＳｉＯ_２およびＨｆＯ_２の各傾斜層（層２および４）の物理的厚さは９５．７ｎｍであり、そしてこの例では、２つの混合層（層２および４）それぞれの屈折率は、屈折率１．４６（外側層１または５に隣接した）から、高屈折率層３に隣接する屈折率２．０９まで傾斜する。

上記の実施形態は、本発明の実例となるように意図したものであり、当業者には容易に明らかとなるようなこれら実施形態の変形および修正は、本発明の範囲から逸脱することなく想定し、かつ作成することができる。

単純な四分の一波長干渉タイプの多重積層光学フィルタの透過スペクトルを示し、スペクトルには、主な反射帯域および「より高次」の反射帯域、ならびに両者間の反射率のリップル／振動が含まれる。 光学フィルタにおける多層積層の一部における屈折率の変化を示す。 光学フィルタにおける多層積層の一部における屈折率の変化を示す。 光学フィルタにおける多層積層の一部における屈折率の変化を示す。 図２ａ、２ｂまたは２ｃに示す形状の多層積層を用いる干渉タイプ多層積層光学フィルタの透過スペクトルを示す。 積層された複数の層ネストを含む多層光学フィルタを示し、各ネストは図２ａ、２ｂまたは２ｃに示すタイプの多層積層である。

Claims (39)

1. 第１の屈折率を有する第１の材料と、
   前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する第２の材料と、
   の１つまたは両方からそれぞれが形成される複数の材料層を自身の上に積層させた基板を含む光学フィルタであって、
   前記複数の材料層が、前記第１の材料および前記第２の材料の不均一混合物からそれぞれ形成される第１層および第２層と、前記第１の材料から形成され、前記第１層および前記第２層間に積層される第３層とを含み、
   前記第１層および前記第２層それぞれの光学的厚さが、前記第３層の光学的厚さよりも大きい光学フィルタ。
2. 前記第１層および前記第２層の光学的厚さがそれぞれ、大きさにおいて、値２ＱとＱ／２未満だけ異なり、前記第３層の光学的厚さが、大きさにおいて、値ＱとＱ／２未満だけ異なり、Ｑが、前記光学的厚さが決定される共通基準波長の光放射の波長のほぼ四分の一で横断される所与の前記層の厚さである、請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 前記第１層の光学的厚さが前記第２層の光学的厚さとほぼ等しい、請求項１または請求項２に記載の光学フィルタ。
4. 前記第１層および前記第２層の光学的厚さがそれぞれ、２Ｑにほぼ等しく、前記第３層の光学的厚さがＱにほぼ等しい、請求項２に記載の光学フィルタ。
5. 前記複数の材料層が、前記第２の材料からそれぞれが形成された一対の外側層であって、その間に前記第１、第２および第３層が積層された外側層を含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
6. 前記対の外側層のそれぞれの光学的厚さが、値において、大きさＱとＱ／２未満だけ異なる、請求項５に記載の光学フィルタ。
7. 前記対の外側層のうちのそれぞれ一方の光学的厚さが、前記対の他方の光学的厚さとほぼ等しい、請求項５または６に記載の光学フィルタ。
8. 前記外側層のそれぞれの光学的厚さがＱとほぼ等しい、請求項７に記載の光学フィルタ。
9. 前記第１および／または第２層の屈折率が、前記それぞれの層の深さの少なくとも一部を通して連続的に変化する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
10. 前記第１および／または第２層の屈折率が、前記それぞれの層の深さの少なくとも一部を通してほぼ段階的に変化する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
11. 前記第１および／または第２層の屈折率における全ての変化がほぼ段階的に生じる、請求項１〜８および１０のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
12. 前記第１および／または第２層が、前記第１の材料および前記第２の材料の均一混合物からそれぞれが形成されて前記層内に積層される複数のサブ領域を含み、それによって、いずれか１つのサブ領域を形成する前記均一混合物が、前記第１および／または第２層内の直に隣接するサブ領域を形成する均一混合物と異なり、そして前記複数のサブ領域それぞれの屈折率が、前記サブ領域の深さに応じてほぼ一定であり、かつ前記第１および／または第２層の屈折率が、前記層の連続するサブ領域間の深さと共にほぼ段階的に変化するようにする、請求項１０または請求項１１に記載の光学フィルタ。
13. 前記第１および／または第２層の屈折率における全ての変化が、前記それぞれの層の深さが前記第３層から離れたその領域から前記第３層に隣接するその領域へと増加するにつれて、その屈折率を増加させる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
14. 前記複数の層が、連続する層が前記積層の深さに渡って周期的に繰り返す順序で配置される前記層の積層を、形成する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
15. 前記フィルタが、少なくとも赤外線をほぼ反射し、かつ少なくとも可視光スペクトルにおける光放射を透過するように構成されている、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
16. 前記フィルタが、少なくとも赤外線および紫外線をほぼ反射するように構成されている、請求項１５に記載の光学フィルタ。
17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載のフィルタを含む光電池用のカバー。
18. 請求項１７に記載のカバーを含む光電池。
19. 前記光電池が太陽電池である、請求項１８に記載の光電池。
20. 光電池と共に用いる光学フィルタの製造方法であって、
    基板を提供することと、
    第１の屈折率を有する第１の材料と、
    前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する第２の材料と、
    の１つまたは両方からそれぞれが形成される複数の材料層を、前記基板上に積層することと、
    前記第１の材料および前記第２の材料の不均一混合物から、前記複数の層のうちの第１層および第２層を形成することと、
    前記第１および第２層間に積層される、前記複数の層のうちの第３層を前記第１の材料から形成することと、
    を含み、
    前記第１および第２層それぞれの光学的厚さが、前記第３層の光学的厚さよりも大きい方法。
21. 前記第１層および前記第２層がそれぞれ、大きさにおいて、値２ＱとＱ／２未満だけ異なる光学的厚さで形成され、前記第３層が、大きさにおいて、値ＱとＱ／２未満だけ異なる光学的厚さで形成され、Ｑが、前記光学的厚さが決定される共通基準波長の光放射の波長のほぼ四分の一で横断される所与の前記層の厚さである、請求項２０に記載の光学フィルタの製造方法。
22. 前記第１層の光学的厚さが、前記第２層の光学的厚さとほぼ等しいように形成され、逆の場合も同様である、請求項２０または請求項２１に記載の光学フィルタの製造方法。
23. 前記第１層および前記第２層がそれぞれ、２Ｑにほぼ等しい光学的厚さを有するように形成され、前記第３層が、Ｑにほぼ等しい光学的厚さを有するように形成される、請求項２１に記載の光学フィルタの製造方法。
24. 前記第２の材料からそれぞれが形成される、前記複数の層の内の一対の外側層であって、その間に前記第１、第２および第３層が積層される外側層を形成するステップをさらに含む、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の光学フィルタの製造方法。
25. 前記対の外側層が、それぞれの光学的厚さが値において大きさＱとＱ／２未満だけ異なるように、形成される、請求項２４に記載の光学フィルタの製造方法。
26. 前記対の外側層のそれぞれが、いずれか１つのこのような層が他方のこのような層の光学的厚さとほぼ等しい光学的厚さを有するように、形成される、請求項２４または請求項２５に記載の光学フィルタの製造方法。
27. 前記対の外側層の各層が、Ｑとほぼ等しい光学的厚さで形成される、請求項２６に記載の光学フィルタの製造方法。
28. 前記第１および／または第２層が、その屈折率が前記それぞれの層の深さの少なくとも一部を通して連続的に変化するように、形成される、請求項２０〜２７のいずれか一項に記載の光学フィルタの製造方法。
29. 前記第１および／または第２層が、その屈折率が前記それぞれの層の深さの少なくとも一部を通してほぼ段階的に変化するように、形成される、請求項２８に記載の光学フィルタの製造方法。
30. 前記第１および／または第２層が、その屈折率における全ての変化がほぼ段階的に生じるように、形成される、請求項２０〜２７および２９のいずれか一項に記載の光学フィルタの製造方法。
31. 前記第１および／または第２層が、前記第１の材料および前記第２の材料の均一混合物からそれぞれ形成されて前記層内に積層される複数のサブ領域を含むように形成され、それによって、いずれか１つのサブ領域を形成する前記均一混合物が、前記第１および／または第２層内の直に隣接するサブ領域を形成する均一混合物と異なり、そして前記複数のサブ領域それぞれの屈折率が、前記サブ領域の深さに応じてほぼ一定であり、かつ前記第１および／または第２層の屈折率が、前記層の連続するサブ領域間の深さと共にほぼ段階的に変化するようにする、請求項２９または請求項３０に記載の光学フィルタの製造方法。
32. 前記第１および／または第２層の深さが、前記第３層から離れたその領域から前記第３層に隣接したその領域へと増加するにつれて、前記第１および／または第２層の屈折率における全ての変化がその屈折率を増加させるように、前記第１および／または前記第２層が形成される、請求項２０〜３１のいずれか一項に記載の光学フィルタの製造方法。
33. 前記方法が、前記複数の層を積層層に形成することを含み、前記積層層において連続的な層が、前記積層の深さに渡って周期的に繰り返す順序で配置される、請求項２０〜３２のいずれか一項に記載の光学フィルタの製造方法。
34. 前記複数の層が、少なくとも赤外線をほぼ反射し、かつ少なくとも可視光スペクトルにおける光放射を透過するように配置されている、請求項２０〜３３のいずれか一項に記載の光学フィルタの製造方法。
35. 前記複数の層が、少なくとも赤外線および紫外線をほぼ反射するように配置されている、請求項３４に記載の光学フィルタの製造方法。
36. 光電池に入射する放射線の光フィルタリング方法であって、
    請求項２０〜３５のいずれか一項に記載の光学フィルタを製造することと、
    入射放射線が、入射放射線が通過できるように形成された前記複数の層を通過するのを可能とすることと、
    を含む方法。
37. 太陽電池を効果的に設計してそれが感受できるようにした波長帯域内の太陽放射線を透過させるため、かつ前記帯域外の太陽放射線を反射するために、前記光学フィルタのスペクトル応答を最適化する目的で、前記複数の層の１つか、いくつか、または全ての層の光学的厚さを変化させることを含む、請求項２０〜３５のいずれか一項に記載の光学フィルタの製造方法。
38. 添付の図面のうちの図２ａ、２ｂ、２ｃ、３または４に関連した前述のいずれか一実施形態でほぼ記載した光学フィルタ。
39. 添付の図面のうちの図２ａ、２ｂ、２ｃ、３または４に関連した前述のいずれか一実施形態でほぼ記載した光学フィルタの製造方法。

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