JP2010032659A - 波長選択フィルタ、フィルタ装置、光源装置、光学装置及び屈折率センサ - Google Patents

Abstract

【課題】波長選択性が高く、光の入射角の許容範囲が広い波長選択フィルタを提供する。
【解決手段】入射光が入射する面に形成され、Ｘ軸方向に関して矩形波形状の凹凸構造部を有する基板１０１ａと、該凹凸構造部を覆う透明膜１０１ｂとを有し、透明膜１０１ｂの屈折率は、基板１０１ａの屈折率よりも大きい。また、各凸部の＋Ｘ側に隣接する透明膜１０１ｂと、各凸部の−Ｘ側に隣接する透明膜１０１ｂとの間に空気の層を有している。この場合には、波長選択性が高く、かつ光の入射角の許容範囲を従来よりも広くすることが可能となる。
【選択図】図７

Description

本発明は、波長選択フィルタ、フィルタ装置、光源装置、光学装置及び屈折率センサに係り、更に詳しくは、入射光に含まれる特定波長の光を選択的に共鳴反射する波長選択フィルタ、及び該波長選択フィルタを有するフィルタ装置、前記波長選択フィルタあるいは前記フィルタ装置を有する光源装置、該光源装置を備える光学装置、及び前記波長選択フィルタを有する屈折率センサに関する。

光学系や光学装置では、互いに波長の異なる複数の光が混在している光の中から特定波長の光のみを必要とする場合がある。この場合に、一般的に波長選択フィルタ（波長フィルタともいう）が利用されている。

例えば、特許文献１には、表面に微細凹凸を有する基板と、微細凹凸面を覆う誘電体層とを備え、微細凹凸及び誘電体層が凹凸面に入射した光の導波層を形成している波長フィルタが開示されている。

また、特許文献２には、入射光のうち、共鳴条件に合った特定波長の光を反射光として選択的に反射させるチューナブル波長選択フィルタが開示されている。

ところで、特許文献３には、被測定物の屈折率を検出するための屈折率センサが開示されている。

特許第３７１１４４６号公報 特開２００５−２７５０８９号公報 特開２００７−２３２４５６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている波長フィルタでは、光の入射角が設計値からずれると、波長フィルタで反射される特定波長の光の光量が低下するという不都合があった。さらに、特許文献１に開示されている波長フィルタでは、光の入射角が設計値からずれると、特定波長とは異なる複数の波長の光が反射されるおそれがあった。

また、特許文献２に開示されているチューナブル波長選択フィルタは、微細な電極を基板上に作製しなければならないため作製が難しく、また、導波層に特殊な材料を用いる必要があるため低コストでの作製が困難であるという不都合があった。

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、波長選択性が高く、光の入射角の許容範囲が広い波長選択フィルタを提供することにある。

本発明の第２の目的は、高コスト化を招くことなく、容易に所望の波長の光を反射することができるフィルタ装置を提供することにある。

本発明の第３の目的は、高コスト化を招くことなく、容易に所望の波長の光を出力することができる光源装置を提供することにある。

本発明の第４の目的は、高コスト化を招くことなく、所望の光学特性を得ることができる光学装置を提供することにある。

本発明の第５の目的は、高コスト化を招くことなく、対象物の屈折率を精度良く検出することができる屈折率センサを提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、入射光に含まれる特定波長の光を選択的に共鳴反射する波長選択フィルタであって、前記入射光が入射する面に形成され、一の軸方向に関して矩形波形状の凹凸構造部を有する基板と；前記一の軸方向に関して、前記凹凸構造部における各凸部の一側の面を覆う第１の層と、前記各凸部の他側の面を覆う第２の層とを含む多層構造体と；を有し、前記第１の層の屈折率及び前記第２の層の屈折率は、いずれも前記基板の屈折率よりも大きいことを特徴とする波長選択フィルタである。

なお、本明細書では、「矩形波形状」は、正方形、長方形だけでなく、台形、及び少なくとも１つの角が面取りされた形状も含むものとする。

これによれば、波長選択性が高く、かつ光の入射角の許容範囲を広くすることが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、本発明の波長選択フィルタと；前記波長選択フィルタを、前記基板の表面に平行で前記一の軸方向に直交する軸まわりに回動させる回動機構と；を備えるフィルタ装置である。

これによれば、本発明の波長選択フィルタを有しているため、高コスト化を招くことなく、容易に所望の波長の光を反射することが可能となる。

本発明は、第３の観点からすると、光源と；前記光源からの光束を略平行光とする光学素子と；前記光学素子を介した光束が入射される本発明の波長選択フィルタと；を備え、前記波長選択フィルタで反射された光束を出力することを特徴とする第１の光源装置である。

本発明は、第４の観点からすると、光源と；前記光源からの光束を略平行光とする光学素子と；前記光学素子を介した光束が入射される本発明のフィルタ装置と；を備え、前記フィルタ装置の波長選択フィルタで反射された光束を出力することを特徴とする第２の光源装置である。

上記各光源装置によれば、いずれも本発明の波長選択フィルタを有しているため、高コスト化を招くことなく、容易に所望の波長の光を出力することが可能となる。

本発明は、第５の観点からすると、本発明の光源装置と；前記光源装置から出力された光束が入射される光学系と；を備える光学装置である。

これによれば、本発明の光源装置を備えているため、結果として高コスト化を招くことなく、所望の光学特性を得ることが可能となる。

本発明は、第６の観点からすると、対象物の屈折率を検出するための屈折率センサであって、光源と；前記光源からの光束を略平行光とする第１の光学素子と；前記第１の光学素子を介した光束を直線偏光とする第２の光学素子と；前記第２の光学素子から射出され、対象物を透過した光束が入射される本発明の波長選択フィルタと；前記波長選択フィルタで反射された光束のピーク波長を求め、該ピーク波長に基づいて前記対象物の屈折率を検出する検出装置と；を備える屈折率センサである。

これによれば、本発明の波長選択フィルタを有しているため、高コスト化を招くことなく、対象物の屈折率を精度良く検出することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図２６に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る光源装置１０が示されている。

この光源装置１０は、光源１１、カップリングレンズ１３、光学フィルタ装置１５、反射ミラー１７などを備えている。

前記光源１１は、互いに波長が異なる複数の光が混在する光束を出力する。

前記カップリングレンズ１３は、光源１１からの光束を略平行光とする。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、カップリングレンズ１３の光軸方向をＺ軸方向として説明する。

前記光学フィルタ装置１５は、カップリングレンズ１３を介した略平行の光束が入射され、特定の波長範囲内の光束のみを反射する。この光学フィルタ装置１５の詳細については後述する。

前記反射ミラー１７は、光学フィルタ装置１５で反射された光束の光路上に配置され、該光束を＋Ｚ方向に反射する。この反射ミラー１７で反射された光束が光源装置１０から出力される。すなわち、光源装置１０からは、特定の波長範囲内の光束が略平行光として出力される。

そして、光源装置１０から出力された光束は、上記特定の波長範囲内の光束に対して最適化されている光学系２０に導かれる。なお、光源装置１０及び光学系２０を含む光学装置として、特定の波長範囲内の光を利用した分析装置、検査装置、計測装置などがある。

ここで、前記光学フィルタ装置１５について説明する。

光学フィルタ装置１５は、一例として図２〜図４に示されるように、波長選択フィルタ１０１、保持部材１０３、回動支持部材１０４、駆動機構１０５などを備えている。なお、図４は図２のＡ−Ａ断面図である。

上記波長選択フィルタ１０１は、一例として図５に示されるように板状の部材であり、カップリングレンズ１３を介した略平行の光束が入射する側の面（ここでは、−Ｚ側の面）に、複数の直線状の溝が等間隔で形成されている。ここでは、Ｘ軸方向を溝の配列方向に平行な方向としている。

なお、本実施形態では、一例として、波長選択フィルタ１０１は、入射角０度でＴＭ偏光の光が入射されたとき、波長６０５ｎｍの光が選択的に反射（共鳴反射）されるように設計されている。すなわち、共鳴波長が６０５ｎｍとなるように設計されている。ところで、ＴＭ偏光とは、その磁界の方向が溝に平行である光をいう（オプトロニクス社「回折光学素子入門」ｐ６７参照）。

波長選択フィルタ１０１は、図５の一部を拡大した図６に示されるように、透明な基板１０１ａと、透明膜１０１ｂとを有している。

基板１０１ａは、その−Ｚ側の面に、Ｘ軸方向に関して矩形波形状の凹凸構造部を有している（図１０参照）。そして、該凹凸構造部は、透明膜１０１ｂによって被覆されている。

基板１０１ａの材料には、一例として屈折率１．４６の石英（ＳｉＯ_２）が用いられている。また、透明膜１０１ｂの材料には、一例として屈折率２．１２の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）が用いられている。

ところで、図７に示されるように、基板１０１ａの凹凸構造部における凸部（以下では、便宜上、単に「凸部」ともいう）の−Ｘ側に隣接する透明膜１０１ｂを第１の層、＋Ｘ側に隣接する透明膜１０１ｂを第２の層、第１の層と第２の層との間の空気の層を第３の層とする。そして、Ｘ軸方向に関して、凸部の幅をｔ０、第１の層の幅をｔ１、第２の層の幅をｔ２、第３の層の幅をｔ３とする。また、基板１０１ａの屈折率をｎ０、第１の層の屈折率をｎ１、第２の層の屈折率をｎ２、第３の層の屈折率をｎ３とする。さらに、基板１０１ａの凹凸構造部の溝深さをｄとする。

ここでは、ｔ０＝１００ｎｍ、ｔ１＝１００ｎｍ、ｔ２＝１００ｎｍ、ｔ３＝１００ｎｍ、ｄ＝１００ｎｍである。そこで、ピッチＰは４００ｎｍ、ランド幅Ｌは３００ｎｍ、フィルタリングファクタＦＦは０．７５（＝Ｌ／Ｐ）である。

そして、ｎ０＝１．４６、ｎ１＝２．１２、ｎ２＝２．１２、ｎ３＝１．００である。すなわち、ｎ１＝ｎ２＞ｎ０＞ｎ３の関係が満足されている。

また、凸部の上面及び凹部の底面を覆っている透明膜１０１ｂの膜厚ｔｚは５０ｎｍである。

次に、波長選択フィルタ１０１の製造方法について簡単に説明する。

（１）平板状の基板１０１ａにおける片側（ここでは、−Ｚ側）の面にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト層を形成する（図８（Ａ）参照）。

（２）フォトレジスト層に所定の格子パターンを投影し、現像する。これにより、基板１０１ａの表面に格子状のレジストパターンが形成される（図８（Ｂ）及び図９参照）。

（３）レジストパターンが形成された基板１０１ａを、イオンビームエッチング装置、反応性イオンエッチング装置、あるいはプラズマエッチング装置などのドライエッチング装置にセットし、レジストパターンをマスクとしてエッチングする。

（４）所望の深さまでエッチングされると、ドライエッチング装置から取り出し、アセトン等の有機溶剤による溶出または酸素プラズマ中での分解によってレジストパターンを除去する（図８（Ｃ）及び図１０参照）。これによって、基板１０１ａの表面に、Ｘ軸方向に関して矩形波形状の凹凸構造部が形成される。

（５）物理的気相成長法（ＰＶＤ）あるいは化学的気相成長法（ＣＶＤ）などを用いて、凹凸構造部の上に透明膜１０１ｂを形成する（図８（Ｄ）参照）。なお、スピンコートやディッピングなどによって液体の原料を凹凸構造部の上に塗布し、その後ベーク処理などの後処理をすることによって、透明膜１０１ｂを形成することも可能である。但し、凸部の側面にも透明膜１０１ｂが形成されるような等方的な成膜手段が好ましい。

上記のようにして製造された波長選択フィルタ１０１に、ＴＭ偏光の入射光が入射角０度で入射されたときの、入射光の波長と反射率との関係が図１１に示されている。反射率が最も大きい波長（以下では、「ピーク波長」ともいう）は６０５ｎｍであった。そして、ピーク波形における半値幅は７．１ｎｍであり、ピーク波長の約１．２％と極めて狭かった。また、ピーク波長からある程度離れた波長では、反射率は０．１以下であった。このことから、波長選択フィルタ１０１は、６０５ｎｍを中心とする狭帯域の波長選択フィルタとして機能するとともに、いわゆる非共鳴反射光の反射率が低いことが分かる。すなわち、所望の波長範囲内の光のみを反射するのに適している。

図１２には、波長選択フィルタ１０１に波長６０５ｎｍの光を入射したときの、入射角と反射率との関係が示されている。ピーク波形における半値幅は３．０度であった。

比較のため、図１３に示されるように基板が三角波形状の凹凸構造部を有する従来の波長選択フィルタ（特許文献１の図５（ａ）参照）に、特定波長である波長６２３．４ｎｍの光を入射したときの、入射角と反射率との関係が図１４に示されている。この場合のピーク波形における半値幅は０．０５度であった。

すなわち、波長選択フィルタ１０１における入射角の許容範囲は、従来の波長選択フィルタにおける入射角の許容範囲よりも約６０倍広い。なお、図１４は、特許文献１の図５（ａ）に開示されている波長フィルタと同じ構造の波長選択フィルタを想定し、いわゆるＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法を用いて計算したものである。

従って、入射光が若干発散気味の光束、あるいは若干収束気味の光束であっても、高い光量の反射光を得ることができる。このことは、光源装置１０における光源１１とカップリングレンズ１３の位置関係に余裕を持たせることができ、それらの組み付け工程、及び調整工程を簡略化することができる。また、カップリングレンズ１３として安価なレンズを用いることができる。すなわち、光源装置１０の低コスト化を図ることが可能となる。

ところで、計算によると、従来の波長選択フィルタ（特許文献１の図５（ａ）参照）では、入射光の入射角が０度からずれると、入射光の波長と反射率との関係において、２つのピークが出現する（図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）参照）。図１５（Ａ）には、入射角が０．１度の場合が示され、図１５（Ｂ）には、入射角が０．２度の場合が示されている。いずれの場合も、各ピーク波長は特定波長である６２３．４ｎｍとは異なる波長である。すなわち、特定波長とは異なる複数の波長の光が反射されることとなる。そして、入射角のずれが小さいときは、２つのピークの波長域が近く、１種類の波長域のみを分離することが難しかった（図１６参照）。

一方、波長選択フィルタ１０１では、入射光の入射角が０度からずれても、入射光の波長と反射率との関係において出現するピークは１つだけであった。

前記保持部材１０３は、波長選択フィルタ１０１を保持する部材であり、一例として図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）に示されるように、中央に開口部を有する枠部１０３ａと、該枠部１０３ａの＋Ｙ側の側面の中央及び−Ｙ側の側面の中央に設けられ、Ｙ軸方向に延びる丸棒状の突起部１０３ｂとを有している。保持部材１０３と波長選択フィルタ１０１は、一例として図１８に示されるように、枠部１０３ａの−Ｚ側の面と波長選択フィルタ１０１の＋Ｚ側の面とを介して接着されている。

前記回動支持部材１０４は、保持部材１０３を支持する部材であり、一例として図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）に示されるように、保持部材１０３の枠部１０３ａよりも一回り大きな開口部を中央に有している。また、回動支持部材１０４は、保持部材１０３の突起部１０３ｂを支持するための貫通孔を有している。

回動支持部材１０４は、一例として図２０に示されるように、貫通孔を有する少なくとも一方の部分を取り外すことが可能であり、保持部材１０３の各突起部１０３ｂを容易に貫通孔に挿入することができる（図２１参照）。

駆動機構１０５は、保持部材１０３の一方の突起部１０３ｂを回動させる。これにより、一例として図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）に示されるように、回動支持部材１０４に対して保持部材１０３を傾斜させることができる。その結果、波長選択フィルタ１０１に対する入射光の入射角度を変更することができる。

図２３には、種々の入射角（０度、５度、１０度、１５度）について、波長選択フィルタ１０１における入射光の波長と反射率との関係が示されている。また、図２４には、波長選択フィルタ１０１における入射光の入射角と反射光のピーク波長との関係が示されている。これらから、入射角を大きくするほどピーク波長が大きくなることがわかる。

そこで、駆動機構１０５を介して波長選択フィルタ１０１に対する入射光の入射角度を変更することにより、波長選択フィルタ１０１で反射される光の波長を調整することができる。すなわち、光源装置１０から出力される光束の波長域及び該波長域の中心波長を可変とすることができる。なお、駆動機構１０５は、手動で突起部１０３ｂを回動させる機構であっても良いし、例えばモータを有し、電気的に突起部１０３ｂを回動させる機構であっても良い。

駆動機構１０５は、保持部材１０３の回動位置をロックする不図示のロック機構を備えており、波長選択フィルタ１０１で反射された光の波長が所望の波長になると、保持部材１０３の回動位置をロックすることができるようになっている。

なお、前記反射ミラー１７は、光源装置１０からの光束の出力方向が常に＋Ｚ方向となるように、その姿勢を調整することが可能である。

ところで、波長選択フィルタ１０１は、図２５及び図２６に示されるように、ピッチＰを変更することによっても、反射光のピーク波長を変更することができる。そこで、このことを利用して、波長選択フィルタ１０１と同様な構造及び特性を有し、用途に応じた反射帯域の波長選択フィルタを製造することができる。なお、図２５及び図２６では、ｔ０＝ｔ１＝ｔ２＝ｔ３の関係を維持したままピッチＰを変更している。

以上説明したように、本実施形態に係る波長選択フィルタ１０１によると、入射光が入射する面に形成され、Ｘ軸方向に関して矩形波形状の凹凸構造部を有する基板１０１ａと、該凹凸構造部を覆う透明膜１０１ｂとを有している。すなわち、凹凸構造部における各凸部の＋Ｘ側の面及び−Ｘ側の面は、いずれも透明膜１０１ｂによって覆われている。そして、透明膜１０１ｂの屈折率は、基板１０１ａの屈折率よりも大きい。

また、各凸部の＋Ｘ側に隣接する透明膜１０１ｂと、各凸部の−Ｘ側に隣接する透明膜１０１ｂとの間に空気の層を有している。

この場合には、波長選択性が高く、かつ光の入射角の許容範囲を従来よりも広くすることが可能となる。

また、本実施形態に係る光学フィルタ装置１５によると、波長選択性が高く、かつ光の入射角の許容範囲が広い波長選択フィルタ１０１を有しているため、高コスト化を招くことなく、容易に所望の波長の光のみを反射することが可能となる。

また、本実施形態に係る光源装置１０によると、高コスト化を招くことなく、所望の波長の光のみを反射することができる光学フィルタ装置１５を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、容易に所望の波長の光を出力することが可能となる。

なお、上記実施形態において、透明膜１０１ｂの材料に、屈折率が２．３５の酸化チタン（ＴｉＯ_２）、屈折率が２．３３の五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、屈折率が１．６３の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いても良い。

また、上記実施形態では、共鳴波長が６０５ｎｍの場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。一例として、共鳴波長が６２３ｎｍの波長選択フィルタ２０１が図２７に示されている。

この波長選択フィルタ２０１は、前記波長選択フィルタ１０１と同様に、板状の部材であり、光が入射する側の面に、複数の直線状の溝が等間隔で形成されている。

波長選択フィルタ２０１は、図２７の一部を拡大した図２８に示されるように、凹凸構造が形成されている基板１０１ａと、透明膜１０１ｂとを有しているが、前記波長選択フィルタ１０１と異なり、透明膜１０１ｂは、各凸部の側面のみを被覆している。すなわち、凹凸構造部における各凸部の＋Ｘ側の面及び−Ｘ側の面は、いずれも透明膜１０１ｂによって覆われている。

ここでは、ｔ０＝１００ｎｍ、ｔ１＝１００ｎｍ、ｔ２＝１００ｎｍ、ｔ３＝１００ｎｍ、ｄ＝２００ｎｍである（図２９参照）。そこで、ピッチＰは４００ｎｍ、ランド幅Ｌは３００ｎｍ、フィルタリングファクタＦＦは０．７５（＝Ｌ／Ｐ）である。

そして、ｎ０＝１．４６、ｎ１＝２．１２、ｎ２＝２．１２、ｎ３＝１．００である。すなわち、ｎ１＝ｎ２＞ｎ０＞ｎ３の関係が満足されている。

この波長選択フィルタ２０１の製造方法について簡単に説明する。

（１）平板状の基板１０１ａにおける片側（ここでは、−Ｚ側）の面にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト層を形成する（図３０（Ａ）参照）。

（２）フォトレジスト層に所定の格子パターンを投影し、現像する。これにより、基板１０１ａの表面に格子状のレジストパターンが形成される（図３０（Ｂ）参照）。

（３）レジストパターンが形成された基板１０１ａをドライエッチング装置にセットし、レジストパターンをマスクとしてエッチングする。

（４）所望の深さまでエッチングされると、ドライエッチング装置から取り出し、レジストパターンを除去する（図３０（Ｃ）参照）。これによって、基板１０１ａの表面にＸ軸方向に関して矩形波形状の凹凸構造部が形成される。

（５）物理的気相成長法（ＰＶＤ）あるいは化学的気相成長法（ＣＶＤ）などを用いて、凹凸構造部の上に透明膜１０１ｂを形成する（図３０（Ｄ）参照）。

（６）透明膜１０１ｂが形成された基板１０１ａをドライエッチングし、凸部の上面及び凹部の底面にそれぞれ形成された透明膜１０１ｂを除去する（図３０（Ｅ）参照）。ドライエッチングでは条件によっては高い異方性でエッチングを行うことが可能であるため、プラズマ条件等を適切に選択することによって、凹凸構造部の側面のエッチングを抑えつつ垂直方向にエッチングを行うことが可能である。

上記のようにして製造された波長選択フィルタ２０１に、ＴＭ偏光の入射光が入射角０度で入射されたときの、入射光の波長と反射率との関係が図３１に示されている。ピーク波長は６２３ｎｍであった。また、ピーク波形における半値幅は３．７ｎｍであり、ピーク波長の約０．６％と極めて狭かった。また、ピーク波長からある程度離れた波長では、反射率は０．１以下であった。このことから、波長選択フィルタ２０１は、６２３ｎｍを中心とする狭帯域の波長選択フィルタとして機能するとともに、いわゆる非共鳴反射光の反射率が低いことが分かる。すなわち、所望の波長範囲内の光のみを反射するのに適している。

図３２には、波長選択フィルタ２０１に波長６２３ｎｍの光を入射したときの、入射角と反射率との関係が示されている。ピーク波形における半値幅は３．２度であった。すなわち、波長選択フィルタ２０１における入射角の許容範囲は、従来の波長選択フィルタにおける入射角の許容範囲よりも約６４倍広い。

従って、入射光が若干発散気味の光束、あるいは若干収束気味の光束であっても、高い光量の反射光を得ることができる。

また、波長選択フィルタ２０１では、入射光の入射角が０度からずれても、入射光の波長と反射率との関係において出現するピークは１つだけであった。

また、波長選択フィルタ２０１は、図３３及び図３４に示されるように、ピッチＰを変更することによっても、反射光のピーク波長を変更することができる。そこで、このことを利用して、波長選択フィルタ２０１と同様な構造及び特性を有し、用途に応じた反射帯域の波長選択フィルタを製造することができる。なお、図３３及び図３４では、ｔ０＝ｔ１＝ｔ２＝ｔ３の関係を維持したままピッチＰを変更している。

また、一例として、共鳴波長が６３０ｎｍの波長選択フィルタ３０１が、図３５に示されている。

この波長選択フィルタ３０１は、図３５に示されるように、前記波長選択フィルタ２０１における第３の層を屈折率１．２５の透明物質３０１ｂとしたものである。

ここでは、ｔ０＝１００ｎｍ、ｔ１＝１００ｎｍ、ｔ２＝１００ｎｍ、ｔ３＝１００ｎｍ、ｄ＝２００ｎｍである（図３６参照）。そこで、ピッチＰは４００ｎｍ、ランド幅Ｌは３００ｎｍ、フィルタリングファクタＦＦは０．７５（＝Ｌ／Ｐ）である。

そして、ｎ０＝１．４６、ｎ１＝２．１２、ｎ２＝２．１２、ｎ３＝１．２５、である。すなわち、ｎ１＝ｎ２＞ｎ０＞ｎ３の関係が満足されている。

この波長選択フィルタ３０１の製造方法について簡単に説明する。

（１）平板状の基板１０１ａにおける片側（ここでは、−Ｚ側）の面にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト層を形成する（図３７（Ａ）参照）。

（２）フォトレジスト層に所定の格子パターンを投影し、現像する。これにより、基板１０１ａの表面に格子状のレジストパターンが形成される（図３７（Ｂ）参照）。

（３）レジストパターンが形成された基板１０１ａをドライエッチング装置にセットし、レジストパターンをマスクとしてエッチングする。

（４）所望の深さまでエッチングされると、ドライエッチング装置から取り出し、レジストパターンを除去する（図３７（Ｃ）参照）。これによって、基板１０１ａの表面にＸ軸方向に関して矩形波形状の凹凸構造部が形成される。

（５）物理的気相成長法（ＰＶＤ）あるいは化学的気相成長法（ＣＶＤ）などを用いて、凹凸構造部の上に透明膜１０１ｂを形成する（図３７（Ｄ）参照）。

（６）透明膜１０１ｂが形成された基板１０１ａをドライエッチングし、凸部の上面と凹部の底面に形成された透明膜１０１ｂを除去する（図３８（Ａ）参照）。

（７）物理的気相成長法（ＰＶＤ）あるいは化学的気相成長法（ＣＶＤ）などを用いて、その上に透明物質３０１ｂの層を形成する（図３８（Ｂ）参照）。

（８）表面を覆っている透明物質３０１ｂをドライエッチングで除去する（図３８（Ｃ）参照）。

上記のようにして製造された波長選択フィルタ３０１に、ＴＭ偏光の入射光が入射角０度で入射されたときの、入射光の波長と反射率との関係が図３９に示されている。ピーク波長は６３０ｎｍであった。また、ピーク波形における半値幅は０．７ｎｍであり、ピーク波長の約０．１％と極めて狭かった。また、ピーク波長からある程度離れた波長では、反射率は０．１以下であった。このことから、波長選択フィルタ３０１は、６３０ｎｍを中心とする狭帯域の波長選択フィルタとして機能するとともに、いわゆる非共鳴反射光の反射率が低いことが分かる。すなわち、所望の波長範囲内の光のみを反射するのに適している。

図４０には、波長選択フィルタ３０１に波長６３０ｎｍの光を入射したときの、入射角と反射率との関係が示されている。ピーク波形における半値幅は１．４度であった。すなわち、波長選択フィルタ３０１における入射角の許容範囲は、従来の波長選択フィルタにおける入射角の許容範囲よりも約２８倍広い。

従って、入射光が若干発散気味の光束、あるいは若干収束気味の光束であっても、高い光量の反射光を得ることができる。

また、波長選択フィルタ３０１では、入射光の入射角が０度からずれても、入射光の波長と反射率との関係において出現するピークは１つだけであった。

また、波長選択フィルタ３０１は、図４１及び図４２に示されるように、ピッチＰを変更することによって、反射光のピーク波長を変更することができる。そこで、このことを利用して、波長選択フィルタ３０１と同様な構造及び特性を有し、用途に応じた反射帯域の波長選択フィルタを製造することができる。

ところで、上記波長選択フィルタ２０１と同じ構造で、透明膜の屈折率が１．３８５の場合の入射光の波長と反射率との関係が図４３に示されている。また、上記波長選択フィルタ２０１と同じ構造で、透明膜の屈折率が１．２５の場合の入射光の波長と反射率との関係が図４４に示されている。さらに、上記波長選択フィルタ１０１と同じ構造で、透明膜の屈折率が１．３８５の場合の入射光の波長と反射率との関係が図４５に示されている。いずれの場合も、透明膜の屈折率は、基板の屈折率よりも小さく、波長選択フィルタとして所望の光学特性を得ることができなかった。

上記波長選択フィルタ１０１、２０１、３０１、及び従来の波長選択フィルタ（従来例）の構造と光学特性が図４６にまとめて示されている。

なお、上記波長選択フィルタ１０１、２０１、３０１において、ピッチＰだけでなく、ランド幅Ｌ、ｔ０〜ｔ３、ｎ０〜ｎ３を調節することにより、反射光の波長域、該波長域の中心波長及び半値幅を変更することが可能である。但し、ｎ１＞ｎ０、ｎ２＞ｎ０の関係を満足する必要がある。

また、上記実施形態において、前記保持部材１０３に代えて、図４７（Ａ）〜図４７（Ｃ）に示される保持部材１０３´を用いても良い。この保持部材１０３´では、中央の開口部が円形であり、枠部（枠部１０３ａ´）はドーナツ状となっている。この場合には、波長選択フィルタを接着する際に、光軸中心から外周方向に向かって均一に張力が働くため、不要な歪を発生させることなく波長選択フィルタを接着することが可能となる。

また、上記実施形態では、凸部の幅ｔ０と第１の層の幅ｔ１と第２の層の幅ｔ２と第３の層の幅ｔ３とが互いに等しい場合について説明したが、これに限定されるものではない。要求される光学特性（反射光の波長域、該波長域の中心波長及び半値幅など）に応じて変更しても良い。

また、上記実施形態では、第１の層の材料と第２の層の材料が同じ場合について説明したが、これに限定されるものではない。ｎ１＞ｎ０及びｎ２＞ｎ０の関係が満足されれば、第１の層の材料と第２の層の材料とが異なっていても良い。

また、上記実施形態では、基板１０１ａの材料が石英（ＳｉＯ_２）の場合について説明したが、これに限定されるものではない。ｎ１＞ｎ０＞ｎ３及びｎ２＞ｎ０＞ｎ３の関係が満足されれば、基板１０１ａの材料が石英（ＳｉＯ_２）でなくても良い。

また、上記実施形態において、凹凸構造部のＹ軸方向に垂直な断面形状が台形であっても良いし、少なくとも１つの角が面取りされた形状であっても良い。

また、上記実施形態において、波長選択フィルタ１０１に対する入射光の入射角を変更する必要がない場合には、前記駆動機構１０５はなくても良い。この場合には、前記保持部材１０３は光源装置１０の不図示の筐体に固定され、光源装置１０から出力される光束の波長域及び該波長域の中心波長は一定となる。

なお、特定波長範囲内の光を必要とする光学装置に上記光源装置１０を用いることにより、高コスト化を招くことなく、所望の光学特性を得ることが可能となる。

また、互いに波長が異なる複数の光が混在する光束が入力され、該入力された光束から特定波長範囲内の光を分離する光学系を備える装置において、その光学系が上記波長選択フィルタ１０１、２０１、３０１のいずれかを有していても良い。この場合には、高コスト化を招くことなく、従来よりも装置本来の特性を向上させることができる。

図４８には、本発明の一実施形態に係る屈折率センサ５００が示されている。この屈折率センサ５００は、光源５０１、カップリングレンズ５０２、光学素子５０３、上記波長選択フィルタ１０１、及び検出装置５０５などを備えている。屈折率の検出対象である対象物６００は、光学素子５０３と波長選択フィルタ１０１との間であって、波長選択フィルタ１０１に接する位置にセットされるようになっている。ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系において、カップリングレンズ５０２の光軸方向をＺ軸方向として説明する。

光源５０１は、いわゆる白色光を出力する光源である。カップリングレンズ５０２は、光源５０１からの光束を略平行光とする。光学素子５０３は、カップリングレンズ５０２を介した光束を直線偏光とする。この光学素子５０３を介した光束が対象物６００に照射される。ここでは、光学素子５０３を介した光束は、入射角０度で対象物６００に入射するようになっている。

波長選択フィルタ１０１には、対象物６００を透過した光束が入射される。このとき、対象物６００の屈折率に応じた入射角で波長選択フィルタ１０１に入射する。そして、波長選択フィルタ１０１は、入射角に応じた波長の光束を選択的に反射する。波長選択フィルタ１０１で反射された光束は、反射ミラー５０４を介して検出装置５０５に入射される。

検出装置５０５は、分光器を有しており、該分光器で入射光束のピーク波長を求める。そして、検出装置５０５は、該ピーク波長に基づいて、対象物６００を透過した光束の波長選択フィルタ１０１への入射角を求める。さらに、検出装置５０５は、該入射角から対象物６００の屈折率を求める。

このように、屈折率センサ５００は、前述した波長選択フィルタ１０１を備えているため、結果として高コスト化を招くことなく、対象物の屈折率を精度良く検出することが可能となる。

なお、波長選択フィルタ１０１に代えて、前記波長選択フィルタ２０１あるいは前記波長選択フィルタ３０１を用いても良い。

以上説明したように、本発明の波長選択フィルタによれば、光の入射角の許容範囲が広く、高い波長選択性を実現するのに適している。また、本発明のフィルタ装置によれば、高コスト化を招くことなく、容易に所望の波長の光を反射するのに適している。また、本発明の光源装置によれば、高コスト化を招くことなく、容易に所望の波長の光を出力するのに適している。また、本発明の光学装置によれば、高コスト化を招くことなく、所望の光学特性を得るのに適している。また、本発明の屈折率センサによれば、高コスト化を招くことなく、対象物の屈折率を精度良く検出するのに適している。

本発明の一実施形態に係る光源装置の概略図である。 図１におけるフィルタ装置を説明するための図（その１）である。 図１におけるフィルタ装置を説明するための図（その２）である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２における波長選択フィルタ１０１を説明するための図である。 図５の一部を拡大した図である。 波長選択フィルタ１０１の各層を説明するための図である。 図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は、それぞれ波長選択フィルタ１０１の製造方法を説明するための図である。 図８（Ｂ）の斜視図である。 図８（Ｃ）の斜視図である。 波長選択フィルタ１０１における入射光の波長と反射率との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ１０１における入射光の入射角と反射率との関係を説明するための図である。 比較例の波長選択フィルタを説明するための図である。 比較例の波長選択フィルタにおける入射光の入射角と反射率との関係を説明するための図である。 図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、それぞれ比較例の波長選択フィルタにおける入射角が０度からずれたときの入射光の波長と反射率との関係を説明するための図である。 比較例の波長選択フィルタにおける入射角と反射光のピーク波長との関係を説明するための図である。 図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）は、それぞれ図２における保持部材を説明するための図である。 波長選択フィルタと保持部材の接着を説明するための図である。 図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）は、それぞれ図２における回動支持部材を説明するための図である。 回動支持部材による保持部材の支持を説明するための図（その１）である。 回動支持部材による保持部材の支持を説明するための図（その２）である。 図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）は、それぞれ保持部材の回動を説明するための図である。 波長選択フィルタ１０１における各入射角での入射光の波長と反射率との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ１０１における入射角と反射光のピーク波長との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ１０１における各ピッチでの入射光の波長と反射率との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ１０１におけるピッチと反射光のピーク波長との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ２０１を説明するための図である。 図２７の一部を拡大した図である。 波長選択フィルタ２０１の各層を説明するための図である。 図３０（Ａ）〜図３０（Ｅ）は、それぞれ波長選択フィルタ２０１の製造方法を説明するための図である。 波長選択フィルタ２０１における入射光の波長と反射率との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ２０１における入射光の入射角と反射率との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ２０１における各ピッチでの入射光の波長と反射率との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ２０１におけるピッチと反射光のピーク波長との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ３０１を説明するための図である。 波長選択フィルタ３０１の各層を説明するための図である。 図３７（Ａ）〜図３７（Ｄ）は、それぞれ波長選択フィルタ３０１の製造方法を説明するための図（その１）である。 図３８（Ａ）〜図３８（Ｃ）は、それぞれ波長選択フィルタ３０１の製造方法を説明するための図（その２）である。 波長選択フィルタ３０１における入射光の波長と反射率との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ３０１における入射光の入射角と反射率との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ３０１における各ピッチでの入射光の波長と反射率との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタ３０１におけるピッチと反射光のピーク波長との関係を説明するための図である。 波長選択フィルタの比較例１を説明するための図である。 波長選択フィルタの比較例２を説明するための図である。 波長選択フィルタの比較例３を説明するための図である。 各波長選択フィルタの違いを説明するための図である。 図４７（Ａ）〜図４７（Ｃ）は、それぞれ保持部材の変形例を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る屈折率センサの概略図である。

符号の説明

１０…光源装置、１３…カップリングレンズ（光学素子）、１５…光学フィルタ装置（フィルタ装置）、２０…光学系、１０１…波長選択フィルタ、１０１ａ…基板、１０１ｂ…透明膜（第１の層、第２の層）、１０３…保持部材（回動機構の一部）、１０４…回動支持部材（回動機構の一部）、１０５…駆動機構（回動機構の一部）、２０１…波長選択フィルタ、３０１…波長選択フィルタ、３０１ｂ…透明物質（第３の層）、５００…屈折率センサ、５０１…光源、５０２…カップリングレンズ（第１の光学素子）、５０３…光学素子（第２の光学素子）、５０５…検出装置、６００…対象物。

Claims (11)

1. 入射光に含まれる特定波長の光を選択的に共鳴反射する波長選択フィルタであって、
   前記入射光が入射する面に形成され、一の軸方向に関して矩形波形状の凹凸構造部を有する基板と；
   前記一の軸方向に関して、前記凹凸構造部における各凸部の一側の面を覆う第１の層と、前記各凸部の他側の面を覆う第２の層とを含む多層構造体と；を有し、
   前記第１の層の屈折率及び前記第２の層の屈折率は、いずれも前記基板の屈折率よりも大きいことを特徴とする波長選択フィルタ。
2. 前記第１の層の屈折率と前記第２の層の屈折率は等しいことを特徴とする請求項１に記載の波長選択フィルタ。
3. 前記多層構造体は、前記一の軸方向に関して、前記第１の層と前記第２の層との間に位置する第３の層を有し、
   前記第３の層の屈折率は、前記基板の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択フィルタ。
4. 前記第３の層は、空気の層であることを特徴とする請求項３に記載の波長選択フィルタ。
5. 前記一の軸方向に関して、前記凹凸構造部における凸部の幅、前記第１の層の幅、前記第２の層の幅、及び前記第３の層の幅は、いずれも互いに等しいことを特徴とする請求項３又は４に記載の波長選択フィルタ。
6. 前記凹凸構造部における凸部の高さは、該凸部の前記一の軸方向に関する幅の２倍であることを特徴とする請求項５に記載の波長選択フィルタ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長選択フィルタと；
   前記波長選択フィルタを、前記基板の表面に平行で前記一の軸方向に直交する軸まわりに回動させる回動機構と；を備えるフィルタ装置。
8. 光源と；
   前記光源からの光束を略平行光とする光学素子と；
   前記光学素子を介した光束が入射される請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長選択フィルタと；を備え、
   前記波長選択フィルタで反射された光束を出力することを特徴とする光源装置。
9. 光源と；
   前記光源からの光束を略平行光とする光学素子と；
   前記光学素子を介した光束が入射される請求項７に記載のフィルタ装置と；を備え、
   前記フィルタ装置の波長選択フィルタで反射された光束を出力することを特徴とする光源装置。
10. 請求項８又は９に記載の光源装置と；
    前記光源装置から出力された光束が入射される光学系と；を備える光学装置。
11. 対象物の屈折率を検出するための屈折率センサであって、
    光源と；
    前記光源からの光束を略平行光とする第１の光学素子と；
    前記第１の光学素子を介した光束を直線偏光とする第２の光学素子と；
    前記第２の光学素子から射出され、対象物を透過した光束が入射される請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長選択フィルタと；
    前記波長選択フィルタで反射された光束のピーク波長を求め、該ピーク波長に基づいて前記対象物の屈折率を検出する検出装置と；を備える屈折率センサ。

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