JP2015099295A - 光学フィルタ、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入射角依存性が小さな光学フィルタを実現すること。
【解決手段】光学フィルタは、ＳｉＯ₂ からなる基板１０と、基板１０上にＳｉからなる第１層１１ａ、ｂ、ＳｉＯ₂ からなる第２層１２、Ｓｉからなる第１層１１ｂ、ＳｉＯ₂ からなる第３層１３の順に積層された積層構造と、を有している。光学フィルタは、その積層構造による干渉によって設計波長λ（＝８７０ｎｍ）、設計入射角度θ（＝５０°）の光を透過するバンドパスフィルタとして動作する。第１層１１ａ、ｂは、設計波長λ近傍のある波長よりも短波長側を吸収する材料であるＳｉからなる。第１層１１ａ、ｂの膜厚は２１０ｎｍであり、第２層の膜厚は１８０ｎｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、設計波長の光を透過させる光学フィルタおよびその製造方法に関する。特に、透過スペクトルの透過ピークの入射角依存性が小さいことに特徴を有するものに関する。

近年、赤外線センサがさまざまな用途で用いられている。その赤外線センサのＳＮ比を向上させて高精度にする目的で、赤外線センサに入射する光のうち外乱光をカットする光学フィルタが使用されている。

そのような光学フィルタ、すなわち、所望の波長帯域を透過させ、他の波長帯域は透過させないバンドパスフィルタとして動作する光学フィルタには、以下の３つのものが挙げられる。

１つは、色素系材料を用いた光学フィルタである（特許文献１参照）。色素系のレジストをカラーＣＣＤなどの画素上に塗布してカラーフィルタとする方法が、液晶ディスプレイに広く用いられている。このような光学フィルタは、主として可視光領域を透過させるものである。

他の１つは、誘電体多層膜を用いた光学フィルタである（特許文献２〜４参照）。誘電体多層膜は、屈折率の異なる２つの誘電体を交互に複数回繰り返し積層させた構造であり、各層の厚さを所定の値とすることで、所望の波長の光を反射あるいは透過させることができる。特許文献３、４には、一方の誘電体としてＳｉを用いることが記載されており、これにより透過領域が赤外線領域である光学フィルタを実現している。

他の１つは、表面プラズモン共鳴を利用した光学フィルタである（特許文献５〜１０）。この光学フィルタは、周期的構造を有する金属層を有した構造であり、金属と誘電体との界面で生じる表面プラズモン共鳴を利用する。周期的構造の周期長を調整したり、ホールやドットの形状を工夫することによって、所望の透過域を得たり、プラズモン増強による透過率の向上が試みられている。

特開２０１０−１３４３５３ 特開２００８−５３８３ 特開２０１３−５４３６８ 特開２０１０−１８６１４５ 特開２００８−２７００６１ 特開２００６−５０９３５８ 特開２０００−１１１８５１ 特開２００７−２５８６５７ 特開２０１０−１６０２１２ 特開２０１１−１７１５１９

しかし、特許文献１のような色素系材料を用いた光学フィルタは、紫外線により特性が劣化してしまうなど耐環境性が悪いという欠点がある。また、赤外線領域において特性のよい材料がない。

また、特許文献２〜４のような誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、透過スペクトルの透過ピークの入射角依存性が大きく、入射角（光学フィルタ主面に垂直方向に対する角度）が大きくなると透過ピークが短波長側にシフトしてしまう問題がある。また、透過帯域を狭くするためには１０層以上積層させる必要があり、作製が容易でなく高コストである。

また、特許文献５〜１０のような表面プラズモン共鳴を利用した光学フィルタは、透過率を高くしたり透過帯域を狭くしたりすることが難しい。また、入射角度によって透過波長が変化する問題もある。

このように従来の光学フィルタでは、入射角依存性が小さく、耐環境性に優れたものを実現することが困難であった。

そこで本発明の目的は、入射角依存性が小さく、耐環境性に優れた光学フィルタを提供することである。

本発明は、複数の第１層と、各第１層の間に位置し、第１層とは異なる屈折率の第２層とにより構成される積層構造を有し、その積層構造による干渉によって設計波長λの光を透過させる光学フィルタであって、第１層の層数は、２または３であり、第１層は、設計波長近傍のある波長よりも長波長側あるいは短波長側を透過せず、他の波長帯域は透過する材料であり、第２層は、設計波長の光を透過する材料であり、かつ、第１層よりも屈折率の低い材料である、ことを特徴とする光学フィルタである。

本発明の光学フィルタにおいて透過させたい波長、所望の波長λは、紫外線から遠赤外線までの任意の波長でよいが、特に近赤外線（７００〜２５００ｎｍ）であることが望ましい。設計波長がこの範囲であれば、より容易に本発明の光学フィルタを作製することができる。また、設計波長がこの範囲であれば、入射角を０°から８０°まで変化させたときの透過波長ピークのシフト量を５０ｎｍ以下とすることができる。また、設計入射角度は２０〜７０°であることが望ましい。本発明の光学フィルタは、このような設計入射角度においても良好なバンドパスフィルタの特性を示す。

第１層の材料は、設計波長近傍のある波長より短波長側あるいは長波長側において吸収する材料であり、その波長帯域において透過率は２０％以下が望ましく、さらに望ましくは１０％以下である。さらに第１層の材料は上記波長帯域以外において、透過率は４０％以上であることが望ましく、より望ましくは５０％以上である。たとえば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｓｂ₂ Ｓ₃ 、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、などの半導体材料を設計波長に応じて用いることができる。これら半導体材料には不純物をドープとして吸収端を制御してもよい。

第２層の材料は、設計波長の光を透過し第１層よりも屈折率の低い任意の材料を用いることができる。たとえば、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＴｉＯ₂ 、ＭｇＯなどの酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、などの窒化物、ＳｉＯＮなどの酸窒化物、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＬｉＦなどのフッ化物、を用いることができる。なお、本発明書において屈折率とは、特に断りのない限り、設計波長における複素屈折率の実部を言うものとする。第２層の設計波長λにおける透過率は９０％以上であることが望ましい。

また、第１層の屈折率は３以上とすることが望ましい。第１層の屈折率が大きいと、第１層を透過する光の角度は、入射角度の変化しても変動が小さくなるため、本発明の光学フィルタの入射角依存性をより低減することができる。

積層構造の最上層である第１層上に、キャップ層である第３層を設けてもよい。キャップ層は、第１層の酸化などを防止して耐環境性を高めるとともに、本発明の光学フィルタの設計波長における透過率を向上させるためのものである。第３層の材料は、設計波長の光を透過し第１層よりも屈折率の低い任意の材料を用いることができる。第２層と異なる材料を用いてもよいが、同一の材料を用いることが好ましい。光学フィルタの設計、製造を容易にし、また、設計波長における透過率をより向上させることができる。

光学フィルタの設計入射角をθ、ｎ１、ｎ２はそれぞれ第１層、第２層の屈折率、ｄ１、ｄ２はそれぞれ第１層、第２層の厚さ、θ１、θ２はそれぞれ第１層、第２層を透過する光が第１層、第２層主面に垂直な方向に対して成す角度、として、第１層の光学膜厚ｎ１・ｄ１は、（λ／２）・ｃｏｓθ１の整数倍、ここで、ｓｉｎθ＝ｎ１・ｓｉｎθ１、第２層の光学膜厚ｎ２・ｄ２は、（λ／４）・ｃｏｓθ２の奇数倍、ここで、ｓｉｎθ＝ｎ２・ｓｉｎθ２、とすることが望ましい。第１層と第２層の厚さをこのように設計することで、設計入射角θで入射する設計波長λの光の透過率を向上させることができ、入射角依存性をより小さくすることができる。特に、第１層の光学膜厚を（λ／２）・ｃｏｓθ１またはλｃｏｓθ１、第２層の光学膜厚を（λ／４）・ｃｏｓθ２とすることが望ましい。設計が容易となり、設計入射角θで入射する設計波長λの光の透過率もより向上させることができる。

また、本発明の光学フィルタは入射角依存性が小さいため、設計入射角θによらずに第１層、第２層の光学膜厚を設計してもよい。第１層の光学膜厚をλ／２の整数倍とし、第２層の光学膜厚をλ／４の奇数倍とすることが望ましい。設計波長λの光の透過率を向上させることができる。特に、第１層の光学膜厚をλ／２、第２層の光学膜厚をλ／４とすることが望ましい。設計が容易となり、設計波長λの光の透過率もより向上させることができる。

また、他の本発明は、複数の第１層と、各第１層の間に位置し、第１層とは異なる屈折率の第２層と、により構成される積層構造を有し、その積層構造による干渉によって設計波長λで設計入射角θの光を透過させる光学フィルタを製造する方法であって、第１層の層数は、２または３であり、第１層は、設計波長近傍のある波長よりも長波長側あるいは短波長側を吸収する材料であり、第２層は、設計波長の光を透過する材料であり、かつ、第１層よりも屈折率の低い材料であり、第１層は、その光学膜厚ｎ１・ｄ１が、（λ／２）・ｃｏｓθ１の整数倍、ここで、ｓｉｎθ＝ｎ１・ｓｉｎθ１、となるように形成し、第２層は、その光学膜厚ｎ２・ｄ２が、（λ／４）・ｃｏｓθ２の奇数倍、ここで、ｓｉｎθ＝ｎ２・ｓｉｎθ２、となるように形成する、ことを特徴とする光学フィルタの製造方法である。

本発明の光学フィルタでは、光の干渉を生じさせる積層構造において、第１層の層数を２または３として、第１層による吸収を抑え、製造工程数を抑えることにより、透過ピークにおける透過率が高く、かつ製造の容易なバンドパスフィルタを構成している。

また、第１層の材料として、設計波長近傍のある波長より短波長側あるいは長波長側において吸収する材料を用いている。吸収は入射角依存性がなく、設計波長近傍よりも短波長側あるいは長波長側では、入射角度によらず透過率が抑制される。これにより、入射角度の増大による短波長側への透過ピークのシフトが抑えられ、光学フィルタの入射角依存性が低減される。

また、本発明の光学フィルタは、色素系材料のような有機材料を用いていないため耐環境性も高い。また、積層構造の積層数が少ないため作製が容易であり、低コストに作製することができる。

実施例１の光学フィルタの構成を示した図。 実施例１の光学フィルタの透過スペクトルを示した図。 比較例１の光学フィルタの透過スペクトルを示した図。 比較例１の光学フィルタの構成を示した図。 実施例２の光学フィルタの構成を示した図。 実施例２の光学フィルタの透過スペクトルを示した図。 比較例２の光学フィルタの構成を示した図。 比較例２の光学フィルタの透過スペクトルを示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の光学フィルタの構成を示した図である。図１のように、実施例１の光学フィルタは、基板１０と、基板１０上に第１層１１ａ、第２層１２、第１層１１ｂ、第３層１３の順に積層された積層構造と、を有している。

この実施例１の光学フィルタは、入射角度５０°、波長８７０ｎｍの光を透過させるバンドパスフィルタとして動作するものである。なお、入射角度は基板１０主面に垂直な方向と、光の入射方向との成す角である。

基板１０は、アモルファスのＳｉＯ₂ （溶融石英）からなる厚さ１ｍｍの平板状である。平面視での形状は、矩形、円など任意の形状でよい。厚さは１ｍｍに限らず、他の層と干渉しない厚さであれば任意である。また材料は、ＳｉＯ₂ 以外にも、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＴｉＯ₂ 、ＭｇＯなどの酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、などの窒化物、ＳｉＯＮなどの酸窒化物、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＬｉＦなどのフッ化物、などの硫化物を用いることができる。作製の容易さの点から、第２層１２や第３層１３と同一材料とすることが望ましい。

実施例１の光学フィルタについて、基板１０裏面（第１層１１ａが接している面とは反対側の面）から光を入射させて使用する場合には、基板１０裏面にその裏面での反射を防止するための構造、たとえば裏面にＡＲコートやモスアイ構造の層を設けてもよい。フィルム状のＡＲコートやモスアイ構造の膜を張り付けてもよい。

第１層１１ａは、基板１０上に接して位置している。また、第１層１１ｂは、第２層１２上に接して位置している。第１層１１ａ、ｂはアモルファスのＳｉ（屈折率およそ４）からなり、厚さ２１０ｎｍである。この厚さとした理由については後述する。

第１層１１ａ、ｂの材料にはＳｉ以外にも、基板１０よりも屈折率が高く、かつ、設計波長λ近傍のある波長より短波長側あるいは長波長側において吸収（望ましくは透過率が２０％以下、さらに望ましくは１０％以下）する材料であれば任意の材料を用いることができる。吸収する帯域以外の帯域ではなるべく透過率が高い材料が好ましい。設計波長λ近傍とは、たとえば０．７５λから１．２５λの範囲である。Ｓｉは８００ｎｍ以下の波長帯域の光を吸収し透過率０〜１０％であるから、確かに設計波長λ（＝８７０ｎｍ）の近傍の８００ｎｍより短波長側を吸収する材料であり、この条件を満たしている。なお、吸収する帯域の幅は、光学フィルタにおいて使用する波長帯域をカバーする範囲であればよい。

Ｓｉ以外には、たとえば、第１層１１ａ、ｂの材料として半導体を用いることができ、Ｓｉ以外にＧｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｓｂ₂ Ｓ₃ 、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、などを用いることができる。また、ＧａＡｓ、ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＺｎＯなどのＩＩ−ＶＩ族半導体、ＩＴＯなどの酸化物半導体を用いることも可能である。不純物をドープすることにより吸収端を制御してもよい。

また、第１層１１ａ、ｂは、なるべく屈折率の大きな材料が望ましく、屈折率が３以上の材料が望ましい。実施例１の第１層１１ａ、ｂの材料として用いているアモルファスＳｉは屈折率がおよそ４であり、これを満たす材料である。屈折率を大きくすると、光学フィルタへの入射角の変動に対して、第１層１１ａ、ｂ中を透過する光の第１層１１ａ、ｂ主面に対する角度の変動が小さくなるため、入射角依存性が低減される。

第２層１２は、第１層１１ａ、ｂの間に、それぞれに接して位置している。第２層１２は、屈折率１．３５のアモルファスのＳｉＯ₂ からなり、厚さ１８０ｎｍである。この厚さとした理由については後述する。

なお、第２層１２の材料は、ＳｉＯ₂ 以外にも、設計波長λの光を透過し、かつ第１層１１ａ、ｂよりも屈折率の低い材料であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、ＳｉＯ₂ 以外にも、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＴｉＯ₂ 、ＭｇＯなどの酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、などの窒化物、ＳｉＯＮなどの酸窒化物、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＬｉＦなどのフッ化物、を用いることができる。ただし、光学フィルタの設計波長λにおける透過率を向上させるために第２層１２の設計波長λにおける透過率はなるべく高いことが望ましく、９０％以上であることが望ましい。

第３層１３は、ＳｉＯ₂ からなり、厚さ１μｍ以上である。この第３層１３は、第１層１１ｂの酸化を防止するなど耐環境性の向上を目的として設けたものであり、第１層１１ｂ表面を覆うようにして設けたものである。厚さを１μｍ以上としているのは、設計波長以上の厚さとすることで他の層との干渉が生じないようにするためである。

なお、第３層１３は必ずしも基板１０や第２層１２と同一材料とする必要はなく、他の材料によって形成してもよい。たとえば、ＳｉＯ₂ 以外にも、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＴｉＯ₂ 、ＭｇＯなどの酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、などの窒化物、ＳｉＯＮなどの酸窒化物、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＬｉＦなどのフッ化物、を用いることができる。また、耐環境性をさほど必要としない場合や、他の方法によって耐環境性を補う場合などには、第３層１３自体を必ずしも設ける必要はない。

また、実施例１の光学フィルタについて、第３層１３表面から光を入射させて使用する場合には、第３層１３表面に、その表面での光の反射を防止するための構造、たとえば表面にＡＲコートやモスアイ構造の層を設けてもよい。ＡＲコートやモスアイ構造の層としてフィルム状のものを用い、第３層１３表面に張り付けるようにしてもよい。

第１層１１ａ、ｂ、第２層１２、第３層１３は、結晶、多結晶、アモルファスのいずれの状態であってもよいが、形成の容易さや透過率の向上などの点からはアモルファスが望ましい。

第１層１１ａ、ｂおよび第２層１２の厚さは、基板１０裏面側から入射角５０°で入射する波長８７０ｎｍの光を透過させることを狙いとして、次のようにして設計した。

まず、第１層１１ａの厚さは、８７０ｎｍの光の透過率が最も高くなるように設計した。すなわち、
ｎ１・ｄ１／ｃｏｓθ１＝ｍ・λ／２・・・ （１）
を満たすようにした。式（１）の左辺ｎ１・ｄ１／ｃｏｓθ１は、第１層１１ａを透過する光の光学距離を表わしている。ここで、ｎ１は第１層１１ａの屈折率、ｄ１は第１層１１ａの厚さ、θ１は第１層１１ａを透過する光の厚さ方向に対する角度（第１層１１ａ主面に対する角度）、λは設計波長、ｍは自然数である。厚さｄ１がこの式を満たすとき、基板１０と第１層１１ａとの界面での反射と、第１層１１ａと第２層１２との界面での反射が打ち消すため、第１層１１ａの透過率は最大となる。

基板１０裏面から入射角５０°で光が入射した場合（設計入射角度θが５０°の場合）、空気の屈折率はおよそ１、Ｓｉの屈折率はおよそ４であるから、ｓｉｎθ＝ｎ１・ｓｉｎθ１より、θ１は１１°となる。また、λは８７０ｎｍであるから、式（１）より、ｄ１＝１０５ｎｍ（ｍ＝１のとき）、２１０ｎｍ（ｍ＝２のとき）となる。実施例１では、Ｓｉによる短波長側の吸収によって透過帯域幅がより狭くなるように、ｄ１として２１０ｎｍを採用した。

第１層１１ｂについても、同様の理由によって、膜厚を２１０ｎｍとした。

次に、第２層１２の厚さは、光学フィルタの透過スペクトルにおいて通過帯域幅（透過スペクトルのピークの半値幅）がより狭くなるように設計した。すなわち、
ｎ２・ｄ２／ｃｏｓθ２＝（２ｍ−１）・λ／４・・・ （２）
を満たすようにした。式（２）の左辺は、第２層１２を透過する光の光学距離を表わしている。また、ｎ２は第２層１２の屈折率、ｄ２は第２層１２の厚さ、θ２は第２層１２を透過する光の厚さ方向に対する角度、λは設計波長、ｍは自然数である。空気の屈折率はおよそ１、ＳｉＯ₂ の屈折率はおよそ１．４５であるから、ｓｉｎθ＝ｎ２・ｓｉｎθ２より、θ２は３１．９°となる。実施例１では、透過率向上のため式（２）において第２層が最も薄くなるｍ＝１とし、ｄ２として１８０ｎｍを採用した。

以上のように第１層１１ａ、ｂ、第２層１２の厚さを設計することにより、入射角度５０°、波長８７０ｎｍの光を選択的かつ効率的に透過させることができるようにした。

なお、設計入射角度への最適化を必要としない場合、たとえば比較的入射角度の変化の小さい条件での使用を想定している場合や、入射角度が０°に比較的近い範囲で使用を想定している場合などには、次のようにして第１層１１ａ、ｂ、第２層１２の厚さを設計してもよい。

第１層１１ａ、ｂの厚さｄ１は、
ｎ１・ｄ１＝ｍ・λ／２・・・ （３）
を満たすように設計してもよく、第２層１２の厚さｄ２は、
ｎ２・ｄ２＝（２ｍ−１）・λ／４・・・ （４）
を満たすように設計してもよい。式（３）、（４）においてｎ１、ｎ２、ｍ、λは式（１）、（２）と同様である。

このように第１層１１ａ、ｂおよび第２層１２の厚さを設計した場合、透過ピークにおける透過率が低下する場合があるが、入射角依存性が小さい特性は変わりがない。また、入射角度を考慮しなくてもよいため設計がより容易である。

次に、実施例１の光学フィルタの製造方法について説明する。

この実施例１の光学フィルタは、Ｓｉ半導体プロセスを流用して容易に作製することができる。たとえば以下のようにして作製することができる。まず、石英基板である基板１０上に、高周波スパッタ法を用いてＳｉからなる厚さ２１０ｎｍの第１層１１ａ、ＳｉＯ₂ からなる厚さ１８０ｎｍの第２層１２、Ｓｉからなる厚さ２１０ｎｍの第１層１１ｂを順に形成する。次に、第１層１１ｂ上に、ＳｉＯ₂ からなる第３層１３を厚く形成する。第１層１１ａ、ｂの形成において、ターゲットは多結晶シリコンとし、アルゴン雰囲気で成膜する。また、第２層１２、第３層１３の形成において、ターゲットは溶融石英板とし、アルゴンと酸素の混合雰囲気（酸素は１０％）で成膜する。以上により、実施例１の光学フィルタを作製することができる。

なお、スパッタの条件は上記に限るものではなく、従来知られている任意の条件により形成してもよい。また、スパッタ法に限らず、真空蒸着法、ＣＶＤ法など、従来ＳｉやＳｉＯ₂ の成膜方法として知られている任意の方法によって成膜してよい。

次に、実施例１の光学フィルタの動作原理について説明する。

実施例１の光学フィルタは、Ｓｉからなる層（第１層１１ａ、ｂ）とＳｉＯ₂ からなる層（第２層１２）が、所定の厚さで交互に繰り返し積層された積層構造を有しており、光の干渉によってバンドパスフィルタとして動作するようにしている。バンドパスフィルタとは、所定の波長帯域を透過し、他の帯域は透過が抑制された透過特性である。

ここで、実施例１の光学フィルタでは、第１層１１の層数を２に限定することで、第１層１１による光の吸収を抑え、製造工程数を抑えている。これにより、透過ピークにおける透過率が高く、かつ製造の容易な光学フィルタを実現している。

また、実施例１の光学フィルタでは、第１層１１ａ、ｂとして、設計波長８７０ｎｍ近傍である８００ｎｍ以下の波長帯域は吸収し、他の帯域は透過する材料であるＳｉを用いている。ここで、Ｓｉによる光の吸収には入射角依存性がない。そのため、設計波長近傍より短波長側の透過率は、入射角度に依らずに抑えられる。光学フィルタの透過スペクトルの透過ピークは、通常入射角度が大きくなるにつれて短波長側へとシフトするが、そのシフト量は入射角度によらないＳｉの吸収によって低減される。その結果として、入射角依存性の小さな光学フィルタを実現することができる。

図２は、実施例１の光学フィルタの透過スペクトルを測定した結果を示したグラフである。入射角度は０°から８０°まで１０°刻みで変化させて測定した。

図２のように、入射角度が０°のとき、波長５００〜１２００ｎｍの範囲において９００ｎｍに透過率３４％の透過ピークを有し、ピークの半値幅が５０ｎｍであり、８００ｎｍ以下および１０００ｎｍ以上の波長帯域において透過率１０％以下の特性であった。つまり、設計波長９００ｎｍとするバンドパスフィルタとしての特性を示していた。また、１０〜８０°の入射角度においても同様にバンドパスフィルタの特性を示していた。特に、入射角が５０°の場合に透過ピークは８９０ｎｍであり、設計波長８７０ｎｍの付近に透過ピークが生じており、設計入射角度に応じた最適化ができていることがわかった。

また、入射角度が０°から８０°へと大きくなるにつれて透過ピークは短波長側へシフトしていた。入射角度８０°では波長８５０ｎｍに透過率２０％の透過ピークを有する特性であった。つまり、入射角度が０°から８０°まで変化したときに、透過ピークは波長９００ｎｍから８５０ｎｍへと５０ｎｍシフトしており、入射角依存性が小さいことがわかった。ただし、透過ピークでの透過率は３４％から２０％に減少していた。

［比較例１］
比較例１として、図４に示すような構成の光学フィルタを作製した。比較例１の光学フィルタは、ＳｉＯ₂ からなる基板（石英基板）１００上に、光学膜厚がλ／４のＴｉＯ₂ からなる高屈折率層１０１と、光学膜厚がλ／４のＳｉＯ₂ からなる低屈折率層１０２を交互に２回繰り返し積層し、次に光学膜厚がλ／２のＴｉＯ₂ からなる高屈折率層１０３を積層し、さらにその上に低屈折率層１０２と高屈折率層１０１を交互に２回繰り返し積層し、最後にＳｉＯ₂ からなるキャップ層１０４を積層した構造である。また、設計波長λは８７０ｎｍとした。この積層構造による光の干渉により、波長λの光を選択的に透過するバンドパスフィルタとして動作するようにしている。

図３は、比較例１の光学フィルタの透過スペクトルを測定した結果を示したグラフである。入射角度は０°から８０°まで１０°刻みで変化させて測定した。

図３のように、半値幅が狭く、ピークにおける透過率が１００％に近いフィルタを実現できている。しかし、入射角度が０°から８０°まで変化させると、透過ピークは波長９７０ｎｍから８００ｎｍまで大きく変化している。また、設計波長よりも短波長側に離れたところにも透過ピークが出現しており、また波長１１００ｎｍ以上における透過率が上昇している。

このように、比較例１の光学フィルタは、バンドパスフィルタとしての特性が十分でなく、入射角依存性も大きかった。

図５は、実施例２の光学フィルタの構成を示した図である。実施例２の光学フィルタは、実施例１の光学フィルタにおいて、第１層１１ｂと第３層１３の間に、第２層２２、第１層２１を第１層１１ｂ側から順に積層させた構造を加えたものである。それ以外の構成は実施例１の光学フィルタと同様である。また、第１層２１は第１層１１ａ、ｂと同一の材料、厚さであり、第２層２２は第２層１２と同一の材料、厚さである。すなわち、実施例２の光学フィルタは、実施例１の光学フィルタの積層構造の積層数を２から３に１つ増やした構造である。

図６は、実施例２の光学フィルタの透過スペクトルを測定した結果を示したグラフである。入射角度は０°から８０°まで１０°刻みで変化させて測定した。

図６のように、実施例２の光学フィルタの透過スペクトル形状は、実施例１の光学フィルタの透過スペクトル形状とほぼ同様であった。すなわち、波長９００ｎｍ付近に透過ピークを有するバンドパスフィルタとして機能していることがわかった。また、透過ピークは入射角度が大きくなるほど短波長側にシフトしているが、そのシフト量はおよそ５０ｎｍであった。ただし、実施例１の光学フィルタに比べて透過率が下がっており、Ｓｉからなる層である第１層２１を増やしたことによる吸収の影響が大きくなっていている。

［比較例２］
図７は、比較例２の光学フィルタの構成を示した図である。比較例２の光学フィルタは、実施例２の光学フィルタにおいて、第１層２１と第３層１３の間に、さらに第２層２０２と第１層２０１を第１層２１側から順に積層させた構造を設けたものである。それ以外の構成は実施例２の光学フィルタと同様である。また、第１層２０１は第１層１１ａ、ｂ、２１と同一の材料、厚さであり、第２層２０２は第２層１２、２２と同一の材料、厚さである。すなわち、比較例２の光学フィルタは、実施例２の光学フィルタの積層構造の積層数を３から４に１つ増やした構造である。

図８は、比較例２の光学フィルタの透過スペクトルを測定した結果を示したグラフである。入射角度は０°から８０°まで１０°刻みで変化させて測定した。

比較例２の透過スペクトルを実施例２の透過スペクトルと比較すると、透過スペクトルの形状はそれほど変化していないことがわかる。しかし、透過率は全体的に大きく低下している。たとえば、実施例２の光学フィルタでは、入射角度０°の場合、波長９１０ｎｍ付近に透過率２０％のピークがあるが、比較例２の光学フィルタでは、入射角度０°の場合、波長９１０ｎｍ付近に透過率１１％のピークがあり、透過率が９％低下している。

このように、比較例２の光学フィルタは、Ｓｉからなる第１層１１、２１、２０１の数が多いために、光の吸収が大きくなり、光学フィルタの特性が悪化している。

実施例１、２および比較例２から、光学フィルタの透過率、バンドパスフィルタとしての特性、積層数の増加による作製の難度向上とのバランスを考えると、積層数は２または３とすることが最適であることがわかった。

［比較例３］
実施例２の光学フィルタにおいて、第１層１１、２１の厚さを２１０ｎｍから１１０ｎｍに変更し、第１層１１、２１の積層数を３から６に増加させた光学フィルタを作製し、透過スペクトルを測定した。その結果、透過率は実施例２の光学フィルタと同等であったが、バンドパスフィルタとしての特性が低下していた。つまり、透過ピーク近傍の帯域以外にも透過率の高い帯域が生じていた。

この比較例３から、光学フィルタの透過率、バンドパスフィルタとしての特性、積層数の増加による作製の難度向上とのバランスを考えると、実施例１、２の光学フィルタにおける第１層１１の厚さを半分にした場合（式（１）においてｍ＝２からｍ＝１に変更した場合）であっても、積層数は２または３とすることが最適であることがわかった。

なお、実施例１、２では、光学フィルタの設計波長を８７０ｎｍとしているが、本発明はこれに限るものではなく、たとえば０．４〜１０μｍの可視光領域から中赤外線領域を設計波長とすることができる。特に７００〜２５００μｍの近赤外線領域とするのに実益がある。設計波長をこの範囲の値とすると、入試角度を０°から８０°に変化させたときの透過ピークのシフトが５０ｎｍ以下の非常に入射角依存性が小さなバンドパスフィルタを実現することができる。また、この波長領域では、従来、入射角依存性の小さな光学フィルタを実現できていなかった点からも利点がある。

また、実施例１、２では、設計入射角度を５０°としているが、本発明はこれに限るものではなく、０°以上９０°未満の任意の角度を設計入射角度とすることができる。たとえば２０〜７０°とすることができ、この範囲の値であっても、バンドパスフィルタとして良好な特性を示す。

また、実施例１、２では、光を基板１０裏面側から入射させて光学フィルタを使用しているが、本発明の光学フィルタは基板１０裏面側とは反対側から光を入射させて使用してもよい。

本発明の光学フィルタは透過率の入射角依存性が小さいため、赤外線センサに入力される外乱光のカットし、ＳＮ比を向上させるのに有効である。

１０：基板
１１ａ、ｂ、２１、２０１：第１層
１２、２２、２０２：第２層
１３：第３層

Claims (14)

1. 複数の第１層と、各前記第１層の間に位置し、前記第１層とは異なる屈折率の第２層と、により構成される積層構造を有し、その積層構造による干渉によって設計波長λの光を透過させる光学フィルタであって、
   前記第１層の層数は、２または３であり、
   前記第１層は、前記設計波長近傍のある波長よりも長波長側あるいは短波長側を吸収する材料であり、
   前記第２層は、前記波長帯の光を透過する材料であり、かつ、第１層よりも屈折率の低い材料である、
   ことを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記光学フィルタの設計入射角をθ、ｎ１、ｎ２はそれぞれ前記第１層、前記第２層の屈折率、ｄ１、ｄ２はそれぞれ前記第１層、前記第２層の厚さ、θ１、θ２はそれぞれ前記第１層、前記第２層を透過する光が前記第１層、前記第２層主面に垂直な方向に対して成す角度、として、
   前記第１層の光学膜厚ｎ１・ｄ１は、（λ／２）・ｃｏｓθ１の整数倍、ここで、ｓｉｎθ＝ｎ１・ｓｉｎθ１、であり、
   前記第２層の光学膜厚ｎ２・ｄ２は、（λ／４）・ｃｏｓθ２の奇数倍、ここで、ｓｉｎθ＝ｎ２・ｓｉｎθ２、である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 前記第１層の光学膜厚は、（λ／２）・ｃｏｓθ１またはλｃｏｓθ１であり、
   前記第２層の光学膜厚は、（λ／４）・ｃｏｓθ２である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光学フィルタ。
4. 前記設計入射角θは、２０〜７０°であることを特徴とする請求項２または請求項３のに記載の光学フィルタ。
5. 前記第１層の光学膜厚は、（λ／２）の整数倍であり、
   前記第２層の光学膜厚は、（λ／４）の奇数倍である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
6. 前記第１層の光学膜厚は、λ／２またはλであり、
   前記第２層の光学膜厚は、λ／４である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の光学フィルタ。
7. 前記設計波長λは、７００〜２５００ｎｍである、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
8. 入射角度を０°から８０°に変化させたときの透過ピークの変化範囲が５０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
9. 前記第１層は、屈折率が３以上の材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
10. 前記第１層は、半導体であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
11. 前記第１層は、Ｓｉであることを特徴とする請求項１０に記載の光学フィルタ。
12. 前記第２層は、酸化物、窒化物、または酸窒化物であることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
13. 前記第２層は、ＳｉＯ₂ であることを特徴とする請求項１２に記載の光学フィルタ。
14. 複数の第１層と、各前記第１層の間に位置し、前記第１層とは異なる屈折率の第２層と、により構成される積層構造を有し、その積層構造による干渉によって設計波長の光を透過させる光学フィルタを製造する方法であって、
    前記第１層の層数は、２または３であり、
    前記第１層は、前記設計波長近傍のある波長よりも長波長側あるいは短波長側を吸収する材料であり、
    前記第２層は、前記設計波長の光を透過する材料であり、かつ、第１層よりも屈折率の低い材料であり、
    前記光学フィルタの設計入射角をθ、ｎ１、ｎ２はそれぞれ前記第１層、前記第２層の屈折率、ｄ１、ｄ２はそれぞれ前記第１層、前記第２層の厚さ、θ１、θ２はそれぞれ前記第１層、前記第２層を透過する光が前記第１層、前記第２層主面に垂直な方向に対して成す角度、として、
    前記第１層は、その光学膜厚ｎ１・ｄ１が、（λ／２）・ｃｏｓθ１の整数倍、ここで、ｓｉｎθ＝ｎ１・ｓｉｎθ１、となるように形成し、
    前記第２層は、その光学膜厚ｎ２・ｄ２が、（λ／４）・ｃｏｓθ２の奇数倍、ここで、ｓｉｎθ＝ｎ２・ｓｉｎθ２、となるように形成する、
    ことを特徴とする光学フィルタの製造方法。