JP4443425B2 - 光学多層膜素子 - Google Patents

Description

本発明は、屈折率の異なる材料を積層して成形される光学多層膜素子に関する。

図７には、光学フィルタなどに使用される多層膜を有する光学ガラス基板素子を示す。図に示すように、光学ガラス基板素子７は、ガラス基板７ｂの表面に、例えば、酸化珪素Ｌ層７ａと酸化タンタルＨ層７ｃの二種類の低・高屈折率の誘電体膜が、交互に成膜されて成形される。製造工程では、膜厚及び膜質をできるだけ安定に均質化する必要がある。

光学ガラス基板は、成膜時に膜に蓄積される内部応力や材料間の膨張率差等により基板に変形が生じ易い。これを避けるために、基板の両面に成膜する、あるいは、多層膜素子の上に基板と同じ材料を樹脂系の接着剤により貼り合わせるといった方法が採られてきた。

特開平０７−２０９５１６ 特開２０００−２０６３２６

上記多層膜は、酸化珪素Ｌ層と酸化タンタルＨ層の二種類の材料により構成され、最後のＬ層７aが空気と接する。成膜工程では、真空中で膜厚を監視しながら所定の膜厚に堆積させる必要がある。その際、膜厚・膜質をできる限り安定化・均質化するために、モニタ精度を上げ、温度分布を均一化させ、更には蒸発源の安定化をさせるなどの厳しい成膜条件が要求される。

成膜条件が不安定であると、膜厚誤差やパーティクル異常成長などが多発し、製品の光学特性が低下することがある。また、光学多層膜素子の積層数が多くなるほど成膜プロセスが長くなるため、良好な成膜が困難となる。更に、多層化による応力に起因して、多層膜光学素子自体に形状変化が生じ、素子の有効エリアの面積を減少させる。

上記のような多層膜素子を用いた光学コンポーネントでは、多層膜が有機高分子類接着剤を用いてレンズ、ファイバーや導波路などの光学素子コンポーネント中の所定の位置に接合される。接着剤としては、ＵＶ硬化接着剤あるいは、熱硬化樹脂接着剤が用いられる。プロジェクターの照明光学系に用いられる光学部品であるＰＢＳ偏光素子は、前述のような接着剤を用い、多層膜フィルタガラス基板を交互に接着・積層したものを切断して製造される。

接着剤を使用した場合、光が光路上の接合層を通過する際に、光の損失減衰が発生する。特に、樹脂系接着剤を用いた場合には、光源としてハイパワーレーザを使用した時に、あるいは装置自体が高温環境に曝された際に、樹脂自体の特性により、素子の耐熱劣化や紫外線劣化等を生じる場合がある。

本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、光学特性に優れた光学多層膜複合素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光学多層膜素子は、屈折率の異なる材料を積層して形成され、少なくとも一方の表面にＳｉＯ２層を有する第１の多層膜と；屈折率の異なる材料を積層して形成され、少なくとも一方の表面にＳｉＯ２層を有する第２の多層膜とを備る。そして、前記第１及び第２の多層膜のＳｉＯ２層同士を、フッ化水素酸を含む薬液で反応させ、化学接合により貼り合わせている。

本発明の第２の態様に係る光学多層膜素子は、屈折率の異なる材料を積層して形成され、少なくとも一方の表面にＳｉＯ２層を有する第１の多層膜と；光学透明基板とを備えている。そして、前記第１の多層膜のＳｉＯ２層と、光学透明基板とを、フッ化水素酸を含む薬液で反応させ、化学接合により貼り合わせている。

前記フッ化水素酸を含む薬液で反応させる際に、フッ素水素酸で処理された表面同士を、圧力をかけて１００℃〜４５０℃に加熱することができる。

上記多層膜をアレイ状に接合し、当該多層膜の境界面が入射光に対して垂直あるいは傾斜して配置する光学多層膜複合素子コンポーネントは、偏光ビームスプリッタや合分波素子等とすることができる。好ましくは、多層膜面を入射光に対して４５°傾斜させて配置する。

本発明の第３の態様に係る光学多層膜複合素子は、ガラス基板上に剥離層を形成する工程と；前記剥離層の上に、屈折率の異なる材料を積層し、ＳｉＯ２層が最外層となるように多層膜を形成することで多層膜ブロックを複数成形する工程と；前記剥離層により前記ガラス基板から前記多層膜ブロックを剥離する工程と；前記多層膜ブロックのＳｉＯ２層同士を、フッ化水素酸を含む薬液で反応させ、化学接合により貼り合わせる工程とを含む方法によって製造される。

上記のような本発明によれば、中間接合層を省略することができ、接合層における光の吸収散乱による減衰や損失を減らすことができる。また、多層膜同士を中間接合層なしで貼り合わせることができるので、例えば、同種の多層基板同士を貼り合わせる場合、成膜層数を半分にできる。結果的に成膜時間を半分に減らす事ができ、成膜プロセスで欠陥と膜厚誤差などが入り込むリスクを減らし、歩留まりの向上につながる。更に、素子の構造を幾何学的に対称にすることができるので、応力に起因する素子の変形、反りなどの形状変化を改善できる。加えて、中間接合層がないため、樹脂系接着層を用いた光学多層素子に比べて高温、強紫外線環境中で使用したときに、より高い耐久性が得られる。また、予め光学設計された多層膜を積層することによって、所定の光学特性を有する光学多層膜機能性素子を提供することができる。

本発明の実施形態を以下の実施例を用いて説明する。

図１に例示されているように、ガラス基板１ｂ、２ｂ上に目的の半分の層数の成膜を行い、多層膜１、２を得る。これらを反転接合して目的の光学多層膜（複合）素子３を得る。

まず、ガラス基板（Ｂ２７０）１ｂ、２ｂ上に、高・低屈折率材料の交互蒸着により、Ｔａ２Ｏ５による高屈折率Ｈ層１ｃ、ＳｉＯ２による低屈折率Ｌ層１ａを合計２４層積層し、多層膜１、２を成膜する。ここで、ガラス基板１ｂ、２ｂ上に形成された多層膜１、２の最上層は、ＳｉＯ２による低屈折率Ｌ層１ａ、２ａとしておく。

次に、成膜した多層膜1、２の最上層のＳｉＯ２層１ａ、２ａを、濃度が０．５ｖｏｌ％以上のフッ化水素酸水溶液を用いて表面処理する。そして、当該多層膜１，２の最上層のＳｉＯ２層１ａ，２ａを、互いに向かい合わせて貼り合わせ、圧力をかけて１００℃〜４５０℃で熱処理を行い、化学接合によって接合し、光学多層膜複合素子３であるエッジフィルタを得る。

本実施例で得られた光学多層膜複合素子３のエッジフィルタの設計波長は、８００ｎｍである。図２には、エッジフィルタ３３の光学特性を太い実線で示し、２４層からなる多層膜１，２の光学特性を点線で示している。本図の横軸は、光の波長を表し、縦軸は、透過率％を表す。光学多層膜複合素子３の各層の光学的膜厚の一例を表１に示す。

図３に、本実施例で得られた光学多層膜複合素子３をバンドパスフィルタとして用いた場合の光学特性を示す。本図中、当該バンドパスフィルタの光学特性を実線で示し、点線で半分の層数（３２層）からなる多層膜１，２の光学特性を示す。本図の横軸は、光の波長を表し、縦軸は、透過率％を表す。

以上本実施例の説明では、エッジフィルタとバンドパスフィルター（ＢＰＦ）を多層膜１，２の最上層にあるＳｉＯ２層の化学接合により構成した例で説明した。同様に、成膜材料の組み合わせや膜層数または膜厚などを変えて、反射ミラーやビームスプリタ等とすることが可能であり、予めの光学設計によって多層膜1と多層膜２から集積された光学的多層膜機能性素子を提供することが可能である。

図４に示されているように、上記の本実施例の応用として、予めの光学設計によって多層膜１の最上層のＳｉＯ２層１ａを、上記と同様な接合方法で多層膜２のガラス基板２ｂに接合して光学多層膜複合素子４としても良い。なお、図示しないが、一つの多層膜のＳｉＯ２層とガラス基板（多層膜ではない）とを直接接合することも可能である。図４において、図１と同一又は対応する構成要素については同一の符号を付し、重複した説明は省略する。接合方法についても、第１の実施例（図１）と同様の方法を採用することができる。

図５に本発明の他の実施例として、偏光ビームスプリッタを示す。なお、実施例１と同様な部分の説明については省略する。本実施例では、ＳｉＯ２を含む屈折率の異なる誘電体材料が積層され多層膜が形成され、その境界面を含む偏光ビームスプリタ５１をアレイ状に接合する。このとき、各多層膜の境界面は入射光５２に対して４５度を傾いて配置されている。なお、図５のＳはＳ偏光波を示し、ＰはＰ偏光波を示す。

図６は、基板のない多層膜ブロックによる光学多層膜複合素子（バンドパスフィルタ、回折格子等）を示す。図示されていないガラス基板上に剥離層として有機材料、水溶性材料または金属材料からなる剥離層を堆積させる。その上に、高屈折率誘電体材料からなる層と、低屈折率誘電体材料であるＳｉＯ２層とが交互に積層されて多層膜ブロック６１、６２、６３等が積層され成膜される。その後、当該剥離層によりガラス基板から多層膜ブロック６１、６２、６３等が剥離される。当該多層膜ブロック６１、６２、６３の最外層同士が、上述の方法により接着剤を用いることなく接合される。こうして基板レスの多層膜ブロックから、従来の成膜プロセスでは全く製作不能であったほど層数の多い（300層以上）高性能な光学多層膜複合素子が得られる。

本発明品は、多層膜を予めの光学設計することができるので、光学的なエッジフィルタ、バンドパスフィルタ、ビームスプリッタ、反射ミラー、回折格子等の光学的な機能性素子に適用できる。

本発明の光学ガラス多層膜素子を説明するための図である。 本発明により得られた光学的エッジフィルタの光学特性を説明するための図である。 本発明により得られた光学的バンドパスフィルタの光学特性を説明するための図である。 本発明の他の実施例を示す図である。 本発明による偏光ビームスプリッタの構造を説明するための図である。 本発明による高機能光学多層膜複合素子の構造を説明するための図である。 従来例を説明するための図である。

符号の説明

１，２ 多層膜
１ａ，２ａ 低屈折率層
１ｂ，２ｂ 光学透明基板（ガラス基板）
１ｃ，２ｃ 高屈折率層
３，４ 光学多層膜複合素子
５１ 多層膜境界面
５２ 入射光
６１，６２，６３ 多層膜ブロック
７ 光学ガラス基板素子
７ｂ ガラス基板
７ａ （酸化珪素）Ｌ層
７ｃ （酸化タンタル）Ｈ層
７１ 多層膜

Claims (9)

1. 光学多層膜複合素子の製造方法において、
   屈折率の異なる材料を積層し、少なくとも一方の表面にＳｉＯ２層を有する第１の多層膜を形成する工程と；
   屈折率の異なる材料を積層し、少なくとも一方の表面にＳｉＯ２層を有する第２の多層膜を形成する工程と；
   前記第１及び第２の多層膜のＳｉＯ２層同士を、フッ化水素酸を含む薬液で反応させ、化学接合により貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする光学多層膜複合素子の製造方法。
2. 前記第１及び第２の多層膜の境界面が入射光に対して傾斜して配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学多層膜複合素子の製造方法。
3. 前記光学多層膜素子は、光学的エッジフィルタ、バンドパスフィルタ、ビームスプリッタ又は、反射ミラーであることを特徴とする請求項２に記載の光学多層膜複合素子の製造方法。
4. 光学多層膜複合素子の製造方法において、
   屈折率の異なる材料を積層し、少なくとも一方の表面にＳｉＯ２層を有する第１の多層膜を形成する工程と；
   光学透明基板を準備する工程と；
   前記第１の多層膜のＳｉＯ２層と、前記光学透明基板とを、フッ化水素酸を含む薬液で反応させ、化学接合により貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする光学多層膜複合素子の製造方法。
5. 前記第１の多層膜と前記光学透明基板とを貼り合わせる工程に先立ち、
   前記光学透明基板を、屈折率の異なる材料を積層して形成される第２の多層膜に設けることを特徴とする請求項４に記載の光学多層膜複合素子の製造方法。
6. 前記光学透明基板は、ガラス基板であることを特徴とする請求項４又は５に記載の光学多層膜複合素子の製造方法。
7. 前記フッ化水素酸を含む薬液で反応させる際に、フッ素水素酸で処理された表面同士を、圧力をかけて１００℃〜４５０℃に加熱することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学多層膜複合素子の製造方法。
8. 光学多層膜複合素子の製造方法において、
   ガラス基板上に剥離層を形成する工程と；
   前記剥離層の上に、屈折率の異なる材料を積層し、ＳｉＯ２層が最外層となるように多層膜を形成することで多層膜ブロックを複数成形する工程と；
   前記剥離層により前記ガラス基板から前記多層膜ブロックを剥離する工程と；
   前記多層膜ブロックのＳｉＯ２層同士を、フッ化水素酸を含む薬液で反応させ、化学接合により貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする光学多層膜複合素子の製造方法。
9. 前記剥離層は、有機材料、水溶性材料または金属材料からなることを特徴とする請求項８に記載の光学多層膜複合素子の製造方法。
   

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