JP4468667B2 - 光学フィルタ及び光学機器 - Google Patents
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近年のゲノム解析用としては、例えば、502nmの波長を有する励起光で526nmにピーク波長を有する蛍光を観察するというニーズがある。この場合、励起光と蛍光の波長が近いので、蛍光を効率よく検出するために励起光を阻止帯域でカットし蛍光観察波長の光を透過帯域で透過させる光学フィルタが、蛍光測定の感度と精度を決める非常に重要なキーパーツとして用いられている。
このように、所定の波長帯域の光を遮断し、その他の波長の光を透過する光学フィルタであるマイナスフィルタは、図8(a)に示すように、基板上に高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した多層膜で作製される。ここで、横軸は光学膜厚で、縦軸は膜の屈折率を表す。また、この膜構成のときの膜を透過する光の波長と透過率との関係を分光特性として図8(b)に示す。
ただし、実際の成膜時に膜の屈折率を連続的に変化させるのは非常に困難である。そこで、例えば図11に示すように、連続的な屈折率分布を階段状に分割して近似したものが各種提案されている(例えば、特許文献1、非特許文献2、及び非特許文献3参照。)。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、阻止帯域と透過帯域との境界における分光特性の立ち上がりが急峻で透過帯域でのリップルを抑制し、成膜時の膜厚制御が容易な膜構成で光学特性が安定した光学フィルタ、及び検出感度を向上した光学機器を提供することを目的とする。
本発明に係る光学フィルタは、基板と、該基板上に形成された薄膜とから構成される光学フィルタであって、前記薄膜が、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前記基板側から交互に積層されて構成され、前記高屈折率層の屈折率が前記基板に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第1の積層部を構成する高屈折率層のうち最も高い屈折率と略同一である第2の積層部と、該第2の積層部及び前記基板に隣接し、前記高屈折率層の屈折率が第2の積層部側から前記基板に向かって漸次低く変化すると共に、前記低屈折率層の屈折率が第2の積層部を構成する低屈折率層のうち最も低い屈折率と略同一である第3の積層部とを備え、前記第1及び第2の積層部の前記低屈折率層は、屈折率が一定である低屈折率層一定部が少なくとも1つと、前記基板に向かって屈折率が漸次低く変化する低屈折率層低下部が少なくとも1つとから構成されていることを特徴とする。
また、請求項1記載の光学フィルタの前記第1から第3の積層部のうち少なくとも一つの内に、前記低屈折率層の屈折率が、前記高屈折率層を介して隣接する両側の他の低屈折率層よりも高く設定された低屈折率変動層部が挿入されていることが好ましい。
この発明によれば、透過帯域でのリップルを効果的に抑制することができる。
この発明によれば、光学膜厚が設計波長の略n/4倍なので、実際に成膜する際の膜厚制御性が向上して安定した光学特性を得ることができる。
この発明によれば、透過させる波長と透過を阻止する波長とが近い場合でも、透過帯域と阻止帯域との間に急峻な境界を有する光学フィルタにより、透過帯域の波長の光量を削減することなく効率良く透過させて、分光特性に優れるフィルタ性能を有することができる。
また、本発明の光学機器によれば、本発明に係る光学フィルタを備えているので、所望する入射光の選択性能を向上することができ、従来よりも検出感度をより向上することができる。
本実施形態に係る図1に示す蛍光顕微鏡(光学機器)10は、励起フィルタ11と、ダイクロイックミラー12と、吸収フィルタ(光学フィルタ)13と、接眼レンズ14と、対物レンズ15とを備える。
ダイクロイックミラー12は、半透過鏡であって、励起フィルタ11を透過した光の光路を載置された、例えば、生体細胞等の標本17上に照射するように変更するとともに、この照射によって標本17から発生した蛍光を観察側に透過するように設定されている。
接眼レンズ14及び対物レンズ15は、上記蛍光を観察できるように調整するものとして配設されている。
薄膜19は、図2(a)に示すように、屈折率が相対的に低い低屈折率層20と屈折率が相対的に高い高屈折率層21とが基板18側から交互に積層されて構成され、高屈折率層21の屈折率が基板18に向かって漸次高く変化する第1の積層部22と、第1の積層部22に隣接し、高屈折率層21の屈折率が第1の積層部22を構成する高屈折率層21のうち最も高い屈折率と略同一である第2の積層部23と、第2の積層部23に隣接し、高屈折率層21の屈折率が第2の積層部23側から漸次低く変化する第3の積層部24とを備えている。
第2の積層部の低屈折率層20には低屈折率層20の屈折率が基板18に向かって漸次低く変化する低屈折率層低下部25が設けられており、低屈折率層低下部25の前後には低屈折率層20の屈折率が略一定である低屈折率層一定部26が設けられている。
低屈折率層20は主に酸化シリコンで構成され、高屈折率層21は主に酸化ニオブで構成されている。
本実施形態では、基板18の屈折率を1.8とし、高屈折率層21の屈折率を1.81から2.2まで変化させ、低屈折率層20の屈折率を低屈折率低下部25において2.0から1.8まで変化させている。
本実施形態ではλを600nmと設定しているので、各光学膜厚は、150nmとなる。
なお、上記の構成に加え、積層総数を68層とし、薄膜19の入射媒質18’側にも屈折率2.0を有する基板があるものとし、各層の屈折率分散はないものとしてシミュレーションした結果を図2(b)に示す。
光源16から出射された光を励起フィルタ11を通過させて特定波長の励起光としてダイクロイックミラー12に投射させる。
上記励起光は、ダイクロイックミラー12によって光路を曲げられ、対物レンズ15で集光されて標本17に照射される。このとき、この照射によって標本17から蛍光が発生する。この蛍光は、対物レンズ15を介して平行光となってダイクロイックミラー12に到達し、これを透過して吸収フィルタ13に至る。
吸収フィルタ13には、蛍光以外の波長を有する励起光等も混入されて入射する。しかし、薄膜19が上述した第1の積層部22から第3の積層部24を有する構成とされているので、吸収フィルタ13は、励起光等が属する波長帯域である阻止帯域28における光を外部へ射出させるのを阻止しながら、蛍光が属する波長帯域である透過帯域29における光を透過させる。
このとき、高屈折率層21及び低屈折率層20の光学膜厚が設計波長の1/4倍に設定されているので、この透過する光は、成膜時の膜厚制御性のよさから安定した光学特性を有している。
こうして、吸収フィルタ13から射出した蛍光は、接眼レンズ14を透過して集光されて観察側に至る。
第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、第2の実施形態に係る薄膜40が、第1の積層部22の先端側に低屈折率層低下部25が設けられているとした点である。
この薄膜40には、高屈折率層21の屈折率が低屈折率層20を介して隣接する両側の他の高屈折率層21よりも低く設定された高屈折率変動層部41が、第1及び第3の積層部22、24内であって第2の積層部23との境界にそれぞれ1層ずつ挿入されている。
また、低屈折率層20の屈折率が高屈折率層21を介して隣接する両側の他の低屈折率層20よりも高く設定された低屈折率変動層部42が、第1及び第3の積層部22、24内であって第2の積層部23との境界にそれぞれ1層ずつ挿入されている。
また、上記の構成に加え、積層総数を75層とし、薄膜40は、屈折率1.8を有する入射媒質18’と屈折率1.4を有する基板18とに挟み込まれ、各層の屈折率分散はないものとしてシミュレーションした結果を図3(b)に示す。
本実施形態では、基板18の屈折率を1.8とし、高屈折率層21の屈折率を1.81から2.2まで変化させ、低屈折率層20の屈折率を1.4から1.8まで変化させている。
ここで、第1の積層部22を構成する高屈折率層21の屈折率勾配の絶対値が、第3の積層部24を構成する高屈折率層21の屈折率勾配の絶対値よりも小さくなるように形成されている。
本実施形態では、基板18の屈折率を1.5とし、高屈折率層21の屈折率を1.55から2.4まで変化させ、低屈折率層20の屈折率を1.5の一定値としている。
第5の実施形態が第4の実施形態と異なる点は、第5の実施形態にかかる薄膜70が、第1の積層部22を構成する高屈折率層21の屈折率勾配の絶対値が、第3の積層部24を構成する高屈折率層21の屈折率勾配の絶対値よりも大きくなるように形成されている点である。
本実施形態では、基板18の屈折率を1.8とし、高屈折率層21の屈折率を1.8の一定値とし、低屈折率層20の屈折率を1.4から1.75まで変化させている。
さらに、中心波長600nmに対して、設計波長を600/n(nは整数)nmとし、高屈折率層21及び低屈折率層20の光学膜厚を設計波長のn/4倍に設定して薄膜を形成しても、同様な分光特性を有する吸収フィルタを得ることができる。
例えば、中心波長(λ)は600nmに限らず、励起光の波長や検出したい蛍光の波長に応じてλの値を適宜変えることで、所望の光学特性を得ることができる。
また、基板の材質はガラスに限らずプラスチックでもよい。
13 吸収フィルタ(光学フィルタ)
18 基板
19、40、50、60、70、80 薄膜
20 低屈折率層
21 高屈折率層
22、51 第1の積層部
23、52 第2の積層部
24、53 第3の積層部
25 低屈折率層低下部
26 低屈折率層一定部
41 高屈折率変動層部
42 低屈折率変動層部
54 第4の積層部
Claims (7)
- 基板と、該基板上に形成された薄膜とから構成される光学フィルタであって、
前記薄膜が、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前記基板側から交互に積層されて構成され、
前記高屈折率層の屈折率が前記基板に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第1の積層部を構成する高屈折率層のうち最も高い屈折率と略同一である第2の積層部と、
該第2の積層部及び前記基板に隣接し、前記高屈折率層の屈折率が第2の積層部側から前記基板に向かって漸次低く変化すると共に、前記低屈折率層の屈折率が第2の積層部を構成する低屈折率層のうち最も低い屈折率と略同一である第3の積層部とを備え、
前記第1及び第2の積層部の前記低屈折率層は、屈折率が一定である低屈折率層一定部が少なくとも1つと、前記基板に向かって屈折率が漸次低く変化する低屈折率層低下部が少なくとも1つとから構成されていることを特徴とする光学フィルタ。 - 請求項1記載の光学フィルタの前記第1から第3の積層部のうち少なくとも一つの内に、前記高屈折率層の屈折率が、前記低屈折率層を介して隣接する両側の他の高屈折率層よりも低く設定された高屈折率変動層部が挿入されていることを特徴とする光学フィルタ。
- 請求項1記載の光学フィルタの前記第1から第3の積層部のうち少なくとも一つの内に、前記低屈折率層の屈折率が、前記高屈折率層を介して隣接する両側の他の低屈折率層よりも高く設定された低屈折率変動層部が挿入されていることを特徴とする光学フィルタ。
- 請求項1記載の光学フィルタの前記第1から第3の積層部のうち少なくとも一つの内に、前記高屈折率層の屈折率が、前記低屈折率層を介して隣接する両側の他の高屈折率層よりも低く設定された高屈折率変動層部が挿入され、
さらに前記第1から第3の積層部のうち少なくとも一つの内に、前記低屈折率層の屈折率が、前記高屈折率層を介して隣接する両側の他の低屈折率層よりも高く設定された低屈折率変動層部が挿入されていることを特徴とする光学フィルタ。 - 請求項1記載の光学フィルタの前記第1および第3の積層部の内の前記第2の積層部との各境界に、前記高屈折率層の屈折率が、前記低屈折率層を介して隣接する両側の他の高屈折率層よりも低く設定された高屈折率変動層部が1層ずつ挿入され、
さらに前記各境界に、前記低屈折率層の屈折率が、前記高屈折率層を介して隣接する両側の他の低屈折率層よりも高く設定された低屈折率変動層部が1層ずつ挿入されていることを特徴とする光学フィルタ。 - 透過を阻止する波長帯域の中心波長(λ)に対して設計波長をλ/n(nは整数)とするとき、
前記高屈折率層及び前記低屈折率層の光学膜厚が、前記設計波長の略n/4倍に設定されてい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。 - 請求項1から6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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