JP5834694B2

JP5834694B2 - バンドパスフィルタ

Info

Publication number: JP5834694B2
Application number: JP2011208809A
Authority: JP
Inventors: 基今村; 辰次天野
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: JP2013068885A

Description

本発明は光通信や光学デバイス等に用いられるバンドパスフィルタに関する。

従来、所定の波長域の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタが知られている。このようなバンドパスフィルタは、高屈折率の材料からなる誘電体の薄膜層と低屈折率の材料からなる誘電体の薄膜層からなる薄膜層とを交互に積層させることにより、所望の波長域の光を選択的に透過させるように形成されている（特許文献１参照）。

特開２００４−３７８３０号公報

しかしながら、このような多層膜を用いてバンドパスフィルタを形成する場合、形成する膜数が多ければ多いほどコストがかかることとなる。また、膜数が増えることによる内部応力の増加によって膜割れ等の問題が生じ易い。特に紫外域の波長の光は光学媒質に吸収され易く、使用できる薄膜には制限がある。その制限により高屈折膜と低屈折膜の屈折率差が少なくなるため、層数が多くなってしまう。阻止帯域を広帯域にした場合は数百層もの薄膜の積層が必要となることもある。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑み、簡単な構成で安価に特定の紫外域の波長の光を取り出すことのできるバンドパスフィルタを提供することを技術課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。

（１）波長２５０nm以下の特定の紫外域の光に対して最大透過率が３０％以上６０％以下となるように形成されたバンドパスフィルタであって、誘電体膜からなるキャビティ層の上下を金属薄膜にて被膜し、前記金属薄膜は、アルミ薄膜であり、前記アルミ薄膜の物理膜厚が２０nm以下であって物理的な膜厚を持ち、バンドパスフィルタにおける可視域の波長の光の透過率が１０％以下となることを特徴とする。
（２）請求項１のバンドパスフィルタにおいて、前記金属薄膜は、前記アルミ薄膜の物理膜厚が１０nm以下であって物理的な膜厚を持つことを特徴とする。
（３）（１）又は（２）のバンドパスフィルタにおいて、前記バンドパスフィルタは、波長２００ｎｍ以上波長２５０nm以下の特定の紫外域の光に対して最大透過率が３０％以上６０％以下となるように形成されたバンドパスフィルタであることを特徴とする。

本発明の実施形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は本実施形態のバンドパスフィルタの構成を模式的に示した図である。

図示するバンドパスフィルタ１００は、紫外域の波長の光を選択的に透過させる光学特性を有するものであり、特に波長２５０ｎｍ以下、さらに具体的には波長２００ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の、特定の紫外域の光に対して透過率が最大となるように形成されたバンドパスフィルタである。バンドパスフィルタ１００は、透明基板１０１上に形成される金属薄膜層１０２、金属薄膜層１０２の上に形成される誘電体膜からなるキャビティ層１０３、キャビティ層１０３の上に形成される金属薄膜層１０４とを有する。透明基板１０１は紫外域の波長の光を透過し易い性質を持つ材料を用いることが好ましい、このような材料としては、例えば、石英ガラス、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム等が挙げられる。また、透明基板１０１は平板状であることが好ましいが、これに限るものではなく、所定の形状を持つ光学部材を基板として本実施形態の膜構成を形成し、バンドパスフィルタを形成することも可能である。

金属薄膜層１０２の形成に用いられる金属材料としては、アルミニウム（以下、アルミと略す）や銀等が挙げられるが、可能な限り紫外域の波長の光を透過させやすい金属材料を用いることが好ましい。本実施形態のバンドパスフィルタ１００は、波長２５０ｎｍ以下の特定紫外域の光に対して透過率が最大となり、可視域の波長の光の透過率が、好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下となるように形成されるため、金属薄膜層１０２に用いられる金属材料は特にアルミであることが好ましい。このような金属薄膜層１０２の物理膜厚は、目的のバンドパスフィルタの光学特性として波長２５０ｎｍ以下の特定紫外域の光に対して透過率が最大となり、可視域の波長の光の透過率が好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下となるために必要な膜厚であり、好ましくは２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以下であって所定の物理膜厚を有している。物理膜厚が２０ｎｍを越えると、十分な透過率が得られない。なお、ここでいう金属薄膜層の物理膜厚とは、３層からなるバンドパスフィルタの層構造を１スタックとして捉えたときの１スタックにおける各金属薄膜層の膜厚のことをいうものとしている。

キャビティ層１０３は透明の誘電体膜からなる層であり、このような誘電体としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、フッ化ランタン（ＬａＦ₃）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ハフニウム（ＨｇＯ₂）等が挙げられる。また、このようなキャビティ層１０３の膜厚（物理膜厚）は、好ましくは１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。キャビティ層１０３の膜厚が１０ｎｍ未満の場合、所望する設計波長の光に対して透過率が最大とすることができない。また、膜厚が２２０ｎｍを越えてしまうと、可視域の波長の光の透過率が１０％以上となってしまう。また、金属薄膜層１０４は、基本的に金属薄膜層１０２と同じ材料、同じ物理膜厚で形成される。

このような金属薄膜層１０２，１０４、キャビティ層１０３は、真空蒸着法等の既知のコーティング技術を用いて透明基板１０１上に順次形成される。真空蒸着法を用いる場合には、透明基板を真空蒸着機内に置き、金属薄膜層形成用の金属材料（例えばアルミ）を蒸着源として、所望の物理膜厚が得られるまで真空蒸着を行う。次に蒸着源をキャビティ層形成用の誘電体材料（例えばＳｉＯ₂）に代え、同じように所望の膜厚（光学膜厚）が得られるまで真空蒸着を行う。キャビティ層の形成後、再度、蒸着源を金属薄膜層形成用の金属材料に代え、所望の物理膜厚が得られるまで真空蒸着を行い、３層からなるバンドパスフィルタを作製する。

なお、本実施形態では、このように透明基板上に順次形成された金属薄膜層１０２、キャビティ層１０３、金属薄膜層１０４を１つの層構造として１スタックと呼ぶ。本実施形態では、バンドパスフィルタを作製するために、透明基板１０１上に形成されるこのようなスタックを少なくとも１つ形成するものとしている。また、このようなスタックを透明基板上に複数重ねてバンドパスフィルタを形成することにより、設計波長の光のみをより選択的に透過させることが可能であるが、スタック数の増加に応じて最大透過率は減少してしまう。このため、透過させたい設計波長以外の波長域の許容透過率と、設計波長に対して求められる透過率との関係でスタック数が選ばれることとなる。なお、スタック数が増えた場合においても同じように真空蒸着法等の既知のコーティング技術を用いて薄膜を順次積層させていけばよい。

本実施形態では、基本的に高い透過率が得られない紫外域の波長を取り出すことを目的としているために、１スタックまたは２スタック程度の膜構成であることが好ましい。図２に透明基板上に２スタック分の層構造を形成したバンドパスフィルタ１１０の模式図を示す。図示するバンドパスフィルタ１１０は、透明基板１０１上に金属薄膜層１０２，キャビティ層１０３，金属薄膜層１０４からなる１スタック分の層構造が２つ積み重なって形成されている。なお、透明基板上に２スタック形成する場合、基板側から数えて３層目となる金属薄膜層は、１スタックの上層となる金属薄膜層１０４と２スタック目の下層となる金属薄膜層１０２とが重なることから、結果的に２倍の膜厚にて形成されることとなる。なお、本実施形態のバンドパスフィルタの光学性能は、波長２５０ｎｍ以下の特定紫外域の光に対して透過率を最大とされ、その最大透過率は３０％以上６０％以下程度となるものである。また、可視域の波長の光の透過率は好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下となるように形成される。

次に本件発明の好適な実施例を以下に記載するが、本件発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
透明基板である石英ガラス板（厚さ２ｍｍ）に１スタック分の膜構造（３層）を、真空蒸着法を用いて順次形成し、目的とするバンドパスフィルタを作製した。なお、１層目及び３層目に形成される金属薄膜層の膜材料としては、アルミを用い、各々物理膜厚９ｎｍとして形成した。また、２層目となるキャビティ層は、ＳｉＯ₂の誘電体膜とされ、物理膜厚３０ｎｍとして形成した。得られたバンドパスフィルタの透過率を分光光度計（島津製作所製 UV2450）にて測定した。測定結果から得られた分光透過率特性を図３に示す。

＜実施例２＞
透明基板である石英ガラス板（厚さ２ｍｍ）に２スタック分の膜構造（５層）を、真空蒸着法を用いて順次形成し、目的とするバンドパスフィルタを作製した。なお、１層目、３層目、５層目に形成される金属薄膜層の膜材料としては、実施例１と同様にアルミを用い、１層目と５層目の物理膜厚を９ｎｍ、３層目の物理膜厚を１８ｎｍ（スタック１つ分としては膜厚９ｎｍ）として形成した。また、２層目、及び４層目となるキャビティ層は、ＳｉＯ₂の誘電体膜とされ、各々物理膜厚２８ｎｍとして形成した。得られたバンドパスフィルタの透過率を実施例１と同様に測定した。測定結果から得られた分光透過率特性を図３に示す。

＜結果＞
１スタック分の層構造（３層）を持つバンドパスフィルタは、２５０ｎｍ以下の特定の紫外域の波長において透過率が５０％を超えるとともに、可視域（400nm-780nm程度）においては透過率が１０％を下回る性能を得ることができた。また、２スタック分の層構造（５層）を持つバンドパスフィルタは、２５０ｎｍ以下の特定の紫外域の波長において透過率が３０％を超えるとともに、可視域（400nm-780nm程度）においては透過率が１％を下回る性能を得ることができた。

本実施形態における３層構造のバンドパスフィルタの構成を示した模式図である。本実施形態における５層構造のバンドパスフィルタの構成を示した模式図である。本実施形態における３層構造、及び５層構造のバンドパスフィルタの分光透過率特性を示した図である。

１００バンドパスフィルタ
１０１透明基板
１０２金属薄膜層
１０３キャビティ層
１０４金属薄膜層

Claims

波長２５０nm以下の特定の紫外域の光に対して最大透過率が３０％以上６０％以下となるように形成されたバンドパスフィルタであって、誘電体膜からなるキャビティ層の上下を金属薄膜にて被膜し、前記金属薄膜は、アルミ薄膜であり、前記アルミ薄膜の物理膜厚が２０nm以下であって物理的な膜厚を持ち、バンドパスフィルタにおける可視域の波長の光の透過率が１０％以下となることを特徴とするバンドパスフィルタ。
請求項１のバンドパスフィルタにおいて、
前記金属薄膜は、前記アルミ薄膜の物理膜厚が１０nm以下であって物理的な膜厚を持つことを特徴とするバンドパスフィルタ。
請求項１又は２のバンドパスフィルタにおいて、
前記バンドパスフィルタは、波長２００ｎｍ以上波長２５０nm以下の特定の紫外域の光に対して最大透過率が３０％以上６０％以下となるように形成されたバンドパスフィルタであることを特徴とするバンドパスフィルタ。