JP6806603B2 - 分光フィルタおよび分光測光装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射位置に応じて透過波長が異なる分光フィルタに関する。また、本発明は、かかる分光フィルタを用いた分光測光装置に関する。

光学フィルタの一種として、基板の一方向に沿ってスペクトル特性が線形に変化する線形可変フィルタ（ＬＶＦ）が知られている。ＬＶＦは、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜を交互に重ね合わせた多層膜である干渉フィルタを、その膜厚が一定の勾配で変化するように透明基板上に形成することで実現される。入射位置に応じて透過波長の異なる分光フィルタを用い、異なる位置を透過した光を線状に配列された受光素子でそれぞれ検出することによって、小型の分光測光装置を実現することができる。

ところで、干渉によるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）は一般に、主透過波長の両側に副透過帯が現れるため、その副透過帯を遮断するためのカットフィルタと組み合わせて用いられる。図２において、図２（Ａ）のＢＰＦは主透過波長λＴの短波長側に副透過帯ＴＳ、長波長側に副透過帯ＴＬを有する。図２（Ｂ）の短波長カットフィルタ（ＳＣＦ）は遮断帯ＣＳを有する。図２（Ｃ）の長波長カットフィルタ（ＬＣＦ）は遮断帯ＣＬを有する。これらのＢＰＦ、ＳＣＦおよびＬＣＦを組み合わせることで、図２（Ｄ）に示す分光フィルタ（ＳＦ）が得られ、主透過波長λＴの光のみが透過する。

線形可変ＢＰＦは、短波長側にある副透過帯ＴＳを遮断する線形可変ＳＣＦおよび長波長側にある副透過帯ＴＬを遮断する線形可変ＬＣＦと組み合わせることによって、入射位置に応じた主透過波長λＴの光だけを透過させる線形可変分光フィルタとすることができる。

このとき、線形可変ＢＰＦといずれかのカットフィルタが異なる基板上に形成されていたり、同じ基板の反対面に形成されていると、異なるフィルタ間での多重反射が問題となる。

図１１は、線形可変ＢＰＦと線形可変ＬＣＦの間の多重反射を示したものである。線形可変分光フィルタ５０では、透明基板５１の上面に線形可変ＢＰＦ５４が、下面に線形可変ＬＣＦ５６が形成されている。Ａ点におけるＢＰＦ５４の主透過波長をλ１とすると、分光フィルタ５０の上方から入射した波長λ１の光は（実線で示した）、Ａ点でＢＰＦ５４を透過し、Ｂ点でＬＣＦ５６を透過して、分光フィルタ５０の下方に抜ける。一方、Ａ点におけるＢＰＦ５４の長波長側の副透過帯に含まれる波長λ２の光は（破線で示した）、Ａ点でＢＰＦ５４を透過し、Ｂ点でＬＣＦ５６に反射され、Ｃ点でＢＰＦ５４に反射され、以後両フィルタ間で繰り返し反射されて、ＬＣＦ５６を透過できるＤ点から下方に出射する。ＢＰＦ５４の主透過波長がλ２となるＥ点は図１１のさらに右方に位置するので、本来ならＥ点の下方に出射することが期待される波長λ２の光がＤ点から下方に出射することになり、測定に誤差が生じる。

異なるフィルタ間の多重反射の問題に対して、特許文献１には、線形可変ＢＰＦを、別の基板上に形成された線形可変ＳＣＦまたは線形可変ＬＣＦに対して傾けて配置し、多重反射した光を２つのフィルタの間から逃がして後方の受光部に到達しないようにした分光ユニットが記載されている。また、特許文献１には、断面がくさび型の基板の片面に線形可変ＢＰＦ、他の面に線形可変ＬＣＦまたは線形可変ＳＣＦを形成して、多重反射した光が後方の受光部に到達しないようにした分光ユニットが記載されている。

また、特許文献２には、透明基板の片面に線形可変ＢＰＦ、線形可変ＳＣＦおよび線形可変ＬＣＦを形成した可変光学フィルタが記載されている。

国際公開第２０１５／０８７５９４号 特表２０１６−５１３２４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、２枚の基板を互いに傾けて精度よく配置・固定するための手間がかかるという問題があった。また、くさび型の基板を面精度よく製造するにはコストがかかるという問題があった。

一方、特許文献２に記載されたように、基板の片面にすべてのフィルタを形成すれば多重反射の問題は解消できる。しかし、線形可変ＢＰＦ、線形可変ＳＣＦおよび線形可変ＬＣＦのすべてを積層して形成すると全体が厚くなり、内部応力によって多層膜の構造が破壊されたり、基板からフィルタが剥離しやすくなるという問題があった。

線形可変分光フィルタにおける線形可変ＬＣＦは、分光フィルタの全体で、ＢＰＦの主透過波長λＴを透過させながら、λＴより長波長側を遮断する必要がある。このため、分光フィルタの長波長側（透過波長が長い側）の部分では、使用波長範囲を長波長側へ超えて、無用に広い波長範囲を遮断することになり、厚さが過大になる。

図１２は、線形可変ＢＰＦの主透過波長λＴとその長波長側の副透過帯ＴＬ、線形可変ＬＣＦの遮断帯ＣＬを示したものである。図１２（Ａ）において、分光フィルタの短波長側の端部では、ＬＣＦは使用波長範囲（λＰ〜λＱ）の広い範囲を遮断する必要がある。ＬＣＦは必ず主透過波長λＴを透過させる必要があるので、図１２（Ｂ）に示したフィルタの中央付近や図１２（Ｃ）に示したフィルタの長波長側の端部では、遮断帯ＣＬは長波長側へ大きく広がり、図中のハッチングした波長範囲が無用に遮断されることになる。

カットフィルタは遮断する光の波長に比例して厚くなるので、線形可変分光フィルタにおけるフィルタ厚さの問題は、長波長の光を遮断するＬＣＦで特に問題となり、赤外線分光のためのフィルタではさらに大きな問題となる。また、フィルタを構成する層の数を増やして分光特性を向上させたい場合にも問題となる。

本発明は上記を考慮してなされたものであり、異なるフィルタ間の多重反射の問題がなく、かつ分光特性を犠牲にすることなく全体の厚さを減少させた線形可変分光フィルタを提供することを目的とする。また、かかる分光フィルタを用いた分光測光装置を提供することを目的とする。

上記目的のために、本発明は、透明基板の片面にＢＰＦ層、ＳＣＦ層、ＬＣＦ層を形成し、分光フィルタの長波長側の部分で、ＬＣＦ層の遮断帯ＣＬが長波長側に無用に延びるのを抑え、厚さの増加を抑える。

具体的には、本発明の分光フィルタは、透明基板と、前記透明基板の第１面に形成されたバンドパスフィルタ層、短波長カットフィルタ層および長波長カットフィルタ層とを有する。
前記バンドパスフィルタ層は、基板の第１方向に沿って、第１端から第２端に向かうにしたがって厚さが一定の勾配で大きくなることにより主透過波長λＴが長くなる線形可変フィルタ層である。
前記短波長カットフィルタ層は、前記第１端と前記第２端の間の全域において、その遮断帯ＣＳが前記バンドパスフィルタ層の前記主透過波長λＴを透過し、該主透過波長λＴより短波長側にある副透過帯ＴＳを遮断する可変フィルタ層である。
前記長波長カットフィルタ層は、前記第１端と前記第２端の間の全域において、その遮断帯ＣＬが前記バンドパスフィルタ層の前記主透過波長λＴを透過し、該主透過波長λＴより長波長側にある副透過帯ＴＬを遮断する可変フィルタ層である。
さらに、前記長波長カットフィルタ層は、ある波長領域の光を遮断する多層膜スタックを一つの基本スタックとして、複数の基本スタックを有している。
そして、前記複数の基本スタックのうち、前記第１端近傍において前記遮断帯ＣＬのうち最も短波長側の領域を遮断する第１基本スタックは、前記第１端と前記第２端の間の全域において、前記バンドパスフィルタ層との厚さ比が一定である。このことにより、前記第１端と前記第２端の間の全域において、前記バンドパスフィルタ層の前記主透過波長λＴを透過し、少なくとも前記副透過帯ＴＬの最も短波長側の領域を遮断する線形可変フィルタ層である。
そして、前記第１端近傍において前記遮断帯ＣＬのうち最も長波長側の領域を遮断する第２基本スタックは、前記第１方向に沿って、前記第１端から前記第２端に向かうにしたがって厚くなり、当該第２基本スタックと前記バンドパスフィルタ層との厚さ比が前記第１端における当該厚さ比より小さい部分を有する可変フィルタ層である。

本発明の分光測光装置は、本発明の分光フィルタと、前記第１方向に沿って複数の受光素子が配列され、前記分光フィルタを透過した光を受光するリニアアレイ型光センサとを有する。

本発明の分光フィルタによれば、パンドパスフィルタ層、短波長カットフィルタ層および長波長カットフィルタ層のすべてが透明基板の片面に形成されるので、異なるフィルタ間での多重反射の問題がない。また、最も厚い長波長カットフィルタ層について、長波長側の第２端近傍での最大厚さを従来の物より小さくすることで、分光特性を犠牲にすることなく、内部応力による膜構造の破壊や、基板からのフィルタ層の剥離が生じにくい。

本発明の第１実施形態の分光フィルタの断面構造の模式図である。 （Ａ）バンドパスフィルタ、（Ｂ）短波長カットフィルタ、（Ｃ）長波長カットフィルタ、（Ｄ）分光フィルタの透過スペクトル図である。 短波長カットフィルタ層の遮断帯と基本スタックを説明するための図である。 短波長カットフィルタ層とバンドパスフィルタ層の厚さの関係を説明するための図である。 長波長カットフィルタ層の遮断帯と基本スタックを説明するための図である。 長波長カットフィルタ層の断面構造の模式図である。 本発明の第１実施形態の線形可変バンドパスフィルタと線形可変長波長カットフィルタの透過スペクトル図である。（Ａ）分光フィルタの短波長側の第１端、（Ｂ）分光フィルタの中央付近、（Ｃ）分光フィルタの長波長側の第２端。 第２基本スタックの厚さが許容される範囲を説明するための図である 本発明の第２実施形態の分光フィルタの断面構造の模式図である。 本発明の第３実施形態の分光測光装置の構成を示す図である。 従来の分光フィルタにおける多重反射を説明するための図である。 従来の線形可変バンドパスフィルタと線形可変長波長カットフィルタの透過スペクトル図である。（Ａ）分光フィルタの短波長側の一端、（Ｂ）分光フィルタの中央付近、（Ｃ）分光フィルタの長波長側の一端。

本明細書中で「フィルタ」、「フィルタ層」、「基本スタック」はいずれも、一つの分光学的な機能を有する多層膜の意味で用いられる。また、「フィルタ」は、基板とその基板上に形成されたかかる多層膜を合わせた物を指す場合にも用いられる。

本発明の第１実施形態の分光フィルタを図１〜図８に基づいて説明する。

図１において、本実施形態の分光フィルタ１０は、透明基板１１と、その第１面１２に形成された短波長カットフィルタ（ＳＣＦ）層１５、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）層１４、長波長カットフィルタ（ＬＣＦ）層１６とを有する。各フィルタ層１４、１５、１６は干渉多層膜からなる。各フィルタ層を積層する順番は特に限定されない。ＢＰＦ層、ＳＣＦ層およびＬＣＦ層はいずれも、基板のＸ方向（第１方向）に沿って、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって厚くなる。分光フィルタ１０は、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって透過波長が長くなる線形可変分光フィルタである。図１中の破線は、従来の線形可変分光フィルタの厚さを示している。

透明基板１１の種類は特に限定されず、所要の光学特性を有する石英ガラス板、硼珪酸ガラス板などを好適に用いることができる。透明基板の第１面１２と第２面１３は平行である。

ＢＰＦ層１４は、特定の波長λＴを透過する透過帯域の狭いバンドパスフィルタである。ＢＰＦ層は図２（Ａ）に示したように、主透過波長λＴの光を透過し、λＴの長波長側に副透過帯ＴＬと、λＴの短波長側に副透過帯ＴＳを有する。

このようなＢＰＦ層１４は、主透過波長をλＴとして、光学的厚さλＴ／２の誘電体スペーサ層を、光学的厚さλＴ／４の高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層した干渉ミラー層で挟むことによって実現できる。

ＢＰＦ層１４は、透明基板１１のＸ方向に沿って、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって一定の勾配で厚くなる。これにより、Ｘ方向に沿った位置ｘの変化に比例して主透過波長が移動する。すなわち、ＢＰＦ層は線形可変フィルタ層である。

ＳＣＦ層１５は、図２（Ｂ）に示したように、ＢＰＦ層１４の主透過波長λＴを透過し、短波長側の副透過帯ＴＳを抜ける光を遮断帯ＣＳによって遮断する。

ＳＣＦ層１５は、遮断したい波長の４分の１の光学的膜厚を有する高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層した干渉多層膜、いわゆるλ／４膜によって実現できる。膜の層数を大きくすることによって、遮断できる波長範囲が拡がる。さらに、ある波長に対するλ／４膜を一つの基本スタックとして、遮断する波長範囲が異なる複数の基本スタックを重ねることによって遮断帯ＣＳを拡げることができる。つまり、図３（Ａ）において広い遮断帯ＣＳを得たい場合は、図３（Ｂ）に示すようにλ１を中心波長とする基本スタック（実線）とλ２を中心波長とする基本スタック（破線）を重ね合わせるのである。このとき分光特性のリップル低減等の調整のために、基本スタックの境界部に他の薄膜が挿入されていたり、境界部の膜厚が最適化されていたりしてもよい。

ＳＣＦ層１５は、透明基板１１のＸ方向に沿って、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって厚くなり、それに伴って遮断帯ＣＳが長波長側に移動する可変フィルタである。ＳＣＦ層は、第１端ｘＡと第２端ｘＢの間の全域で、ＢＰＦ層の主透過波長λＴを透過しつつ、短波長側の副透過帯ＴＳを遮断帯ＣＳによって遮断するように分光特性が移動する。好ましくは、図４を参照して、第１端ｘＡと第２端ｘＢの間の全域でＳＣＦ層１５の厚さｔｓｘとＢＰＦ層１４の厚さｔｂｘとの比（ｔｓｘ／ｔｂｘ）が一定の線形可変フィルタ層である。これにより、ＳＣＦ層に所要の上記分光特性が得られるし、後述する成膜時の補正板等をＢＰＦ層と共用できるので製造が容易になる。

また、層の厚さの変化に関し、ある点ｘ（ｘ＞ｘＡ）における「厚さ増加率」を
厚さ増加率＝｛（ｔｘ−ｔＡ）／ｔＡ｝・｛１／（ｘ−ｘＡ）｝
と定義することができる。ここで、ｔｘは位置ｘでの層の厚さ、ｔＡは位置ｘＡ（第１端）での層の厚さである。厚さ増加率をこのように定義すると、厚さの勾配が一定であれば、厚さ増加率は一定となる。また、２つの層の厚さ比が一定であれば、２つの層の厚さ増加率は等しくなる。例えば、第１端ｘＡと第２端ｘＢの間の全域でＳＣＦ層１５の厚さとＢＰＦ層１４の厚さとの比ｔｓｘ／ｔｂｘが一定である場合は、第１端ｘＡと第２端ｘＢの間の全域でＳＣＦ層の厚さ増加率とＢＰＦ層の厚さ増加率は等しい。

ＬＣＦ層１６は、図２（Ｃ）に示したように、ＢＰＦ層１４の主透過波長λＴを透過し、長波長側の副透過帯ＴＬを抜ける光を遮断帯ＣＬによって遮断する。

ＬＣＦ層１６は、ＳＣＦ層１５と同様に、λ／４膜によって実現される。ＬＣＦ層は、ＳＣＦ層より長波長の光を遮断するために、ＳＣＦ層より厚く形成される。

ＬＣＦ層１６も、ＳＣＦ層１５と同様に、透明基板１１のＸ方向に沿って、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって厚くなり、第１端ｘＡと第２端ｘＢの間の全域においてＢＰＦ層１４の主透過波長λＴを透過しつつ、長波長側の副透過帯ＴＬを遮断帯ＣＬによって遮断するように分光特性が移動する。ただし、その厚さの変化に特徴を有する。

図６にＬＣＦ層１６の断面構造を示す。本実施形態のＬＣＦ層は２つの基本スタックを有する。図５を参照して、第１端ｘＡ近傍において遮断帯ＣＬのうち短波長側の領域を遮断する第１基本スタック１７は遮断帯Ｃ１Ｌを有し、長波長側の領域を遮断する第２基本スタック１８は遮断帯Ｃ２Ｌを有する。第１基本スタックと第２基本スタックを構成する材料や層数は異なっていてもよいが、好ましくは同じ高屈折率材料と低屈折率材料を用いて、同じ層数で形成される。製造が容易になるからである。以下において、第１基本スタックと第２基本スタックは同じ材料、層数で、厚さのみが異なるとして説明する。

第１基本スタック１７は、第１端と第２端の間の全域において、ＢＰＦ層１４との厚さ比ｔ１ｘ／ｔｂｘが一定である。つまり、第１基本スタックは第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがってＢＰＦ層１４と等しい一定の厚さ増加率で厚くなる。これにより、第１端と第２端の間の全域において、ＢＰＦ層の主透過波長λＴを透過し、少なくとも副透過帯ＴＬの短波長側の領域を遮断する。

第２基本スタック１８は、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって一定の勾配で厚くなり、本実施形態では第２端における厚さｔ２Ｂは第１基本スタックの厚さｔ１Ｂと等しい。第２基本スタック１８とＢＰＦ層１４との厚さ比ｔ２ｘ／ｔｂｘは、第１端ｘＡにおける当該厚さ比ｔ２Ａ／ｔｂＡより小さい。厚さ増加率を用いて言い換えると、第２基本スタックの厚さ増加率はＢＰＦ層の厚さ増加率より小さい。これにより、図６に破線で示した従来の線形可変ＬＣＦより厚さが抑えられる。

次に、図６に示したＬＣＦ層１６の膜構造による作用を図７に基づいて説明する。図７において、分光フィルタの使用波長範囲はλＰ〜λＱである。図７には、ＢＰＦ層１４の主透過波長λＴとその長波長側の副透過帯ＴＬ、ＬＣＦ層の遮断帯ＣＬを示した。遮断帯ＣＬは第１基本スタック１７による遮断帯Ｃ１Ｌ（実線）と第２基本スタック１８による遮断帯Ｃ２Ｌ（破線）が合成されたものである。

図７（Ａ）において、分光フィルタ１０の第１端ｘＡでは、遮断帯ＣＬは主透過波長λＴの長波長側からλＱまでの広い範囲を遮断する必要がある。

図７（Ｂ）において、分光フィルタの中央付近では、主透過波長λＴはλＰとλＱのほぼ中間の値を取る。第１基本スタックは、ＢＰＦ層との厚さ比が一定である（ＢＰＦ層と厚さ増加率が等しい）ことにより、主透過波長λＴを透過し、遮断帯Ｃ１Ｌは厚さの増加に比例して長波長側へ移動し、λＱを長波長側へ超えて拡がる。第２基本スタックはＢＰＦ層との厚さ比が第１端ｘＡでの厚さ比より小さい（ＢＰＦ層より厚さ増加率が小さい）ので、遮断帯Ｃ２Ｌの移動量は第１基本スタックの遮断帯Ｃ１Ｌより小さく、「ゆっくりと」長波長側へ移動する。これにより、第１基本スタックの遮断帯Ｃ１Ｌと第２基本スタックの遮断帯Ｃ２Ｌの重なりが大きくなる。

図７（Ｃ）において、分光フィルタの第２端ｘＢでは、第２基本スタックの厚さｔ２Ｂは第１基本スタックの厚さｔ１Ｂと等しくなり、遮断帯Ｃ２Ｌは遮断帯Ｃ１Ｌと重なる。本実施形態によってもハッチングした波長範囲が無用に遮断されることになるが、従来例の図１２（Ｃ）と比較すると、無用に遮断される波長範囲が狭いことが分かる。

第２基本スタック１８の厚さが許容される範囲を図８に基づいて説明する。図８の横軸は分光フィルタ１０上のＸ方向での位置、縦軸は第２基本スタックの厚さを示す。厚さｔの記号において、添え字１は第１基本スタック、２は第２基本スタック、Ａは第１端、Ｂは第２端を意味する。

第１端ｘＡにおいて、第２基本スタック１８は第１基本スタック１７より長波長側を遮断するので、厚さｔ２Ａはｔ１Ａより大きい（ｔ２Ａ＞ｔ１Ａ）。第１端ｘＡから第２端ｘＢまでの全域で主透過波長λＴとλＱの間を遮断するには、第２基本スタックの厚さｔ２は第１端ｘＡにおける厚さｔ２Ａ以上であることを要する。すなわち
ｔ２ｘ≧ｔ２Ａ
であって、ｔ２ｘは図８の直線Ｇよりも上側にあることを要する。

第２基本スタックが第１基本スタックより薄くなると、主透過波長λＴを遮断してしまうので、第１端ｘＡから第２端ｘＢまでの全域で、第２基本スタックの厚さｔ２ｘは第１基本スタックの厚さｔ１ｘ以上であることを要する。すなわち、
ｔ２ｘ≧ｔ１ｘ
であって、ｔ２ｘは図８の直線Ｈより上側にあることを要する。

一方、第２基本スタックが厚すぎると、第１基本スタックの遮断帯Ｃ１Ｌと第２基本スタックの遮断帯Ｃ２Ｌの間隔が開いてＬＣＦ層１６の遮断帯ＣＬが分離するおそれがある。したがって第２基本スタックと第１基本スタックとの厚さ比ｔ２ｘ／ｔ１ｘが第１端における厚さ比ｔ２Ａ／ｔ１Ａ以下であることを要する。第１基本スタックとＢＰＦ層１４の厚さ比ｔ１ｘ／ｔｂｘはｘに依らず一定であるから、言い換えると、第２基本スタックとＢＰＦ層との厚さ比ｔ２ｘ／ｔｂｘが第１端における厚さ比ｔ２Ａ／ｔｂＡ以下であることを要する。あるいは、第２基本スタックの厚さ増加率はＢＰＦ層の厚さ増加率より小さい。すなわち、
ｔ２ｘ／ｔ１ｘ≦ｔ２Ａ／ｔ１Ａ、ｔ２ｘ／ｔｂｘ≦ｔ２Ａ／ｔｂＡ
であって、ｔ２ｘは図８の直線Ｉより下側にあることを要する。

以上より、本実施形態の線形可変分光フィルタが機能するためには、第２基本スタックの厚さｔ２ｘが図８中で、直線Ｇまたは直線Ｈの大きい方と、直線Ｉとに挟まれた領域にあることを要する。

第２基本スタック１８の厚さｔ２ｘが第１端と第２端の間の全域で直線Ｉ上にある場合、このＬＣＦ層１６は従来の線形可変フィルタに他ならず、本実施形態の目的とする厚さ低減効果が得られない。厚さ低減効果を得るためには、第２基本スタックとＢＰＦ層との厚さ比ｔ２ｘ／ｔｂｘが、第１端ｘＡと第２端ｘＢの間の少なくとも一部分において、第１端における当該厚さ比ｔ２Ａ／ｔｂＡより小さいことを要する。つまり、第２基本スタックの厚さ増加率が、第１端ｘＡと第２端ｘＢの間の少なくとも一部分において、ＢＰＦ層の厚さ増加率より小さいことを要する。

好ましくは、第２基本スタックの厚さｔ２ｘが、第１端ｘＡと第２端ｘＢの間の全域で、第２端での第１基本スタックの厚さｔ１Ｂと、従来の線形可変ＬＣＦにおける第２端での第２基本スタックの厚さｔ２Ａ・（ｔ１Ｂ／ｔ１Ａ）の平均以下である。すなわち、
ｔ２ｘ≦｛（ｔ１Ａ＋ｔ２Ａ）／２｝・（ｔ１Ｂ／ｔ１Ａ）
であって、ｔ２ｘは図８の直線Ｊより下側にある。特に好ましくは、第２端における第２基本スタックの厚さｔ２Ｂが、第１基本スタックの厚さｔ１Ｂと一致する。この場合は、第２端において第１基本スタックと第２基本スタックの遮断する波長範囲が一致して、図７（Ｃ）に示した分光特性が得られる。

好ましい厚さ分布の一例として、図８における折れ線Ｋでは、第２基本スタックは、第１端ｘＡから所定位置ｘＦまではＢＰＦ層との厚さ比を一定に保ちながら厚くなり、ｘＦから第２端ｘＢまでは厚さは増加せず一定である。すなわち、
ｔ２ｘ／ｔｂｘ＝一定 （ｘＡ≦ｘ≦ｘＦ）
ｔ２ｘ＝一定 （ｘＦ≦ｘ≦ｘＢ）

好ましい厚さ分布の他の例として、図８における直線Ｌでは、第２基本スタックの厚さは、第１端ｘＡから第２端ｘＢに向かうにしたがって、一定の勾配で大きくなる。このとき、第２基本スタックとＢＰＦ層の厚さ比ｔ２ｘ／ｔｂｘは第１端における当該厚さ比ｔ２Ａ／ｔｂＡより小さく、第２基本スタックの厚さ増加率は第１端と第２端の間の全域で一定であってＢＰＦ層の厚さ増加率より小さい。この厚さ分布によれば、製造工程におけるロバスト性が向上する。厚さが設計値から多少ずれても、ＢＰＦ層の主透過波長λＴを遮断せず、使用波長の上限λＱ近傍を遮断するので、ＬＣＦ層としての機能を維持できる。図８の直線Ｍは、第２基本スタックが一定の厚さ増加率で大きくなり、第２端における厚さｔ２Ｂが第１基本スタックの厚さｔ１Ｂと一致している。

なお、第１基本スタックと第２基本スタックの構成材料または層数が異なる場合は、第２基本スタックの好ましい態様は分光特性に基づいて定められる。好ましくは、第１基本スタックの遮断帯Ｃ１Ｌと第２基本スタックの遮断帯Ｃ２Ｌは、第２端ｘＢにおいて、それぞれが遮断する波長範囲が互いに半分以上重なる。特に好ましくは、第１基本スタックの遮断帯Ｃ１Ｌと第２基本スタックの遮断帯Ｃ２Ｌは、第２端ｘＢにおいて一致する。

本実施形態の分光フィルタの使用波長範囲は、適当な透過スペクトルを有する透明基板を採用することにより、２００ｎｍ〜１００００ｎｍとすることができる。しかし、使用波長範囲の下限、すなわち第１端ｘＡにおけるＢＰＦ層１４の主透過波長は、好ましくは７００ｎｍ以上であり、より好ましくは９００ｎｍ以上である。光学フィルタは対象とする光の波長に比例して厚くなるので、赤外線を対象とする場合にフィルタ厚さが大きな問題となりやすいからである。一方、使用波長範囲の上限、すなわち第２端ｘＢにおけるＢＰＦ層の主透過波長は、好ましくは２５００ｎｍ以下であり、より好ましくは１８００ｎｍ以下である。使用波長の上限が大きすぎると、本実施形態の構造によっても、フィルタ層の内部応力が過大となる可能性があるからである。

本実施形態は、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、ＬＣＦ層１６の基本スタックの数は２ではなく、３以上であってもよい。その場合、第１端ｘＡにおいて、第１基本スタックが遮断する波長範囲と第２基本スタックが遮断する波長範囲の間をその他の基本スタックが遮断するようにして、ＬＣＦ層全体として、第１端と第２端の間の全域においてＢＰＦ層の主透過波長λＴを透過し、副透過帯ＴＬを遮断すればよい。他の基本スタックの厚さ増加率はＢＰＦ層と等しくてもよいし、好ましくは、第２基本スタックと同様に厚さ増加率がＢＰＦ層より小さな部分を設けてもよい。

また、例えば、ＳＣＦ層１５が複数の基本ブロックを有する場合には、ＬＣＦ層と同様に、一部の基本スタックの厚さ増加率を調整してもよい。ただし、ＳＣＦ層については、かかる調整によって厚さ低減効果が得られることはない。

本実施形態の分光フィルタの製造方法は特に限定されず、真空蒸着など各種公知の成膜法を用いて高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層することで製造できる。高屈折率材料としてはＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５など、低屈折率材料としてはＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２など、それぞれ公知の誘電体を好適に用いることができる。そして、材料の蒸発源と基板の間にスリット型マスク等の補正板を配置して、補正板の形状や基板と補正板の位置関係を調整して膜厚勾配を与えることで、可変フィルタを形成することができる。本実施形態の分光フィルタでは、第２基本スタック形成時に補正板の形状や位置を変更することで、第１基本スタックその他のフィルタ層と膜厚勾配を変えることができる。

本発明の第２実施形態の分光フィルタを図９に基づいて説明する。

本実施形態の分光フィルタ２０では、第１実施形態の分光フィルタ１０の透明基板１１の第２面１３に、所定の波長範囲より長波長および／または短波長の光を遮断する固定フィルタ層２１が形成されている。固定フィルタとは、フィルタの位置によらず分光特性が変わらないフィルタをいう。好ましくは、固定フィルタ層２１は所定の波長範囲より長波長の光を遮断する。より好ましくは、固定フィルタ層２１は所定の波長範囲より長波長および短波長の光を遮断する。

一般に、線形可変分光フィルタを用いる場合には、まず用途に応じて必要な波長範囲が定まり、その所要波長範囲の全域に感度を有する受光素子が選択される。その結果、分光フィルタのカットフィルタ層（ＬＣＦ層およびＳＣＦ層）は所要波長範囲だけでなく、受光素子が感度を有する波長範囲の全域を遮断する必要がある。遮断範囲が広がるほどカットフィルタ層、特にＬＣＦ層が厚くなることは、前述のとおりである。本実施形態の分光フィルタ２０では、カットフィルタ層に入射する光またはカットフィルタ層を抜けた光のうち、所要波長範囲外の光を固定フィルタ層２１で遮断することにより、カットフィルタ層の厚さを抑えることができる。

固定フィルタ層２１は、分光フィルタ２０の使用波長範囲外の光を遮断する。固定フィルタ層は、好ましくは２０００ｎｍ以上の光を遮断し、より好ましくは１９００ｎｍ以上の光を遮断する。一方、固定フィルタ層は、好ましくは６００ｎｍ未満の光を遮断し、より好ましくは８００ｎｍ未満の光を遮断する。これらの光を遮断しても、赤外線膜厚計や液体成分計等の有用な用途に使用することができる。

本発明の第３実施形態の分光測光装置を図１０に基づいて説明する。

図１０において、本実施形態の分光測光装置４０は、被測定光が進む光路上に、光学系４１と、第２実施形態の分光フィルタ２０と、リニアアレイ型の光センサ４２をこの順に備える。

光学系４１は、シリンドリカルレンズ等を組み合わせることにより、被測定光をシート状に変換して光センサに入射させる。

分光フィルタ２０は上記第２実施形態で説明した物である。分光フィルタとして上記第１実施形態の分光フィルタ１０を用いる場合は、固定フィルタ層２１の代わりに、他の基板上に形成された固定フィルタを、光路上の分光フィルタ１０の前または後に配置することが好ましい。

光センサ４２は、受光素子が線状に配列されたリニアアレイ型の光センサである。受光素子の種類は、分光測光装置の使用目的に応じて選択できる。例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＩｎＳｂ、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）などの受光素子を用いることができる。

本発明の分光フィルタまたは分光測光装置は、赤外分光による濃度計、水分計、ガス分析計、膜厚計などに好適に用いることができる。

１０ 分光フィルタ
１１ 透明基板
１２ 第１面
１３ 第２面
１４ バンドパスフィルタ層
１５ 短波長カットフィルタ層
１６ 長波長カットフィルタ層
１７ 第１基本スタック
１８ 第２基本スタック
２０ 分光フィルタ
２１ 固定フィルタ層
４０ 分光測光装置
４１ 光学系
４２ リニアアレイ型光センサ
５０ 分光フィルタ
５１ 透明基板
５４ バンドパスフィルタ
５６ 長波長カットフィルタ
λＴ 主透過波長
ＴＳ 短波長側の副透過帯
ＴＬ 長波長側の副透過帯
ＣＳ 短波長カットフィルタ層の遮断帯
ＣＬ 長波長カットフィルタ層の遮断帯
Ｃ１Ｌ 第１基本スタックの遮断帯
Ｃ２Ｌ 第２基本スタックの遮断帯
ｔｂｘ、ｔｂＡ ＢＰＦ層のそれぞれ位置ｘ、第１端における厚さ
ｔｓｘ ＳＣＦ層の位置ｘにおける厚さ
ｔ１ｘ、ｔ１Ａ、ｔ１Ｂ 第１基本スタックのそれぞれ位置ｘ、第１端、第２端における厚さ
ｔ２ｘ、ｔ２Ａ、ｔ２Ｂ 第２基本スタックのそれぞれ位置ｘ、第１端、第２端における厚さ
ｘＡ 第１端
ｘＢ 第２端

Claims (9)

1. 透明基板と、
   前記透明基板の第１面に形成されたバンドパスフィルタ層、短波長カットフィルタ層および長波長カットフィルタ層とを有し、
   前記バンドパスフィルタ層は、基板の第１方向に沿って、第１端から第２端に向かうにしたがって厚さが一定の勾配で大きくなることにより主透過波長λＴが長くなる線形可変フィルタ層であり、
   前記短波長カットフィルタ層は、前記第１端と前記第２端の間の全域において、前記バンドパスフィルタ層の前記主透過波長λＴを透過し、該主透過波長λＴより短波長側にある副透過帯ＴＳを遮断帯ＣＳにより遮断する可変フィルタ層であり、
   前記長波長カットフィルタ層は、前記第１端と前記第２端の間の全域において、前記バンドパスフィルタ層の前記主透過波長λＴを透過し、該主透過波長λＴより長波長側にある副透過帯ＴＬを遮断帯ＣＬにより遮断する可変フィルタ層であって、かつ、
   前記長波長カットフィルタ層は、ある波長領域の光を遮断する多層膜スタックを一つの基本スタックとして、複数の基本スタックを有し、
   前記複数の基本スタックのうち、前記第１端近傍において前記遮断帯ＣＬのうち最も短波長側の領域を遮断する第１基本スタックは、前記バンドパスフィルタ層との厚さ比が一定であることにより、前記第１端と前記第２端の間の全域において、前記主透過波長λＴを透過し、少なくとも前記副透過帯ＴＬの最も短波長側の領域を遮断する線形可変フィルタ層であり、
   前記第１端近傍において前記遮断帯ＣＬのうち最も長波長側の領域を遮断する第２基本スタックは、前記第１端から前記第２端に向かうにしたがって厚くなり、当該第２基本スタックと前記バンドパスフィルタ層との厚さ比が前記第１端における当該厚さ比より小さい部分を有する可変フィルタ層である、
   分光フィルタ。
2. 前記短波長カットフィルタ層は、前記第１端と前記第２端の間の全域において、前記バンドパスフィルタ層との厚さ比が一定の線形可変フィルタ層である、
   請求項１に記載の分光フィルタ。
3. 前記第１基本スタックと前記第２基本スタックは、前記第２端において、それぞれが遮断する波長範囲が互いに半分以上重なっている、
   請求項１または２に記載の分光フィルタ。
4. 前記第１基本スタックと前記第２基本スタックは、同じ材料と層数からなる、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の分光フィルタ。
5. 前記第２基本スタックは、前記第１端から前記第２端に向かうにしたがって厚さが一定の勾配で大きくなる線形可変フィルタ層である、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の分光フィルタ。
6. 前記主透過波長λＴは、前記第１端において７００ｎｍ以上であり、前記第２端において２５００ｎｍ以下である、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の分光フィルタ。
7. 所定の波長範囲より長波長および／または短波長の光を遮断する固定フィルタ層が、前記透明基板の第２面に形成された、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載された分光フィルタ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載された分光フィルタと、
   前記第１方向に沿って複数の受光素子が配列され、前記分光フィルタを透過した光を受光するリニアアレイ型光センサと、
   を有する分光測光装置。
9. 光路上の前記分光フィルタの前または後に、所定の波長範囲より長波長および／または短波長の光を遮断する固定フィルタをさらに有する、
   請求項８に記載の分光測光装置。

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