JPH01310302A - 分光フイルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はカメラ、顕微鏡、光学測定機器などに用いら
れる波長４００〜８００ｎｍの可視域の入射光を透過光
と反射光とに分離するための分光フィルターに関する。

〔従来の技術〕

この種の分光フィルターは一般にハーフミラ−とも言わ
れ、従来では、ガラスまたはプラスチックからなる透明
基体の片面に金、銀、アルミニウム、銅などの金属薄膜
を積層したものや、上記同様の透明基体の片面にＴｉｅ
、　、ＺｎＳ、ＺｒＯ２などの高屈折率の誘電体とＭｇ
Ｆ、　、Ｎａ、、ＡＩ　Ｆ　ｂ　、Ｓ　ｉ　Ｏｚなどの
低屈折率の誘電体とからなる複合誘電体薄膜を数段積層
したものなどが知られている。

これら分光フィルターにおいて、入射光に対する透過光
および反射光の比率、つまり可視光線透過率および可視
光線反射率は、各波長によって相違し、４００〜８００
ｎｍの可視域全域においてばらつき（分布）を有してい
る。このため、上記透過率および反射率は通常可視域全
域での平均値にて表わされるが、この平均値はまた金属
薄膜または複合誘電体薄膜の種類や厚みによって変化し
、これら要因が特定されたときに一定の値をとることに
なる。

もちろん、上記の平均値は分光フィルターが前記いずれ
のタイプであるかによって限られた範囲内に規制される
。すなわち、金属薄膜を積層したタイプのものでは、上
記平均値が可視光線透過率で１０〜４０％の範囲、可視
光線反射率で６０〜９０％の範囲となり、また複合誘電
体薄膜を積層したタイプのものでは、上記平均値が可視
光線透過率で３０〜８０％の範囲、可視光線反射率で２
０〜７０％の範囲となる。このため、従来では、上記の
分光特性を目安として、その用途範囲がある程度決めら
れていたのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、上述の従来の分光フィルターは、いずれも可
視光線透過率および可視光線反射率の可視域全域でのば
らつきが非常に大きすぎるという難点があった。すなわ
ち、可視光＆’！透過率では可視域（４００〜８００ｎ
ｍ）全域での中心値〔（最大透過重子最小透過率）ＸＩ
／２）に対し、また可視光線反射率では可視域全域での
中心値〔（最大反射重子最小反射率）ｘｉ／２）に対し
、金属薄膜を積層したタイプのものでそれぞれ±１５％
を超えるばらつき、複合誘電体薄膜を積層したタイプの
ものでそれぞれ±２０％以上のばらつきを有していた。

このようなばらつきは、入射光と透過光および反射光と
の間に大きな色相差を生じさせることになり、これが原
因で入射光（光学像）とほぼ同一の色相を有する透過光
および反射光が得られず、分光フィルターとしてはその
用途上大幅な規制を受けることになる。

したがって、この発明は、上記のばらつきが小さくて入
射光とほぼ同一の色相を有する透過光および反射光を得
ることができ、しかも光の吸収損失の少ない、つまり入
射光をほぼ透過光と反射光とに２分しうる光学特性にす
ぐれた分光フィルターを提供することを目的としている
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意検討
した結果、透明基体上に特定膜厚の金属薄膜をふたつの
誘電体薄膜で挟み込んだサンドイッチ構造の積層膜を形
成した分光フィルターによれば、可視光線透過率および
可視光線反射率の前記ばらつきが小さくなって入射光と
ほぼ同一の色相を有する透過光および反射光を得ること
ができるうえに、光の吸収損失の少ない、すぐれた光学
特性を発揮させうるちのであることを知り、この発明を
完成するに至った。

すなわち、この発明は、透明基体の片面に誘電体薄膜と
膜厚５０〜２５０人の金属薄膜と膜厚３００〜１，５０
０人の誘電体薄膜とがこの順に積層されてなり、可視光
線透過率の可視域（４００〜８００ｎｍ）全域のばらつ
きが中心値〔（最大透過重子最小透過率）ＸＩ／２）に
対し±１５％以下、可視光線反射率の同ばらつきが中心
値〔（最大反射率＋最小反射率）Ｘｉ／２）に対し±１
５％以下であることを特徴とする入射光を透過光と反射
光とに分離するための分光フィルターに係るものである
。

この分光フィルターは、金属薄膜やふたつの誘電体薄膜
の種類と上記特定範囲内での膜厚の選択により、可視域
全域での可視光線透過率および可視光線反射率の平均値
を種々の値、一般には可視光線透過率の上記平均値が３
０〜７０％の範囲、可視光線反射率の上記平均値が３０
〜７０％の範囲に設定でき、上記平均値の幅が比較的広
いために、用途範囲の広い分光フィルターを提供できる
ものである。

なお、以下の説明では、可視光線透過率を透過率（Ｔ）
、その可視域（４００〜８００ｎｍ）全域での平均値を
平均透過率（Ｔａ）、同中心値〔（最大透過重子最小透
過率）Ｘｉ／２）に対するばらつきを透過率分布（Ｔσ
）と略称し、また可視光線反射率を反射率（Ｒ）、その
可視域（４００〜８００ｎｍ）全域での平均値を平均反
射率（Ｒａ）、同中心値〔（最大反射率＋最小反射率）
×１７２〕に対するばらつきを反射率分布（Ｒａ）と略
称することにする。

〔発明の構成・作用〕

この発明における透明基体としては、ガラスや、ポリエ
ステル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、
ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリル樹脂、ポ
リテトラフルオロエチレン、トリアセテートなどのプラ
スチックからなるシート、フィルム、その他の成形品が
用いられ、透明性を保持しうる限りその厚みは特に限定
されず、用途目的に応じて適宜選択される。

この透明基体はその表面にあらかじめスパッタリング、
コロナ放電、火炎、紫外線照射、電子線照射、化成、酸
化などのエツチング処理や下塗り処理を施して、この上
に設けられる誘電体薄膜や金属薄膜の上記基体に対する
密着性を向上させるようにしてもよい。また、誘電体薄
膜や金属薄膜を設ける前に、必要に応じて溶剤洗浄や超
音波洗浄などによって除塵、ン〃浄化してもよい。

この発明においては、上記の透明基体の片面に、第１層
として誘電体薄膜を、第２層として金属薄膜を、さらに
第３層として上記の第１層と同様の誘電体薄膜を、順次
形成した、つまり金属薄膜をその上下ふたつの誘電体薄
膜で挟み込んだサンドイッチ構造の積層膜を形成したこ
とを特徴とするものである。

ここで、第１．３層を構成させる誘電体薄膜の材料とし
ては、誘電体としての機能を有する公知の金属酸化物、
金属硫化物、金属弗化物などが挙げられ、このうち可視
光に対して１，３〜２．３の屈折率を有し、かつこれ自
体の透過率（Ｔ）が５０％以上、特に７０％以上となる
ものが好ましく用いられる。

代表的な誘電体材料としては、Ｍｇ　Ｆｚ　、Ｓ　ｉＯ
Ｘ　ＳＳ　ｎ　ＯＸ　　（いずれもＱ＜ｘ≦２）　、Ｚ
ｎＳなどがあり、その他Ｓ　ｌｘ　０３　、Ａｌｚ　０
３　、Ｔｉ０ｚ、Ｔｉ０１Ｂ　ｉｚ　０３　、Ｉ　ｎｚ
　Ｏ＋　−ｚ　、ＺｒＱｚなども使用できる。これら材
料は一種であっても二種以上を併用してもよい。

この誘電体薄膜の形成方法としては、たとえば真空蒸着
法、スパッタリング法、イオンブレーティング法、塗工
法などがあり、上記材料の種類および必要とする膜厚に
応じて適宜の方法を採用することができる。

誘電体薄膜の膜厚は、第１層では特に限定されず、種々
の膜厚をとりうるが、好ましくは３００〜１，５００人
の範囲に設定するのがよい。薄すぎては連続被膜となり
に＜＜、逆に厚すぎるとクラックが生じるなどのおそれ
があり、好ましくない。

一方、第３層では３００〜１，５００人の範囲に設定す
ることが必要で、特に好適には５００〜１，０００人の
範囲に設定するのがよい。第３層の膜厚が３００人より
薄くなると、連続被膜となりにくいため、また１、５０
０人を超えると、各波長に対する干渉効果が増大するた
め、いずれもこの発明の目的とする透過率分布（Ｔｉ）
および反射率分布（Ｒσ）の小さい分光フィルターが得
られない。

なお、第１層の誘電体薄膜は、これを設けることにより
、第２層の金属薄膜の透明基体に対する密着強度の向上
に大きく寄与するが、この第１層の誘電体薄膜と第３層
の誘電体薄膜とは、その材料および膜厚が同一であって
も、異なっていてもよい。分光フィルターの用途目的に
応じて適宜選択できるものである。

また、第２層を構成させる金属薄膜の材料としては、金
（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａ
ｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム
（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）などの各種の金属ないし合金か
らなるものがいずれも使用できる。これらの中でも可視
域の光の吸収損失の少ない金属ないし合金が好ましく、
特に金、銀、銅、パラジウムなどからなるものが好適で
ある。

この金属薄膜の形成方法としては、たとえば真空蒸着法
、スパッタリング法、イオンブレーティング法、気相メ
ツキ法、化学メツキ法、電気メツキ法、化学コーティン
グ法およびこれらの組み合わせ法などがある。膜の均一
性、形成速度および作業性の面では真空蒸着法が最も好
ましい。

金属薄膜の膜厚は、５０〜２５０人の範囲に設定するこ
とが必要で、特に好適には８０〜２００人の範囲に設定
するのがよい。５０人より薄くなると、透過率（Ｔ）は
高くなるが、そのぶん反射率（Ｒ）が低くなりすぎ、ま
た光の吸収損失も高くなるといった欠点のほか、酸化安
定性などが損なわれ、安定した光学特性が得られなくな
る。また、２５０人を超えると、透過率（Ｔ）が著しく
低くなるため、分光フィルターとしての用途に適さなく
なる。

このように、この発明においては、透明基体の片面に第
１層として誘電体薄膜を、第２層として特定膜厚の金属
薄膜を、さらに第３層として特定膜厚の誘電体薄膜を、
順次積層するようにしたものであるが、かかる積層膜と
すると金属薄膜単独の場合と較べて光の散乱、干渉、透
過、吸収などの挙動に変化が生じ、この変化が透過率（
Ｔ）および反射率（Ｒ）の波長依存性を小さくするべく
作用して、透過率分布（Ｔａ）および反射率分布（Ｒａ
）が著しく小さくなるという格別の作用効果が達成され
るものである。

すなわち、上記膜構成とすることにより、透過率分布（
Ｔａ）および反射率分布（Ｒａ）共に±１５％以下、通
常では±１３％以下、特に好適には±ｌθ％以下となり
、この場合透過光および反射光は入射光とほぼ同一の色
相を呈するようになる。しかも、上記構成によると、光
の吸収損失が小さくなり、入射光をほぼ透過光と反射光
とに２分でき、分離光の利用効率の面でも望ましい結果
が得られるものである。

さらに、上記の構成においては、上下層の誘電体薄膜、
特に上層の誘電体薄膜が中間層としての金属薄膜の保護
膜としても機能し、その結果従来の金属薄膜単独の場合
の耐摩耗性、耐溶剤性、耐薬品性、耐熱性などが改善さ
れ、耐久性に非常にすぐれた分光フィルターとして安定
した分光特性を発揮させうるという利点もある。

この分光フィルターの平均透過率（Ｔａ）および平均反
射率（Ｒａ）は、既述のとおり、金属薄膜や誘電体薄膜
の種類および膜厚によって変化するが、一般には平均透
過率（Ｔａ）が３０〜７０％の範囲、特に好適には４０
〜６０％の範囲、平均反射率（Ｒａ）が３０〜７０％、
特に好適には４０〜６０％の範囲に設定でき、この範囲
内で具体的な用途目的に応じて任意に選択することが可
能である。

なお、この発明の分光フィルターにおいて、膜の耐擦傷
性を向上させる目的で、第３層の誘電体薄膜上にさらに
有機物や無機物からなる透明なハードコート層を必要に
応じて設けるようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、透過率分布（Ｔａ）
および反射率分布（Ｒａ）がいずれも小さくて入射光と
ほぼ同一の色相を有する透過光および反射光を得ること
ができるうえに、光の吸収損失が少なく、しかも耐久性
にすぐれた分光フィルターを提供することができる。

また、この分光フィルターは平均透過率（Ｔａ）および
平均反射率（Ｒａ）を比較的広い範囲内で任意に設定で
きるし、金属薄膜とその上下層の誘電体薄膜とを順次積
層するだけの操作で上述の如き光学特性にすぐれたもの
とすることができるために、前記複合誘電体薄膜を設け
る従来のものに比し生産性やコスト面でも有利となる。

このため、この発明の分光フィルターは、カメラ、顕微
鏡、光学測定機器などの光学機器のほか、光の入射角を
９０度以下（通常約４５度）とすることにより入射光の
ｐ−成分とＳ−成分とをほとんど損失なく９０度に分離
する偏光ビームスバッタ（偏光分離器）としても使用で
き、光によるビデオディスク、光メモリ−、光通信など
への他方面への応用が可能となる。

〔実施例〕

以下に、この発明の実施例を記載してより具体的に説明
する。なお、以下に示す透過率（Ｔ）および反射率（Ｒ
）の測定は、島津製作所製の分光分析装置ＵＶ−２４０
を用いて行ったものである。

実施例１ ベルジャ内を１〜２Ｘ１０−’Ｔｏｒｒに排気したのち
、タングステンボードに装入したＺｎＳを抵抗加熱法に
より、蒸発源から約２０ｃｎの距離にセットされた厚さ
１００μｍのポリエステルフィルムの片面に、数人７秒
の蒸着速度で真空蒸着して、膜厚６００人のＺｎＳ薄膜
からなる第１層を形成した。

つぎに、この第１層上に、Ａｇを抵抗加熱法により、真
空度１〜２Ｘ１０−’Ｔｏｒｒ、蒸着速度数十人／秒の
条件下で真空蒸着して、膜厚１２０人のＡｇ薄膜からな
る第２層を形成した。さらに、この第２層上に、再びＺ
ｎＳを前記と同様の操作で真空蒸着して、膜厚６００人
のＺｎＳ薄膜からなる第３層を形成して、第１図に示す
構造のフィルム状の分光フィルターを得た。

なお、第１図中、■はポリエステルフィルムからなる透
明基体、２．４はＺｎＳからなる誘電体薄膜、３はＡｇ
からなる金属薄膜である。

この分光フィルターの光学特性を調べるために、可視域
（４００〜８００層ｍ）全域の透過率（Ｔ）と同反射率
（Ｒ）を測定した。この結果を、第２図に示す０図中、
実線−ａ、は透過率（Ｔ）、点線−す、は反射率（Ｒ）
である。

この第２図から、透過率（Ｔ）は可視域全域で４０〜４
８％の範囲にあり、その中心値〔（４０＋４８）ｘｉ／
２）に対するばらつき、つまり透過率分布（Ｔａ）が±
４％と小さく、また反射率（Ｒ）は可視域全域で５２〜
６０％の範囲にあり、その中心値〔（５２＋６０）Ｘｉ
／２）に対するばらつき、つまり反射率分布（Ｒａ）が
±４％と小さいものであることが判る。また、この第２
図から、入射光はほぼ透過光と反射光とに２分されてお
り、光の吸収損失の少ないものであることも明らかであ
る。なお、この分光フィルターの平均ｉ３ｉ！率（Ｔ　
ａ　）は４４％、平均反射率（Ｒａ）は５５％であった
。

つぎに、上記の実施例１において、第２層のＡｇ薄膜の
膜厚を種々変化させて平均透過率（Ｔａ）および平均反
射率（Ｒａ）の異なる複数個の分光フィルターを作製し
たところ、上記膜厚が５０〜２５０人の範囲のものでは
透過率分布（Ｔａ）および反射率分布（Ｒａ）共に±１
０％以下の範囲にあり、かつ光の吸収損失も少なく、ま
た酸化安定性などの耐久性にもすぐれていることが確認
された。

一方、上記膜厚が５０人より薄くなると、平均反射率（
Ｒａ）が低くなりすぎるとともに光の吸収損失も高くな
り、さらに酸化安定性などの耐久性にも劣り、また上記
膜厚が２５０人を超えると平均透過率（Ｔａ）が低くな
りすぎるといった問題が生じはじめ、これらの問題を回
避して分光フィルターとして適した特性を付与するため
には、前記５０〜２５０人の範囲に設定すべきであるこ
とが確認された。

比較例１ 実施例１において第１．３層のＺｎＳからなる誘電体薄
膜をいずれも形成せず、膜厚１２０人のＡｇ薄膜のみを
設けたものを比較用の分光フィルターとした。この分光
フィルターの光学特性を実施例１と同様にして調べた。

この結果を第３図に示す。図中、実線−ａ２は透過率（
Ｔ）、点線−ｂ！は反射率（Ｒ）である。

この第３図から、透過率（Ｔ）は可視域全域で２２〜５
７％の範囲にあり、その中心値〔（２２＋５７）ＸＩ／
２）に対するばらつき、つまり透過率分布（Ｔａ）が±
１８％と大きく、また反射率（Ｒ）は可視域全域で４０
〜７８％の範囲にあり、その中心値〔（４０＋７８）Ｘ
Ｉ／２）に対するばらつき、つまり反射率分布（Ｒａ）
が±１９％と大きいものであることが判る。

また、この分光フィルターは、誘電体薄膜を有しないも
のであるため耐久性に劣り、安定した分光特性を発揮さ
せにくいという難点があることも判明した。なお、この
分光フィルターの平均透過率（Ｔ　ａ　）は３７．５％
、平均反射率（Ｒａ）は６２．５％であった。

実施例２ 第１層のＺｎＳからなる誘電体薄膜の膜厚を５００人に
変更した以外は、実施例１と同様にして分光フィルター
を作製した。この分光フィルターにつき、実施例１と同
様にして光学特性を調べたところ、透過率（Ｔ）の範囲
は３５〜５３％で、透過率分布（Ｔａ）は±９％であり
、反射率（Ｒ）の範囲は４７〜６５％で、反射率分布（
Ｒａ）は±９％であった。また、この分光フィルターの
平均透過率（Ｔａ）は４７％、平均反射率（Ｒａ）は５
３％であった。

実施例３〜６ 第３層のＺｎＳからなる誘電体薄膜の膜厚を、３００人
（実施例３）、５００人（実施例４）、１．０００人（
実施例５）および１，５００人（実施例６）に変更した
以外は、実施例１と同様にして４種の分光フィルターを
作製した。各分光フィルターにつき、実施例１と同様に
して光学特性を調べた。この結果をつぎの第１表に示す
。

比較例２．３ 第３層のＺｎＳからなる誘電体薄膜の膜厚を、２００人
（比較例２）および２．０００人（比較例３）に変更し
た以外は、実施例１と同様にして２種の分光フィルター
を作製した。各分光フィルターにつき、実施例１と同様
にして光学特性を調べた。この結果をつぎの第１表に示
す。

上記第１表の結果から明らかなように、ＺｎＳからなる
第３層の誘電体薄膜の膜厚を、いずれもこの発明の範囲
内である３００−１，５００人に設定した実施例３〜６
の分光フィルターは、透過率分布（Ｔａ）および反射率
分布（Ｒａ）がそれぞれ±１５％以ドに抑えられている
のに対し、上記範囲外の膜厚とした比較例２．３の分光
フィルターは上記両分布がそれぞれ１）５％を超える値
となっており、この発明の目的とするような入射光とほ
ぼ同一色相の透過光および反射光を得にくいものである
ことが判る。

実施例７ 第１，３層の誘電体薄膜をそれぞれ膜厚５５０人のＴ　
ｉ　Ｏｚからなるものに変更した以外は、実施例１と同
様にして分光フィルターを作製した。

この分光フィルターにつき、実施例１と同様にして光学
特性を調べたところ、透過率（Ｔ）の範囲は４５〜５４
％で、透過率分布（Ｔａ）は±４．５％であり、反射率
（Ｒ）の範囲は４６〜５５％で、反射率分布（Ｒａ）は
±４．５％であった。また、この分光フィルターの平均
透過率（Ｔ　ａ　）は５０％、平均反射率（Ｒａ）は４
９％であった。

実施例８ 第１，３層の誘電体薄膜をそれぞれ膜厚６５０人のＳｉ
ｎ、（０＜ｘ＜２）からなるものに変更した以外は、実
施例１と同様にして分光フィルターを作製した。この分
光フィルターにつき、実施例１と同様にして光学特性を
調べたところ、透過率（Ｔ）の範囲は３５〜４３％で、
透過率分布（Ｔａ）は±４％であり、反射率（Ｒ）の範
囲は５７〜６５％で、反射率分布（Ｒａ）は±４％であ
った。また、この分光フィルターの平均透過率（Ｔａ）
は４０％、平均反射率（Ｒａ）は５９％であった。

実施例９ 第２層の金属薄膜を膜１￥１３０人のＡｌからなるもの
に変更した以外は、実施例１と同様にして分光フィルタ
ーを作製した。この分光フィルターにつき、実施例１と
同様にして光学特性を調べたところ、透過率（Ｔ）の範
囲は３５〜３９％で、透過率分布（Ｔσ）は±２％であ
り、反射率（Ｒ）の範囲は５３〜６１％で、反射率分布
（Ｒａ）は±４％であった。また、この分光フィルター
の平均透過率（Ｔ　ａ　）は３７％、平均反射率（Ｒａ
）は５６％であった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の分光フィルターの一例を示す断面図
、第２図は実施例１の分光フィルターの光学特性を示す
特性図、第３図は比較例１の分光フィルターの光学特性
を示す特性図である。 １・・・透明基体、２．４・・・誘電体薄膜、３・・・
金属薄膜 特許出願人　　日東電気工業株式会社 二Ｃ”ｊ’　（’ｎ　　　反狙手〔Ｒ］（ｚ）→。　　
ア　　←＜’／、）峡濾餐♀　　　　ゝ−Ｎ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　釦派　　快　　
　　　　　　　　　　　柵五桁ｋ〔Ｒ）（−／、）→ Ｉ　←（γ）印ぎ丁乎

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明基体の片面に誘電体薄膜と膜厚５０〜２５０
   Åの金属薄膜と膜厚３００〜１，５００Åの誘電体薄膜
   とがこの順に積層されてなり、可視光線透過率の可視域
   （４００〜８００ｎｍ）全域のばらつきが中心値〔（最
   大透過率＋最小透過率）×１／２〕に対し±１５％以下
   、可視光線反射率の同ばらつきが中心値〔（最大反射率
   ＋最小反射率）×１／２〕に対し±１５％以下であるこ
   とを特徴とする入射光を透過光と反射光とに分離するた
   めの分光フィルター。
2. （２）可視光線透過率の可視域（４００〜８００ｎｍ）
   全域での平均値が３０〜７０％の範囲、可視光線反射率
   の同平均値が３０〜７０％の範囲にある請求項（１）に
   記載の分光フィルター。