JPH10115710A - 光学特性変化の少ない光学素子及びその製造方法 - Google Patents

光学特性変化の少ない光学素子及びその製造方法

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JPH10115710A
JPH10115710A JP8268530A JP26853096A JPH10115710A JP H10115710 A JPH10115710 A JP H10115710A JP 8268530 A JP8268530 A JP 8268530A JP 26853096 A JP26853096 A JP 26853096A JP H10115710 A JPH10115710 A JP H10115710A
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thin film
optical
optical thin
capsule
dielectric
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JP8268530A
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Atsushi Nagatsuka
淳 長塚
Hideshi Shibano
秀史 柴野
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Nikon Corp
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Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 誘電体光学薄膜を光透過性気密容器に封入・
封止するに当たって、成膜条件の違いと成膜後封止まで
の放置条件の差とにより生じる光学素子の光学特性のバ
ラツキを減らすこと。 【解決手段】 誘電体光学薄膜に制御された水分量を持
たせ、且つ前記誘電体光学薄膜が、内部に水分が殆ど存
在しない光透過性気密ハウジングの内部に配置された構
造をとることによって課題を解決した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、バンドパスフィル
ター、ミラー、等として使用されている単層もしくは多
層の誘電体光学薄膜を有する光学素子に関する。更に詳
しくは、本発明は、光学特性変化が殆どなく、任意の中
心波長が製造可能な誘電体光学薄膜を有する光学素子を
提供する。
【0002】
【従来の技術】一般に真空蒸着法等の薄膜形成技術によ
り成膜された誘電体光学薄膜は、多孔質なものとなる。
誘電体光学薄膜の各層の光学的膜厚はn×d(1)で表
される。ここで、nは各層を構成する物質の屈折率であ
り、dは各層の幾何学的膜厚である。成膜された誘電体
光学薄膜が多孔質なものとすると、各層の屈折率nは以
下の式で表せられる。
【0003】n=nO×P+nV ×(1-P) (2) ここでn0は誘電体薄膜各層の実質部分すなわちバルク
のみの屈折率であり、nV は空孔部分の屈折率、Pは各
層の充填率である。誘電体光学薄膜の空孔には、真空中
から大気に取り出すと毛細管現象によって水分が入り込
むと考えられ、nV は相対湿度の関数となる。その値は
1≦nV ≦1.33であるとみてよい。ここで、nV =1は真
空あるいは空気であり、nV =1.33は水の屈折率であ
る。
【0004】また、空孔の屈折率nV は相対湿度の関数
となるため、誘電体光学薄膜が置かれた環境によりその
値が変化し、ひいては誘電体光学薄膜自身の屈折率nが
変化してしまう。更に、(2)式より充填率Pが低い
程、誘電体光学薄膜の屈折率nの変化は大きい。そし
て、(1)式より光学的膜厚n×dも同様に変化を起こ
す。誘電体光学薄膜の光学的膜厚が変化すると、その光
学特性も変化してしまう。この光学薄膜の変化は一般に
光学特性の波長シフトと呼ばれる。この波長シフトのバ
ンドパスフィルターでの従来例を図2に示す。図2に示
すように、誘電体光学薄膜中の水分が脱離(湿度の低い
環境に置かれる)すると、その光学特性は短波長側にシ
フトする。逆に、誘電体光学薄膜中に水分が吸着(湿度
の高い環境に置かれる)すると、その光学特性は長波長
側にシフトする。
【0005】特に、真空蒸着法で作製された誘電体光学
薄膜は、前記したように多孔質なため充填密度Pが低
く、光学特性の波長シフトが大きい。特に、代表的な低
屈折率物質であるSiO2は、充填率Pが0.7程度であり、S
iO2を使用した誘電体光学薄膜の光学特性波長シフト
は、時として大きな問題となる。特開昭62−1112
05は、この光学特性の波長シフトを抑制するため、吸
着水分を実質的に有しない誘電体光学薄膜を作製し、内
部に実質的に水分の存在しない光透過性気密ハウジング
で封止された誘電体光学薄膜を提供したものであり、使
用環境の温度変化やハイパワーな光を照射しても光学特
性の変化は生じない。この光透過性気密ハウジング法で
作製された誘電体光学薄膜の断面概念図を図1に示す。
図1は、誘電体光学薄膜もしくはその一例であるバンド
パスフィルター1を施した基板2及び基板3と封止材4
により、気密ハウジングを構成したものである。ハウジ
ングの内部5は、真空状態もしくは減圧又は加圧された
乾燥ガスが充填されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】但し、真空蒸着で作製
されたような充填率Pが低い誘電体光学薄膜の場合、薄
膜中に水分が充分に吸着した状態で所望の屈折率及び光
学特性が得られているため、薄膜中の水分をほぼ完全に
除去させてしまうと、図2のように単に光学特性が短波
長側に平行にシフトするのではなく、その光学特性の形
状の変化(例えば透過率の減少)が発生し易くなってし
まう。更に、蒸着後に置かれた環境により薄膜中の吸着
水分量が異なるため、水分の除去により発生する波長シ
フト量にバラツキが生じてしまう。この波長シフト量の
バラツキ量は、水分除去後の誘電体光学薄膜の中心波長
のバラツキ量に等しい。
【0007】例えば、高精度なバンドパスフィルターを
作製する場合、上記現象は光学特性の再現性低下を招き
大きな問題となる。従って、本発明の目的は、所望の光
学特性が再現性よく得られ、且つ使用環境の温度変化や
ハイパワーな光を照射しても光学特性の変化が生じない
誘電体光学薄膜の製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
点が誘電体光学薄膜の充填率の低さと、水分除去の際に
光学特性の中心波長の制御ができていないためであると
考察した。そこで、本発明者らは、充填率の高い誘電体
光学薄膜を作製し、そして光学特性の再現性を得るた
め、水分除去に伴う光学特性の変化を観察しながら所望
の中心波長で気密ハウジングを完了させることを着想
し、本発明を成すに至った。
【0009】そのため、本発明は第一に「誘電体光学薄
膜が制御された水分量を有し、且つ前記誘電体光学薄膜
が、内部に水分が実質的に存在しない光透過性気密ハウ
ジングの内部に配置された構造を有することを特徴とす
る光学素子」を提供する。また、本発明は第二に「前記
光透過性気密ハウジング内に前記誘電体薄膜を封入する
際、前記誘電体光学薄膜の水分を制御された水分量にま
で脱離させることを特徴とする請求項1記載の光学素子
の製造方法」を提供する。
【0010】また、本発明は第三に「前記封入を行う
際、前記誘電体光学薄膜中の水分脱離に伴う光学特性の
変化を観察し、所望の波長に変化したときに、前記光透
過性気密ハウジングの封止を完了させることを特徴とす
る請求項1記載の光学素子の製造方法」を提供する。本
発明における基本的な気密ハウジングの方法(封止材、
光透過性気密ハウジングの内部状態、封止方法等)は、
特開昭62−111205と全く同様である。
【0011】誘電体光学薄膜の充填率を向上させる薄膜
形成方法としては、イオンプレーティング、イオンアシ
スト蒸着、スパッタリング、CVD等の薄膜形成技術を使
用する。この薄膜形成技術はイオンプロセスを利用した
ものであり、成膜粒子の持つエネルギーが高いため、充
填率の高い誘電体光学薄膜の作製が可能である。誘電体
光学薄膜の充填率を向上させる方法の一例として、図3
にイオンアシスト蒸着の概念図を示す。真空チャンバー
6中の蒸発源7から蒸発した成膜粒子は、回転ドーム8
にセットされた基板2の表面でイオン源9から照射した
イオンビームによる物理的あるいは化学的エネルギーに
より、充填率の高い誘電体光学薄膜が作製される。
【0012】次に、水分除去に伴う光学特性の変化を観
察しながら所望の波長で気密ハウジングを完了させる方
法を以下に記す。まず、水分除去の方法としては、誘電
体光学薄膜を(イ)高温(一般には300℃以上)に加熱
する、(ロ)真空中に放置する、(ハ)乾燥ガスの流れ
の中に放置する等が挙げられる。誘電体光学薄膜を上記
状態に放置しながら、その光学特性の波長シフトをモノ
クロメーター等でリアルタイム測定を行い、光学特性が
所望の波長に到達した瞬間に気密ハウジングを完了させ
てしまう。
【0013】所望の波長を得る精度は、波長シフトの速
度とモノクロメーターの分解能、波長再現性及び測定ス
ピードに大きく影響される。波長シフトの速度は、加熱
の場合は温度に、真空放置の場合は真空度に依存するた
め、この点を考慮して、加熱温度あるいは真空度を設定
すればよい。また、モノクロメーターは、測定スピード
が速く、分解能が高いフォトダイオードセンサータイプ
のものを使用すれば、1Åレベルでの波長シフト量の制
御が可能となる。
【0014】水分除去に伴う光学特性の変化を観察しな
がら、所望の波長で気密ハウジングを完了させること
は、誘電体光学薄膜中にある程度の水分を残すことにな
る。しかし、吸着水分を薄膜中から完全に除去しなくと
も、使用環境で光学特性に変化が生じない程度の量であ
ればよいわけで、封止後の薄膜中の吸着水分量が、この
量(光学特性に変化を生じない量)以下であれば問題は
ない。
【0015】以下、実施例により本発明を具体的に説明
するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0016】
【実施例】先ず、誘電体光学薄膜の例としてバンドパス
フィルター1を、基板2上にイオンプロセスを利用した
成膜法で成膜する。このバンドパスフィルターは、高屈
折率物質と低屈折率物質との2物質で構成され、各層の
光学的膜厚n×dは、0.25λC あるいは0.5λ
C ((1)式参照、ここでλC は中心波長)である。
【0017】基板2、3の合わせ面の周辺部にそれぞれ
低融点(軟化点320℃)の封着用ガラス(ペースト状の
市販品)を1.5mmの幅に塗布し、120℃で20分乾燥させ、
その後全体を350℃で10分仮焼成し、炉冷して室温に戻
す。基板2の上に基板3を乗せて、図4に示す封着用カ
プセル10にセットし、カプセルのフタ11を上に乗せ
る。更に、図5に示す波長制御封着用装置概念図の加熱
炉14中に、カプセルのフタ11が乗った封着用カプセ
ル10をセットする。
【0018】加熱炉14は、あらかじめ370〜450℃に加
熱されており、この温度は温度調節計15により制御さ
れている。加熱炉14中のバンドパスフィルター1は熱
により、その光学特性が短波長側にシフトする。その波
長シフトを、モノクロメーター16によりリアルタイム
で測定する。この測定システムは、まず、光源17から
出た光が、石英ファイバー18により加熱炉14中に導
かれる。そして、封着用カプセル及びカプセルのフタ上
の透過窓12、13と基板2、3を透過し、石英ファイ
バー19によりモノクロメーター16に導かれ、その分
光光学特性がコンピューター20上のディスプレイに表
示されるものである。
【0019】図6に加熱炉14(400℃)に投入された
バンドパスフィルターの分光光学特性をリアルタイムに
て測定した測定例を示す。ここで、図6に記載された時
間は、加熱炉14中でのバンドパスフィルター放置時間
である。図6より、バンドパスフィルターの光学特性が
時間の経過とともに短波長側に波長シフトしていること
がわかる。この波長シフトの速度は、加熱炉14の温度
を変化させることにより調節できる。
【0020】図6の波長シフトの最中に、バンドパスフ
ィルターが所望の中心波長λC に到達したところで、封
着用カプセル10を加熱炉14より取り出し、自然冷却
させる。封着用カプセル10中の基板2、3は、加熱に
より封着され、気密ハウジングが形成されている。封着
用カプセル10及びカプセルのフタ11は、保温性の良
い物質(ステンレス等)で作製されているため、急冷に
より基板が破損する心配はない。
【0021】こうして得られたバンドパスフィルターは
所望の中心波長λcの分光特性を有し、更に気密ハウジ
ングが施されているため光学特性が変化する心配もな
い。また、この方法により作製されるバンドパスフィル
ターの光学特性の波長再現性は、±1Åであった。これ
は、モノクロメーターの波長再現性と同一の値である。
【0022】こうして得られたバンドパスフィルターの
図1に示す内部5は、製作条件から考えて、減圧された
乾燥空気で充満されている。 (光学特性変化のテスト)実施例により製作したバンド
パスフィルターを、200℃の環境に24時間放置し、加熱
前後で分光透過率を測定した。こうして得られた分光光
学特性を図7に示す。実線が加熱前で点線が加熱後であ
る。図7より、加熱前後で分光光学特性の変化が全くな
いことがわかる。
【0023】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、光学薄
膜の吸着水分を除去し、かつ気密ハウジングで保護する
ことにより、再吸着を防止し、使用環境の変化による光
学特性の変化を抑制したものである。更に、光学特性を
観察しながら気密ハウジングを形成することにより、所
望の光学特性を、±1Åレベルの非常に高い波長再現性
で得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例にかかる光学薄膜の断面を示す
概念図である。
【図2】バンドパスフィルターでの波長シフトの従来例
である。
【図3】緻密な光学薄膜の成膜法の概念図である。
【図4】本発明の実施例にかかる封着用カプセルの概念
図である。
【図5】本発明の実施例にかかる波長制御封着装置の概
念図である。
【図6】本発明の実施例にかかる光学薄膜の分光光学特
性の波長シフト例である。
【図7】本発明の実施例にかかる光学薄膜の分光光学特
性である。
【符号の説明】
1・・・・光学薄膜又はその一例であるバンドパスフィ
ルター 2、3・・基板 4・・・・封止材 5・・・・内部 6・・・・真空チャンバー 7・・・・蒸発源 8・・・・回転ドーム 9・・・・イオン源 10・・・封着用カプセル 11・・・カプセルのフタ 12、13・・・透過窓 14・・・加熱炉 15・・・温度調節計 16・・・モノクロメーター 17・・・光源 18、19・・石英ファイバー 20・・・コンピューター

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘電体光学薄膜が制御された水分量を有
    し、且つ前記誘電体光学薄膜が内部に水分が実質的に存
    在しない光透過性気密ハウジングの内部に配置された、
    構造を有することを特徴とする光学素子
  2. 【請求項2】 前記光透過性気密ハウジング内に前記誘
    電体薄膜を封入する際、前記誘電体光学薄膜の水分を制
    御された水分量にまで脱離させることを特徴とする請求
    項1記載の光学素子の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記封入を行う際、前記誘電体光学薄膜
    中の水分脱離に伴う光学特性の変化を観察し、所望の波
    長に変化したときに、前記光透過性気密ハウジングの封
    止を完了させることを特徴とする請求項1記載の光学素
    子の製造方法。
JP8268530A 1996-10-09 1996-10-09 光学特性変化の少ない光学素子及びその製造方法 Pending JPH10115710A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005017543A (ja) * 2003-06-25 2005-01-20 Nikon Corp 紫外線レーザ光用ミラー及び光学系及び投影露光装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005017543A (ja) * 2003-06-25 2005-01-20 Nikon Corp 紫外線レーザ光用ミラー及び光学系及び投影露光装置

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