JP5888124B2 - 多層膜フィルタ、及び多層膜フィルタの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は光通信や光学デバイス等に用いられる多層膜フィルタ、及び多層膜フィルタの製造方法に関する。
従来、所定の波長域の光を選択的に透過させるために、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た多層膜フィルタが知られている。このような多層膜フィルタとしては、基板上にSiO２からなる低屈折率の膜とａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）からなる高屈折率の膜を交互に積層させて、可視域の波長と赤外域の波長とを分けることのできる多層膜フィルタが知られている（特許文献１参照）。
特許文献１に開示のある多層膜フィルタでは単に可視域と赤外域の波長の光を分離することを目的とするため、積層する膜数を抑えながら所望の光学特性を得ることが可能である。しかしながら、赤外域の波長において、さらに特定の波長のみを選択的に透過させようとする場合には所望する光学特性を得るために基板上に形成する膜数が多くなるため、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が生じ易いという問題や、近赤外域の波長に強い吸収特性を有するＳｉ（ケイ素）の膜を多数用いることによって、そもそも所望する光学特性を得ること自体が難しいという問題がある。
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑み、高屈折率の膜としてＳｉを用いながらも、簡単な構成で安価に特定の赤外域の波長の光を取り出すことのできる多層膜フィルタ、及び多層膜フィルタの製造方法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） 本発明の多層膜フィルタは、透明基板上に屈折率の異なる薄膜を積層させてなる多層膜フィルタにおいて、前記透明基板上に形成されるＳｉからなる第１薄膜層と、該第１薄膜層の上に形成され前記第１薄膜層の屈折率よりも低い屈折率を持つ第２薄膜層と、該第２薄膜層の上に形成され前記第２薄膜層の屈折率よりも低い屈折率を持つ第３薄膜層と、該第３薄膜層の上に形成され前記第２薄膜層と同じ屈折率を持つ，又は前記第１薄膜層の屈折率と前記第３薄膜層の屈折率の間の中間の屈折率を持つ第４薄膜層と、を有し、
前記第１薄膜乃至前記第４薄膜を１スタックとして，該スタックが前記基板上に所定数積層されることによりなることを特徴とする。
（２） （１）の多層膜フィルタは、近赤外域を含む光を前記多層膜フィルタに対して45°入射させた際に、波長９００nm乃至波長１２００nmの範囲内の光を透過し、その他の波長域の光を反射させるように前記各層薄膜が形成されることによりなることを特徴とする。
（３） （１）または（２）に記載の多層膜フィルタにおいて、前記第２薄膜層及び前記第４薄膜層はTa2O5，Nb2O5，TiO2，ZrO2から選ばれた材料からなることを特徴とする。
（４） （１）乃至（３）の何れかに記載の多層膜フィルタにおいて、前記第３薄膜層はSiO2，またはMgF2の材料からなることを特徴とする。
（５） 透明基板上に屈折率の異なる薄膜を積層させてなる多層膜フィルタの製造方法において、 前記透明基板上にＳｉからなる第１の薄膜層を所定の膜厚で形成する第１ステップと、 該第１ステップにより形成された前記第１薄膜層の上に該第１薄膜層の屈折率よりも低い屈折率を持つ第２の薄膜層を所定の膜厚で形成する第２ステップと、 該第２ステップにより形成された前記第２薄膜層の上に該第２薄膜の屈折率よりも低い屈折率を持つ第３の薄膜層を所定の膜厚で形成する第３ステップと、 該第３ステップにより形成された前記第３薄膜層の上に前記第２薄膜層と同じ屈折率を持つ，または前記第１薄膜層の屈折率と前記第３薄膜層の屈折率との間の中間の屈折率を持つ第４の薄膜層を所定の膜厚で形成する第４ステップと、 を有し、前記第１ステップ乃至第４ステップにより形成される前記第１薄膜層乃至前記第４薄膜層を１スタックとして、該スタックを前記基板上に所定数積層することを特徴とする。
（６） （５）の多層膜フィルタの製造方法において、前記第２薄膜層及び前記第４薄膜層はTa2O5，Nb2O5，TiO2，ZrO2から選ばれた材料から形成され、前記第３薄膜層はSiO2，またはMgF2の材料から形成されることを特徴とする。
（１） 本発明の多層膜フィルタは、透明基板上に屈折率の異なる薄膜を積層させてなる多層膜フィルタにおいて、前記透明基板上に形成されるＳｉからなる第１薄膜層と、該第１薄膜層の上に形成され前記第１薄膜層の屈折率よりも低い屈折率を持つ第２薄膜層と、該第２薄膜層の上に形成され前記第２薄膜層の屈折率よりも低い屈折率を持つ第３薄膜層と、該第３薄膜層の上に形成され前記第２薄膜層と同じ屈折率を持つ，又は前記第１薄膜層の屈折率と前記第３薄膜層の屈折率の間の中間の屈折率を持つ第４薄膜層と、を有し、
前記第１薄膜乃至前記第４薄膜を１スタックとして，該スタックが前記基板上に所定数積層されることによりなることを特徴とする。
（２） （１）の多層膜フィルタは、近赤外域を含む光を前記多層膜フィルタに対して45°入射させた際に、波長９００nm乃至波長１２００nmの範囲内の光を透過し、その他の波長域の光を反射させるように前記各層薄膜が形成されることによりなることを特徴とする。
（３） （１）または（２）に記載の多層膜フィルタにおいて、前記第２薄膜層及び前記第４薄膜層はTa2O5，Nb2O5，TiO2，ZrO2から選ばれた材料からなることを特徴とする。
（４） （１）乃至（３）の何れかに記載の多層膜フィルタにおいて、前記第３薄膜層はSiO2，またはMgF2の材料からなることを特徴とする。
（５） 透明基板上に屈折率の異なる薄膜を積層させてなる多層膜フィルタの製造方法において、 前記透明基板上にＳｉからなる第１の薄膜層を所定の膜厚で形成する第１ステップと、 該第１ステップにより形成された前記第１薄膜層の上に該第１薄膜層の屈折率よりも低い屈折率を持つ第２の薄膜層を所定の膜厚で形成する第２ステップと、 該第２ステップにより形成された前記第２薄膜層の上に該第２薄膜の屈折率よりも低い屈折率を持つ第３の薄膜層を所定の膜厚で形成する第３ステップと、 該第３ステップにより形成された前記第３薄膜層の上に前記第２薄膜層と同じ屈折率を持つ，または前記第１薄膜層の屈折率と前記第３薄膜層の屈折率との間の中間の屈折率を持つ第４の薄膜層を所定の膜厚で形成する第４ステップと、 を有し、前記第１ステップ乃至第４ステップにより形成される前記第１薄膜層乃至前記第４薄膜層を１スタックとして、該スタックを前記基板上に所定数積層することを特徴とする。
（６） （５）の多層膜フィルタの製造方法において、前記第２薄膜層及び前記第４薄膜層はTa2O5，Nb2O5，TiO2，ZrO2から選ばれた材料から形成され、前記第３薄膜層はSiO2，またはMgF2の材料から形成されることを特徴とする。
本発明によれば、高屈折率の膜としてＳｉを用いながらも、簡単な構成で安価に特定の赤外域の波長の光を取り出すことができる。
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は本実施形態の多層膜フィルタの構成を模式的に示した図である。
図示する多層膜フィルタ１００は、近赤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９００ｎｍ乃至波長１２００ｎｍ程度の近赤外域の波長の光を透過させる光学特性を有するように形成されたエッジフィルタである。
なお、所定の光学フィルタに対して垂直ではない角度から光を入射させようとする場合、常にｐ偏光とｓ偏光の透過／反射率曲線に違いが現れてくる。したがって、光学フィルタに対して光を斜入射させ、特定の波長域の光のみを透過させようとする場合にはｐ偏光成分とｓ偏光成分の両方の透過率／反射率を考慮して所望する光学特性が得られるように多層膜設計を行わなければならない。本実施形態の多層膜フィルタは特に４５°の斜入射する光に対して、ｐ偏光成分とｓ偏光成分の光の透過を考慮し上述した範囲の波長の光を高透過させ、その他の波長域の光を十分に透過制限する特性を有するものである。
図示する本実施形態の多層膜フィルタ１００は、透明基板１上に形成される第１薄膜層２、第１薄膜層２の上に形成される第２薄膜層３、第２薄膜層３の上に形成される第３薄膜層４、第３薄膜層の上に形成される第４薄膜層５とを有し、第１薄膜層２乃至第４薄膜層５を１スタックＳとして基板１上にスタックＳを複数積層（Ｓ1，Ｓ2・・・Ｓn）してなるものである。
透明基板１は近赤外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、ほとんどの光学用途ガラスが該当し、他にも石英ガラス、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１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、多層膜フィルタを形成することも可能である。
第１薄膜層２の形成に用いられる膜材料は、高い屈折率を持つＳｉ（ケイ素 屈折率３〜４程度）が用いられる。このようなＳｉの薄膜からなる第１薄膜層２の膜厚は、目的の多層膜フィルタの光学特性として波長９００nm乃至波長１２００nmの範囲の近赤外域の光の透過率が他の波長域の光に対して大きくなるような膜厚となるように決定される。このような膜厚（光学膜厚）は目的とする設計波長λに対して１／２λ以下で物理的な膜厚を有していることが望ましい。
第２薄膜層３の形成に用いられる膜材料としては、第１薄膜層２の屈折率と後述する第３薄膜層４の屈折率との間の屈折率となる中間の屈折率を持つ金属酸化物の材料が挙げられる。このような中間の屈折率を持つ材料としては、Ta2O5（屈折率2.18），Nb2O5（屈折率2.32），TiO2（屈折率2.31），ZrO2（屈折率1.97）等が挙げられるが、Ta2O5を用いることが特に好ましい。このような金属酸化物の薄膜からなる第２薄膜層３の膜厚は（光学膜厚）は、目的とする設計波長λに対して１／８λ乃至３／４λとされる。
第３薄膜層４の形成に用いられる膜材料としては、第２薄膜層３の屈折率よりも低い屈折率を持つ金属酸化物の材料が挙げられる。このような低屈折率の材料としては、SiO2（屈折率1.46），MgF2（屈折率1.37）等が挙げられるが、SiO2を用いることが特に好ましい。このような金属酸化物の薄膜からなる第３薄膜層４の膜厚は（光学膜厚）は目的とする設計波長λに対して１／８λ乃至３／４λとされる。
第４薄膜層５の形成に用いられる膜材料としては、第１薄膜層２の屈折率と第３薄膜層４の屈折率との間の屈折率となる中間の屈折率を持つ金属酸化物の材料であればよく、第２薄膜層３と同様の材料が挙げられる。なお、第２薄膜層３に用いられる同一の材料であっても、異なる材料であってもよいが、Ta2O5を用いることが特に好ましい。このような金属酸化物の薄膜からなる第４薄膜層５の膜厚は（光学膜厚）は、目的とする設計波長λに対して１／８λ乃至３／４λとされる。
このような第１薄膜層２乃至第４薄膜層５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１を真空蒸着機内に置き、第１薄膜層２の形成用材料（Ｓｉ）を蒸着源として、所望の膜厚が得られるまで真空蒸着を行う。次に蒸着源を第２薄膜層３の形成用材料（例えばTa2O5）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。このような薄膜層形成を順次行い、透明基板１上に第１薄膜層２乃至第４薄膜層５を所望の膜厚で順次形成していく。なお、コーティング技術としては他の方法でもよく、スパッタ法、イオンプレーティング法等の既知のコーティング技術を用いることができる。
なお、本実施形態では、このように透明基板１上に順次形成された第１薄膜層２、第２薄膜層３、第３薄膜層４、第４薄膜層５を１つの層構造としてスタックＳと呼ぶ。本実施形態では、多層膜フィルタを作製するために、透明基板１上に形成されるこのようなスタックＳを少なくとも１つ以上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多層膜フィルタを形成することにより、所望の波長域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、透過させたい波長域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。本実施形態ではスタック数は好ましくは２〜１０程度、より好ましいスタック数は４〜８である。
また、各薄膜層の膜厚（光学膜厚）は、各スタック毎で同じであってもよいし、異なっていても良い。より所望する光学特性を得たい場合には、所定の計算式を用いて光学シュミレーションを行い、各スタック毎に薄膜層の膜厚を各々決定することができる。
次に本件発明の好適な実施例、及び比較例を以下に記載するが、本件発明は実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞
多層膜フィルタを以下の条件を用いて設計した。
多層膜フィルタを以下の条件を用いて設計した。
「目的」
1000nm乃至1080nmの波長の光を選択的に透過させるエッジフィルタ（目標透過率70％以上）
「条件」
透明基板：ガラス（屈折率1.51）
媒質：1.64
設計波長λ0：1000nm
入射角：45°
使用膜材料：Ｓｉ（屈折率3.90）、Ta2O5（屈折率2.18）、SiO2（1.46）
総数：28層（７スタック）
多層膜フィルタを構成する各薄膜層の材料、及び膜厚を表１に示す。なお、層No１の薄膜層が透明基板に最初に形成される層であり、最外層が層No28となる。
1000nm乃至1080nmの波長の光を選択的に透過させるエッジフィルタ（目標透過率70％以上）
「条件」
透明基板：ガラス（屈折率1.51）
媒質：1.64
設計波長λ0：1000nm
入射角：45°
使用膜材料：Ｓｉ（屈折率3.90）、Ta2O5（屈折率2.18）、SiO2（1.46）
総数：28層（７スタック）
多層膜フィルタを構成する各薄膜層の材料、及び膜厚を表１に示す。なお、層No１の薄膜層が透明基板に最初に形成される層であり、最外層が層No28となる。
＜比較例１＞
使用膜材料をSiO2、Ta2O5のみとし、膜数29層とした以外は全て実施例１と同じ条件で行った。比較例における多層膜フィルタを構成する各薄膜層の材料、及び膜厚を表２に示す。
使用膜材料をSiO2、Ta2O5のみとし、膜数29層とした以外は全て実施例１と同じ条件で行った。比較例における多層膜フィルタを構成する各薄膜層の材料、及び膜厚を表２に示す。
＜結果＞
実施例１の多層膜フィルタでは４５°入射の光に対して特定の波長域の光のみを７０％以上、選択的に透過させることができている。
実施例１の多層膜フィルタでは４５°入射の光に対して特定の波長域の光のみを７０％以上、選択的に透過させることができている。
１ 透明基板
２ 第１薄膜層
３ 第２薄膜層
４ 第３薄膜層
５ 第４薄膜層
１００ 多層膜フィルタ
２ 第１薄膜層
３ 第２薄膜層
４ 第３薄膜層
５ 第４薄膜層
１００ 多層膜フィルタ
Claims (6)
- 透明基板上に屈折率の異なる薄膜を積層させてなる多層膜フィルタにおいて、前記透明基板上に形成されるＳｉからなる第１薄膜層と、該第１薄膜層の上に形成され前記第１薄膜層の屈折率よりも低い屈折率を持つ第２薄膜層と、該第２薄膜層の上に形成され前記第２薄膜層の屈折率よりも低い屈折率を持つ第３薄膜層と、該第３薄膜層の上に形成され前記第２薄膜層と同じ屈折率を持つ，又は前記第１薄膜層の屈折率と前記第３薄膜層の屈折率の間の中間の屈折率を持つ第４薄膜層と、を有し、
前記第１薄膜乃至前記第４薄膜を１スタックとして，該スタックが前記基板上に所定数積層されることによりなる多層膜フィルタ。 - 請求項１の多層膜フィルタは、近赤外域を含む光を前記多層膜フィルタに対して45°入射させた際に、波長９００nm乃至波長１２００nmの範囲内の光を透過し、その他の波長域の光を反射させるように前記各層薄膜が形成されることによりなる多層膜フィルタ。
- 請求項１または請求項２に記載の多層膜フィルタにおいて、前記第２薄膜層及び前記第４薄膜層はTa2O5，Nb2O5，TiO2，ZrO2から選ばれた材料からなることを特徴とする多層膜フィルタ。
- 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の多層膜フィルタにおいて、前記第３薄膜層はSiO2，またはMgF2の材料からなることを特徴とする多層膜フィルタ。
- 透明基板上に屈折率の異なる薄膜を積層させてなる多層膜フィルタの製造方法において、
前記透明基板上にＳｉからなる第１の薄膜層を所定の膜厚で形成する第１ステップと、
該第１ステップにより形成された前記第１薄膜層の上に該第１薄膜層の屈折率よりも低い屈折率を持つ第２の薄膜層を所定の膜厚で形成する第２ステップと、
該第２ステップにより形成された前記第２薄膜層の上に該第２薄膜の屈折率よりも低い屈折率を持つ第３の薄膜層を所定の膜厚で形成する第３ステップと、
該第３ステップにより形成された前記第３薄膜層の上に前記第２薄膜層と同じ屈折率を持つ，または前記第１薄膜層の屈折率と前記第３薄膜層の屈折率との間の中間の屈折率を持つ第４の薄膜層を所定の膜厚で形成する第４ステップと、
を有し、
前記第１ステップ乃至第４ステップにより形成される前記第１薄膜層乃至前記第４薄膜層を１スタックとして、該スタックを前記基板上に所定数積層することを特徴とする多層膜フィルタの製造方法。 - 請求項５の多層膜フィルタの製造方法において、前記第２薄膜層及び前記第４薄膜層はTa2O5，Nb2O5，TiO2，ZrO2から選ばれた材料から形成され、前記第３薄膜層はSiO2，またはMgF2の材料から形成されることを特徴とする多層膜フィルタの製造方法。
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