JP2016218144A - Spectral filter and spectroscopic measurement device - Google Patents
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Abstract
【課題】ロングパスフィルタとショートパスフィルタとの重ね合わせの際の位置精度を緩和する。膜厚が変化する一方向のどの位置においても、良好な透過性能を確保する。【解決手段】分光フィルタ10のロングパスフィルタLP、ショートパスフィルタSP、バンドパスフィルタBPは、それぞれ、一方向に向かうにつれて膜厚が単調に増加し、膜厚が増加するにつれて各遮断波長が単調に長くなり、上記一方向が互いに一致するように重ね合わされる。ロングパスフィルタLPの膜厚勾配GLはバンドパスフィルタBPの膜厚勾配GBよりも大きい。上記一方向の各位置では、ロングパスフィルタLPの遮断波長WLがバンドパスフィルタBPの短波長側の遮断波長WB1よりも短く、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSがバンドパスフィルタBPの長波長側の遮断波長WB2よりも長いことによって、遮断波長WB1と遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させる。【選択図】図1Position accuracy in superposition of a long pass filter and a short pass filter is reduced. Good transmission performance is ensured at any position in one direction where the film thickness changes. A long-pass filter LP, a short-pass filter SP, and a band-pass filter BP of the spectral filter 10 each monotonically increase in film thickness as it goes in one direction, and each cutoff wavelength monotonously as the film thickness increases. Overlapping is performed so that the one direction coincides with each other. The film thickness gradient GL of the long pass filter LP is larger than the film thickness gradient GB of the band pass filter BP. At each position in the one direction, the cutoff wavelength WL of the long pass filter LP is shorter than the cutoff wavelength WB1 on the short wavelength side of the band pass filter BP, and the cutoff wavelength WS of the short pass filter SP is on the long wavelength side of the band pass filter BP. By being longer than the cutoff wavelength WB2, light in the wavelength region between the cutoff wavelength WB1 and the cutoff wavelength WB2 is transmitted. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、一方向において透過波長が連続的に変化する分光フィルタと、その分光フィルタを備えた分光測定装置とに関するものである。 The present invention relates to a spectral filter whose transmission wavelength continuously changes in one direction, and a spectroscopic measurement device including the spectral filter.
従来の分光フィルタの一例として、例えば特許文献1に開示されたものがある。特許文献1の分光フィルタは、第1の干渉フィルタと第2の干渉フィルタとを用いて構成される。第1の干渉フィルタは、一方向に沿って遮断波長WLが単調に長くなり、遮断波長WLよりも長い波長域の光を透過させるフィルタ(ロングパスフィルタ)である。第2の干渉フィルタは、一方向に沿って遮断波長WSが単調に長くなり、遮断波長WSよりも短い波長域の光を透過させるフィルタ(ショートパスフィルタ)である。このように、一方向に沿って遮断波長が単調に変化する干渉フィルタは、一方向に沿って膜厚が連続的に増加する、いわゆる、くさび形の干渉フィルタで構成することができる。特許文献1では、第1の干渉フィルタと第2の干渉フィルタとで、膜厚勾配を同じにしている。
An example of a conventional spectral filter is disclosed in
第1の干渉フィルタおよび第2の干渉フィルタは、遮断波長WLの単調増加方向と遮断波長WSの単調増加方向とが一致するように、かつ、第1の干渉フィルタの遮断波長WLが第2の干渉フィルタの対応する位置における遮断波長WSよりも短くなるように、重ね合わされる。この構成では、上記一方向の各位置での分光透過率のピーク波長に対して短波長側の遮断特性と長波長側の遮断特性とを、別々の干渉フィルタによって設定できる。これにより、単一の干渉フィルタで得られる分光特性よりも優れた分光特性を容易に得ることが可能となっている。 The first interference filter and the second interference filter are configured such that the monotonically increasing direction of the cutoff wavelength WL matches the monotonically increasing direction of the cutoff wavelength WS, and the cutoff wavelength WL of the first interference filter is the second The interference filters are overlapped so as to be shorter than the cutoff wavelength WS at the corresponding position. In this configuration, the cutoff characteristic on the short wavelength side and the cutoff characteristic on the long wavelength side with respect to the peak wavelength of the spectral transmittance at each position in the one direction can be set by separate interference filters. Thereby, it is possible to easily obtain a spectral characteristic superior to that obtained with a single interference filter.
ところが、特許文献1のように、第1の干渉フィルタと第2の干渉フィルタとの2層で分光フィルタを構成した場合、2層の重ね合わせの際に位置ズレ(特に膜厚が変化する一方向の位置ズレ)が生じると、遮断波長WLと遮断波長WSとによって規定される透過波長幅が大きく変化する。例えば、2層の位置ズレによって第1の干渉フィルタの遮断波長WLと第2の干渉フィルタの遮断波長WSとが近づくと、透過波長幅が狭くなり、逆に、遮断波長WLと遮断波長WSとが離れると、透過波長幅が広くなる。このような透過波長幅の変動を抑えるためには、2層を高い位置精度で重ね合わせることが必要となるが、そのような位置精度の高い重ね合わせは、実際には困難である。このため、位置ズレの許容範囲を広げることができるように、つまり、重ね合わせの位置精度を緩和できるように分光フィルタを構成することが望まれる。
However, as in
また、干渉フィルタを構成する膜の材料は、波長によって屈折率が変化する、いわゆる波長分散を必ず持っている。すなわち、膜材料の屈折率は、波長が短くなるにつれて高くなり、逆に、波長が長くなるにつれて低くなる。特に、高屈折率材料については、可視光の波長域内での波長分散が大きい(波長の変化に対する屈折率の変化が大きい)。このような波長分散の影響により、膜種の異なる複数の干渉フィルタ間では、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合(遮断波長のシフト量)が異なる。このため、膜厚勾配を全て同じにして複数の干渉フィルタを重ね合わせたのでは、膜厚が変化する一方向のある位置では、良好な透過性能を確保することができても、別の位置では、良好な透過性能を確保することができない場合がある。 Further, the material of the film constituting the interference filter always has so-called wavelength dispersion in which the refractive index changes depending on the wavelength. That is, the refractive index of the film material increases as the wavelength decreases, and conversely decreases as the wavelength increases. In particular, the high refractive index material has a large chromatic dispersion in the visible light wavelength range (a large change in refractive index with respect to a change in wavelength). Due to the influence of such wavelength dispersion, the ratio of the change in the cut-off wavelength with respect to the change in the film thickness (the shift amount of the cut-off wavelength) differs among the plurality of interference filters having different film types. For this reason, if a plurality of interference filters are overlapped with the same film thickness gradient, it is possible to secure good transmission performance at a certain position in one direction where the film thickness changes, but at a different position. Then, there are cases where good transmission performance cannot be ensured.
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、ロングパスフィルタとショートパスフィルタとの重ね合わせの際の位置精度を緩和できるとともに、膜厚が変化する一方向のどの位置においても、良好な透過性能を確保することができる分光フィルタと、その分光フィルタを備えた分光測定装置とを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to reduce the positional accuracy when the long-pass filter and the short-pass filter are superposed and to reduce the film thickness in one direction. An object of the present invention is to provide a spectral filter that can ensure good transmission performance at any position, and a spectroscopic measurement device including the spectral filter.
本発明の一側面に係る分光フィルタは、一方向に向かうにつれて膜厚が単調に増加し、遮断波長WLよりも長い波長域の光を透過させるとともに、前記膜厚が増加するにつれて前記遮断波長WLが単調に長くなるロングパスフィルタと、一方向に向かうにつれて膜厚が単調に増加し、遮断波長WSよりも短い波長域の光を透過させるとともに、前記膜厚が増加するにつれて前記遮断波長WSが単調に長くなるショートパスフィルタと、一方向に向かうにつれて膜厚が単調に増加し、短波長側の遮断波長WB1と長波長側の遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させるとともに、前記膜厚が増加するにつれて、前記遮断波長WB1および前記遮断波長WB2が単調に長くなるバンドパスフィルタとを備え、前記ロングパスフィルタと、前記ショートパスフィルタと、前記バンドパスフィルタとは、膜厚が単調に増加する前記一方向が互いに一致するように重ね合わされており、前記ロングパスフィルタの膜厚勾配は、前記バンドパスフィルタの膜厚勾配よりも大きく、前記一方向の各位置では、前記遮断波長WLが前記遮断波長WB1よりも短く、前記遮断波長WSが前記遮断波長WB2よりも長いことによって、前記遮断波長WB1と前記遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させる。 In the spectral filter according to one aspect of the present invention, the film thickness monotonously increases in one direction, transmits light in a wavelength region longer than the cutoff wavelength WL, and the cutoff wavelength WL increases as the film thickness increases. Is a long pass filter whose length is monotonously increased, and the film thickness monotonously increases in one direction, transmits light in a wavelength region shorter than the cutoff wavelength WS, and the cutoff wavelength WS monotonously increases as the film thickness increases. And a short-pass filter that becomes longer, the film thickness monotonously increases in one direction, and transmits light in a wavelength region between the cutoff wavelength WB 1 on the short wavelength side and the cutoff wavelength WB 2 on the long wavelength side. , as the film thickness increases, and a band-pass filter the cut-off wavelength WB 1 and the cutoff wavelength WB 2 is monotonically increased, and the long-pass filter, said sheet The band pass filter and the band pass filter are overlapped so that the one direction in which the film thickness monotonously increases coincides with each other, and the film thickness gradient of the long pass filter is larger than the film thickness gradient of the band pass filter. The cut-off wavelength WL is shorter than the cut-off wavelength WB 1 and the cut-off wavelength WS is longer than the cut-off wavelength WB 2 at each position in the one direction, so that the cut-off wavelength WB 1 and the cut-off wavelength WB Transmits light in the wavelength range between 2 .
前記一方向で可視光が透過する全ての位置において、前記遮断波長WB1と前記遮断波長WLとの差は、13nm以上42nm以下であることが望ましい。 The difference between the cutoff wavelength WB 1 and the cutoff wavelength WL is preferably 13 nm or more and 42 nm or less at all positions where visible light is transmitted in the one direction.
前記ロングパスフィルタおよび前記バンドパスフィルタは、第1屈折率材料からなる層と、該第1屈折率材料よりも屈折率の高い少なくとも1つの第2屈折率材料からなる層とを積層した多層膜で構成されており、前記少なくとも1つの第2屈折率材料の中で、層数および総膜厚の少なくともいずれかが最大となる材料を、主屈折率材料とすると、前記ロングパスフィルタにおいて、前記主屈折率材料の波長380nmにおける屈折率を、nL380とし、前記主屈折率材料の波長780nmにおける屈折率を、nL780とし、波長780nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dL780とし、波長380nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dL380とし、前記バンドパスフィルタにおいて、前記主屈折率材料の波長380nmにおける屈折率を、nB380とし、前記主屈折率材料の波長780nmにおける屈折率を、nB780とし、波長780nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dB780とし、波長380nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dB380としたとき、以下の条件式を満足することが望ましい。すなわち、
0.98<{(dL780/dL380)/(dB780/dB380)}×[(nL780/nL380)/{(nB780/nB380)0.4}]<1.17
である。
The long pass filter and the band pass filter are multilayer films in which a layer made of a first refractive index material and at least one layer made of at least one second refractive index material having a higher refractive index than the first refractive index material are laminated. When the main refractive index material is a material having at least one of the number of layers and the total film thickness among the at least one second refractive index material, in the long pass filter, the main refraction The refractive index of the refractive index material at a wavelength of 380 nm is nL 380 , the refractive index of the main refractive index material at a wavelength of 780 nm is nL 780, and the thickness of the transmission part that transmits light of
0.98 <{(dL 780 / dL 380 ) / (dB 780 / dB 380 )} × [(nL 780 / nL 380 ) / {(nB 780 / nB 380 ) 0.4 }] <1.17
It is.
前記バンドパスフィルタおよび前記ショートパスフィルタは、同じ基板の表裏にそれぞれ成膜されており、前記ロングパスフィルタは、別の基板に成膜されていてもよい。 The band pass filter and the short pass filter may be formed on the front and back surfaces of the same substrate, respectively, and the long pass filter may be formed on a separate substrate.
前記バンドパスフィルタ、前記ショートパスフィルタおよび前記ロングパスフィルタは、それぞれ別々の基板に成膜されていてもよい。 The band-pass filter, the short-pass filter, and the long-pass filter may be formed on different substrates.
前記各基板は、接着剤を介して貼り合わされていてもよい。 Each said board | substrate may be bonded together through the adhesive agent.
本発明の他の側面に係る分光測定装置は、上述した構成の分光フィルタと、前記分光フィルタを透過した光を受光する受光素子とを備え、前記受光素子は、前記分光フィルタの前記一方向に沿って並べて配置されている。 A spectroscopic measurement apparatus according to another aspect of the present invention includes a spectral filter having the above-described configuration and a light receiving element that receives light transmitted through the spectral filter, and the light receiving element is disposed in the one direction of the spectral filter. Are arranged side by side.
上記の構成によれば、ロングパスフィルタおよびショートパスフィルタに加えて、バンドパスフィルタを用いることにより、遮断波長WLを遮断波長WB1よりも短くし、遮断波長WSを遮断波長WB2よりも長くして、遮断波長WB1と遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させる構成を実現することが可能となる。このような構成では、ロングパスフィルタとショートパスフィルタとの間に多少の位置ずれが生じた場合でも、バンドパスフィルタの透過性能によって分光フィルタの透過性能を出すことができる。したがって、ロングパスフィルタとショートパスフィルタとの重ね合わせに高い位置精度を要求しなくても済み、上記位置精度を緩和して、ロングパスフィルタとショートパスフィルタとの位置ズレの許容範囲を広げることができる。 According to the above configuration, by using a band pass filter in addition to the long pass filter and the short pass filter, the cutoff wavelength WL is made shorter than the cutoff wavelength WB 1 and the cutoff wavelength WS is made longer than the cutoff wavelength WB 2. Thus, it is possible to realize a configuration that transmits light in a wavelength region between the cutoff wavelength WB 1 and the cutoff wavelength WB 2 . In such a configuration, even if a slight positional deviation occurs between the long pass filter and the short pass filter, the transmission performance of the spectral filter can be obtained by the transmission performance of the band pass filter. Therefore, it is not necessary to require high positional accuracy for the superposition of the long pass filter and the short pass filter, and the positional accuracy can be relaxed and the allowable range of positional deviation between the long pass filter and the short pass filter can be widened. .
また、ロングパスフィルタの膜厚勾配を、バンドパスフィルタの膜厚勾配よりも大きくすることにより、膜厚が変化する一方向の各位置において、バンドパスフィルタの遮断波長WB1のシフト量に、ロングパスフィルタの遮断波長WLのシフト量を近づけることができる。これにより、膜厚が変化する一方向のどの位置でも、遮断波長WLを遮断波長WB1よりも短くすることが可能となる。その結果、上記一方向の各位置において、遮断波長WLが遮断波長WB1よりも短く、遮断波長WSが遮断波長WB2よりも長いことによって、遮断波長WB1と遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させる構成を実現することが可能となり、上記一方向のどの位置でも、良好な透過性能を確保することが可能となる。 In addition, by setting the film thickness gradient of the long pass filter to be larger than the film thickness gradient of the band pass filter, the long pass filter is shifted to the amount of shift of the cutoff wavelength WB 1 of the band pass filter at each position where the film thickness changes. The shift amount of the cutoff wavelength WL of the filter can be made closer. This makes it possible to make the cutoff wavelength WL shorter than the cutoff wavelength WB 1 at any position in one direction where the film thickness changes. As a result, at each position of the one direction, shorter cutoff wavelength WL than cutoff wavelength WB 1, by longer than the cutoff wavelength WS is cutoff wavelength WB 2, between the cut-off wavelength WB 1 and cutoff wavelength WB 2 It is possible to realize a configuration that transmits light in the wavelength range, and it is possible to ensure good transmission performance at any position in the one direction.
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書において、数値範囲をa〜bと表記した場合、その数値範囲に下限aおよび上限bの値は含まれるものとする。また、本発明は、以下の内容に限定されるものではない。なお、以下での説明において、半値幅は、半値波長全幅(full width at half maximum)を指すものとする。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in this specification, when a numerical range is described as ab, the value of the lower limit a and the upper limit b shall be included in the numerical range. The present invention is not limited to the following contents. In the following description, the half width refers to the full width at half maximum.
(分光測定装置の構成)
図1は、本実施形態の分光測定装置1の概略の構成を示す断面図である。分光測定装置1は、分光フィルタ10と、受光部20とを有している。分光フィルタ10は、一方向において透過波長が連続的に変化するリニアバリアブルフィルタ(LVF)であり、バンドパスフィルタBP、ショートパスフィルタSPおよびロングパスフィルタLPを有している。
(Configuration of spectrometer)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a
バンドパスフィルタBPおよびショートパスフィルタSPは、同一の基板11の表裏にそれぞれ成膜されており、ロングパスフィルタLPは、別の基板12の表面に成膜されている。基板11・12は、例えばガラスなどの透明基板で構成されている。基板12は、基板11と受光部20との間に位置しており、バンドパスフィルタBPおよびロングパスフィルタLPが、分光フィルタ10の最外層にそれぞれ位置している。
The band pass filter BP and the short pass filter SP are respectively formed on the front and back of the
基板11・12を用いることにより、図1のように、バンドパスフィルタBP、ショートパスフィルタSPおよびロングパスフィルタLPを重ね合わせて位置させることができる。また、基板11・12は、接着剤31を介して貼り合わされており、これによって、基板11・12の相対的な位置関係(各フィルタの相対的な位置関係)が固定されている。なお、基板11・12は、空気層が介在して互いに非接触となるように、支持部材(図示せず)で支持されていてもよい。
By using the
ロングパスフィルタLPは、一方向に向かうにつれて膜厚が単調に増加する膜厚勾配GLを有している。膜厚勾配GLは、基板12の表面とロングパスフィルタLPの最表面とのなす角度をα(°)としたとき、|tanα|に相当する。ロングパスフィルタLPは、第1屈折率材料(低屈折率材料)からなる層と、該第1屈折率材料よりも屈折率の高い少なくとも1つの第2屈折率材料(高屈折率材料)からなる層とを積層した多層膜で構成されており、遮断波長WLよりも長い波長域の光を透過させ、それ以外の光の透過を遮断する。上記の遮断波長WLは、透過率が50%となるときの波長(カットオフ波長)であり、上記一方向に膜厚が増加するにつれて、単調に長くなる(長波長側にシフトする)。
The long pass filter LP has a film thickness gradient GL in which the film thickness monotonously increases in one direction. The film thickness gradient GL corresponds to | tan α | when the angle between the surface of the
ショートパスフィルタSPは、一方向に向かうにつれて膜厚が単調に増加する膜厚勾配GSを有している。膜厚勾配GSは、基板11の表面とショートパスフィルタSPの最表面とのなす角度をβ(°)としたとき、|tanβ|に相当する。ショートパスフィルタSPは、第1屈折率材料(低屈折率材料)からなる層と、該第1屈折率材料よりも屈折率の高い少なくとも1つの第2屈折率材料(高屈折率材料)からなる層とを積層した多層膜で構成されており、遮断波長WSよりも短い波長域の光を透過させ、それ以外の光の透過を遮断する。上記の遮断波長WSは、透過率が50%となるときの波長(カットオフ波長)であり、膜厚が増加するにつれて単調に長くなる(長波長側にシフトする)。
The short pass filter SP has a film thickness gradient GS in which the film thickness monotonously increases in one direction. The film thickness gradient GS corresponds to | tan β | when the angle formed by the surface of the
バンドパスフィルタBPは、一方向に向かうにつれて膜厚が単調に増加する膜厚勾配GBを有している。膜厚勾配GBは、基板11の表面とバンドパスフィルタBPの最表面とのなす角度をγ(°)としたとき、|tanγ|に相当する。バンドパスフィルタBPの膜厚勾配GBは、ショートパスフィルタSPの膜厚勾配GSとほとんど同じであるが、異なっていてもよい。バンドパスフィルタBPは、第1屈折率材料(低屈折率材料)からなる層と、該第1屈折率材料よりも屈折率の高い少なくとも1つの第2屈折率材料(高屈折率材料)からなる層とを積層した多層膜で構成されており、短波長側の遮断波長WB1と長波長側の遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させ、それ以外の光の透過を遮断する。上記の遮断波長WB1・WB2は、透過率が50%となるときの波長(カットオフ波長)であり、膜厚が増加するにつれて単調に長くなる(長波長側にシフトする)。
The bandpass filter BP has a film thickness gradient GB in which the film thickness monotonously increases in one direction. The film thickness gradient GB corresponds to | tan γ | when the angle between the surface of the
同図に示すように、ロングパスフィルタLP、ショートパスフィルタSPおよびバンドパスフィルタBPは、膜厚が単調に増加する上記一方向が互いに一致するように重ね合わされている。また、ロングパスフィルタLPの膜厚勾配GLは、バンドパスフィルタBPの膜厚勾配GBよりも大きいが、その理由の詳細については後述する。 As shown in the figure, the long-pass filter LP, the short-pass filter SP, and the band-pass filter BP are overlapped so that the one direction in which the film thickness monotonously increases coincides with each other. Further, the film thickness gradient GL of the long pass filter LP is larger than the film thickness gradient GB of the band pass filter BP. Details of the reason will be described later.
なお、各遮断波長(WL・WS・WB1・WB2)は、膜厚が増加するにつれて長波長側にシフトするため、遮断波長WB1と遮断波長WB2との間の透過波長域も、膜厚が増加するにつれて長波長側にシフトする。このことは、膜厚が増加する上記一方向において、分光フィルタ10を透過する光の波長(透過波長域)が連続的に変化することを意味している。
Since each cutoff wavelength (WL, WS, WB 1 , WB 2 ) shifts to the longer wavelength side as the film thickness increases, the transmission wavelength region between the cutoff wavelength WB 1 and the cutoff wavelength WB 2 is also As the film thickness increases, it shifts to the longer wavelength side. This means that the wavelength (transmission wavelength region) of the light transmitted through the
受光部20は、複数の受光素子21と、各受光素子21を支持する支持基板22とを有している。各受光素子21は、分光フィルタ10を透過した光を受光するセンサであり、分光フィルタ10のロングパスフィルタLP等の膜厚が単調に増加する上記一方向に沿って、支持基板22上に並べて配置されている。分光フィルタ10では、上記一方向に透過波長が連続的に変化するため、上記一方向に沿って並べられた複数の受光素子21のうち、どの受光素子21で光を受光したかを検知することにより、分光フィルタ10に入射した光の波長(波長域)を検出することができる。
The
なお、図1において、基板11に対するバンドパスフィルタBPとショートパスフィルタSPとの位置関係は逆であってもよい。つまり、基板11に対して受光部20側にバンドパスフィルタBPを位置させ、受光部20とは反対側にショートパスフィルタSPを位置させてもよい。
In FIG. 1, the positional relationship between the band pass filter BP and the short pass filter SP relative to the
また、基板11と基板12との位置関係は、逆であってもよい。つまり、基板12と受光部20との間に、基板11が位置していてもよい。ただし、このような位置関係で基板11・12を接着剤31で貼り合わせる場合、基板11・12に成膜した膜同士が接着剤31で接着されると特性が変化するおそれがあるため、基板12上のロングパスフィルタLPが分光フィルタ10の最外層となるようにして(ロングパスフィルタLPが基板12に対して基板11とは反対側に位置するようにして)、基板11・12を貼り合わせることが望ましい。
Further, the positional relationship between the
図2は、分光測定装置1の他の構成を示す断面図である。分光測定装置1の分光フィルタ10において、バンドパスフィルタBP、ショートパスフィルタSPおよびロングパスフィルタLPは、それぞれ別々の基板11・12・13に成膜されていてもよい。このような構成であっても、バンドパスフィルタBP、ショートパスフィルタSPおよびロングパスフィルタLPを重ね合わせて位置させることができる。基板11・12は、接着剤31を介して貼り合わされ、基板12・13は接着剤32を介して貼り合わされる。なお、各基板11〜13は、空気層が介在して互いに非接触となるように、支持部材(図示せず)で支持されていてもよい。また、各基板11〜13の配置順序は、図2で示した順序に限定されず、例えば受光部20側から、基板11、基板12、基板13の順に配置されてもよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing another configuration of the
(重ね合わせの位置精度について)
本実施形態では、分光フィルタ10を、ロングパスフィルタLP、ショートパスフィルタSP、バンドパスフィルタBPの3層を用いて構成することにより、ロングパスフィルタLPおよびショートパスフィルタSPの重ね合わせの位置精度を緩和することができる。以下、この点について、まず説明する。
(About overlay position accuracy)
In the present embodiment, the
図3は、分光フィルタをショートパスフィルタSPおよびロングパスフィルタLPの2層で構成し、ショートパスフィルタSPとロングパスフィルタLPとで位置ズレが生じていない場合の各々のフィルタの分光特性であって、波長600nm付近の光を透過させる膜厚位置での分光特性を示している。ショートパスフィルタSPとロングパスフィルタLPとで位置ズレを生じさせることなく両者を重ね合わせた場合、同図のように、ショートパスフィルタSPおよびロングパスフィルタLPの各分光特性によって、波長600nm付近に透過率のピークが形成される。 FIG. 3 shows the spectral characteristics of each filter when the spectral filter is composed of two layers of a short pass filter SP and a long pass filter LP, and no positional deviation occurs between the short pass filter SP and the long pass filter LP. The spectral characteristics at the film thickness position where light having a wavelength of around 600 nm is transmitted are shown. When the short-pass filter SP and the long-pass filter LP are overlapped with each other without causing a positional shift, the transmittance near the wavelength of 600 nm is caused by the spectral characteristics of the short-pass filter SP and the long-pass filter LP as shown in FIG. The peak is formed.
長さが6mmで可視域をカバーするような(長さ6mmの範囲で可視光の全波長域の光を透過させるような)上記の分光フィルタにおいて、図3で示した分光特性を持つショートパスフィルタSPとロングパスフィルタLPとの間に、膜厚が変化する一方向に例えば0.1mmの相対的な位置ズレが生じると、図4に示すように、ショートパスフィルタSPおよびロングパスフィルタLPの一方の分光特性が他方の分光特性に対して相対的にずれる。 In the above-described spectral filter having a length of 6 mm and covering the visible range (transmitting light in the entire wavelength range of visible light in the range of 6 mm in length), the short path having the spectral characteristics shown in FIG. When a relative positional deviation of, for example, 0.1 mm occurs in one direction in which the film thickness changes between the filter SP and the long pass filter LP, as shown in FIG. 4, one of the short pass filter SP and the long pass filter LP Is deviated relative to the other spectral characteristic.
図5は、ショートパスフィルタSPとロングパスフィルタLPとのトータルの分光特性を示している。同図に示すように、ショートパスフィルタSPとロングパスフィルタLPとで位置ズレがない場合と、0.1mmの位置ズレがある場合とでは、透過率がピークとなる波長、およびピークとなる透過率自体が変動することがわかる。つまり、ショートパスフィルタSPとロングパスフィルタLPとの2層構成では、これらの2層の少しの位置ズレが分光フィルタ全体の特性に大きく影響し、2層の位置ズレがほとんど許容されないことがわかる。 FIG. 5 shows the total spectral characteristics of the short pass filter SP and the long pass filter LP. As shown in the figure, when there is no positional deviation between the short pass filter SP and the long pass filter LP and when there is a positional deviation of 0.1 mm, the wavelength at which the transmittance is peak, and the transmittance at which the peak is transmitted. It turns out that it fluctuates itself. That is, in the two-layer configuration of the short pass filter SP and the long pass filter LP, it is understood that a slight positional deviation between these two layers greatly affects the characteristics of the entire spectral filter, and the positional deviation between the two layers is hardly allowed.
図6は、分光フィルタを、ショートパスフィルタSP、ロングパスフィルタLPおよびバンドパスフィルタBPの3層で構成したときの各フィルタの分光特性であって、波長600nm付近の光を透過させる膜厚位置での分光特性を示している。同図に示すように、3層構成の分光フィルタでは、ロングパスフィルタLPの遮断波長WLを、バンドパスフィルタBPの短波長側の遮断波長WB1よりも短くし、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSを、バンドパスフィルタBPの長波長側の遮断波長WB2よりも長くすることで、遮断波長WB1と遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させ、それ以外の光を遮断する特性を出すことができる。つまり、この構成では、分光フィルタの透過特性は、バンドパスフィルタBPの透過特性によってほぼ決まるため、ロングパスフィルタLPの遮断波長WLと、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSとの差(波長差)を、上記した2層構成の分光フィルタに比べて広く確保することが可能となる。 FIG. 6 is a spectral characteristic of each filter when the spectral filter is composed of three layers of a short pass filter SP, a long pass filter LP, and a band pass filter BP, and at a film thickness position that transmits light in the vicinity of a wavelength of 600 nm. The spectral characteristics of are shown. As shown in the figure, in the spectral filter having a three-layer structure, the cutoff wavelength WL of the long pass filter LP is made shorter than the cutoff wavelength WB 1 on the short wavelength side of the band pass filter BP, and the cutoff wavelength WS of the short pass filter SP. Is made longer than the cutoff wavelength WB 2 on the long wavelength side of the bandpass filter BP, so that light in the wavelength region between the cutoff wavelength WB 1 and the cutoff wavelength WB 2 is transmitted and the other light is blocked. Characteristic can be brought out. In other words, in this configuration, the transmission characteristics of the spectral filter are substantially determined by the transmission characteristics of the bandpass filter BP, so the difference (wavelength difference) between the cutoff wavelength WL of the longpass filter LP and the cutoff wavelength WS of the shortpass filter SP is set. It is possible to ensure a wider area than the above-described two-layered spectral filter.
遮断波長WL・WSの波長差が広がることにより、ロングパスフィルタLPとショートパスフィルタSPとの重ね合わせの際の位置ズレによって遮断波長WL・WSが変動(シフト)しても、遮断波長WL・WSがバンドパスフィルタBPの透過波長域に重なりにくくなり、バンドパスフィルタBPの透過特性(=分光特性の透過特性)を確保できる。したがって、ロングパスフィルタLPとショートパスフィルタSPとの重ね合わせに高い位置精度を要求しなくても済み、上記位置精度を緩和して、ロングパスフィルタLPとショートパスフィルタSPとの位置ズレの許容範囲を広げることが可能となる。 Even if the cutoff wavelengths WL and WS fluctuate (shift) due to misalignment when the long pass filter LP and the short pass filter SP are superposed, the cutoff wavelengths WL and WS are changed. Can hardly overlap the transmission wavelength region of the bandpass filter BP, and the transmission characteristics (= transmission characteristics of the spectral characteristics) of the bandpass filter BP can be ensured. Therefore, it is not necessary to require a high positional accuracy for the superposition of the long pass filter LP and the short pass filter SP. The positional accuracy is relaxed, and an allowable range of positional deviation between the long pass filter LP and the short pass filter SP is increased. It can be expanded.
(膜厚勾配の設定について)
図7は、3層構成の分光フィルタにおける、各フィルタの理想的な分光特性を模式的に示している。膜厚が変化する一方向の各位置において所望の透過特性を出すためには、バンドパスフィルタBP、ショートパスフィルタSP、ロングパスフィルタLPの各遮断波長の関係性(遮断波長の波長差)が上記一方向の各位置でほぼ一定であることが理想的である。すなわち、バンドパスフィルタBP、ショートパスフィルタSP、ロングパスフィルタLPのいずれにおいても、膜厚(位置)が変化するにつれて遮断波長は単調に変化(シフト)するが、膜厚変化に対する遮断波長のシフト量を、3種のフィルタ間で同じにすることが理想的である。
(About setting the film thickness gradient)
FIG. 7 schematically shows ideal spectral characteristics of each filter in a three-layer spectral filter. In order to obtain a desired transmission characteristic at each position in one direction where the film thickness changes, the relationship between the cutoff wavelengths of the bandpass filter BP, the shortpass filter SP, and the longpass filter LP (the wavelength difference between the cutoff wavelengths) is as described above. Ideally, it is almost constant at each position in one direction. That is, in any of the band-pass filter BP, the short-pass filter SP, and the long-pass filter LP, the cutoff wavelength monotonously changes (shifts) as the film thickness (position) changes. Is ideally the same among the three filters.
しかし、実際には、膜材料に波長分散があるため、膜厚変化に対する遮断波長のシフト量が、バンドパスフィルタBP、ショートパスフィルタSP、ロングパスフィルタLPの間で異なる。このため、膜厚勾配を全て同じにして上記3種のフィルタを重ね合わせたのでは、膜厚が変化する一方向のある位置では、良好な透過性能を確保することができても、別の位置では、良好な透過性能を確保することができない場合がある。そこで、本実施形態では、少なくとも2種のフィルタの膜厚勾配を異ならせることにより、上記波長分散の影響を受けつつも、膜厚が変化する一方向のどの位置においても、所望の透過特性を実現するようにしている。以下、この点について詳細に説明する。 However, in actuality, since the film material has wavelength dispersion, the shift amount of the cut-off wavelength with respect to the change in film thickness differs among the bandpass filter BP, the shortpass filter SP, and the longpass filter LP. For this reason, when the above three types of filters are overlapped with the same film thickness gradient, even if a good transmission performance can be ensured at a certain position where the film thickness changes, In the position, it may be impossible to ensure good transmission performance. Therefore, in this embodiment, by varying the film thickness gradient of at least two types of filters, the desired transmission characteristics can be obtained at any position in one direction in which the film thickness changes while being affected by the chromatic dispersion. It has been realized. Hereinafter, this point will be described in detail.
図8は、高屈折率材料と低屈折率材料との多層膜からなる一般的な反射膜において、高屈折率材料の屈折率nHを、2.30、2.38、2.46と変化させた場合の分光特性の変化を示している。同図に示すように、反射膜の反射波長域Aは、高屈折率材料の屈折率nHが高くなると広くなり、屈折率nHが低くなると狭くなることが知られている。 FIG. 8 shows a general reflective film composed of a multilayer film of a high refractive index material and a low refractive index material, and the refractive index nH of the high refractive index material is changed to 2.30, 2.38, and 2.46. The change of the spectral characteristics in the case of As shown in the figure, it is known that the reflection wavelength region A of the reflective film becomes wider when the refractive index nH of the high refractive index material becomes higher and becomes narrower when the refractive index nH becomes lower.
このような反射膜における分光特性の変化を、高屈折率材料と低屈折率材料との多層膜からなるロングパスフィルタLPおよびショートパスフィルタSPに当てはめて考えると、以下のようになる。すなわち、反射膜の反射波長域Aの長波長側の分光特性(特に透過率が0%から急激に増大する波長域の分光特性)は、ロングパスフィルタLPの分光特性(特に透過率が0%から急激に増大する、遮断波長WL近傍の分光特性)に対応し、反射波長域Aの短波長側の分光特性(特に透過率が0%に急激に低下する波長域の分光特性)は、ショートパスフィルタSPの分光特性(特に透過率が0%に急激に低下する、遮断波長WS近傍の分光特性)に対応する。このため、ロングパスフィルタLPでは、図9に示すように、高屈折率材料の屈折率nHが高くなると、遮断波長WLが長波長側にシフトし、ショートパスフィルタSPでは、図10に示すように、高屈折率材料の屈折率nHが高くなると、遮断波長WSは短波長側にシフトする。逆に、高屈折率材料の屈折率nHが低くなると、ロングパスフィルタLPでは、遮断波長WLが短波長側にシフトし、ショートパスフィルタSPでは、遮断波長WSは長波長側にシフトする。 Considering such a change in spectral characteristics in the reflective film by applying it to a long-pass filter LP and a short-pass filter SP formed of a multilayer film of a high refractive index material and a low refractive index material, the following is obtained. That is, the spectral characteristics (especially the spectral characteristics in the wavelength range where the transmittance suddenly increases from 0%) in the reflection wavelength range A of the reflective film are the spectral characteristics (especially the transmittance is from 0%) of the long pass filter LP. The spectral characteristics on the short wavelength side of the reflected wavelength range A (especially the spectral characteristics in the wavelength range where the transmittance sharply drops to 0%) correspond to the sharply increasing spectral characteristics in the vicinity of the cutoff wavelength WL. This corresponds to the spectral characteristics of the filter SP (particularly, the spectral characteristics in the vicinity of the cut-off wavelength WS where the transmittance rapidly decreases to 0%). Therefore, in the long pass filter LP, as shown in FIG. 9, when the refractive index nH of the high refractive index material increases, the cutoff wavelength WL shifts to the long wavelength side, and in the short pass filter SP, as shown in FIG. When the refractive index nH of the high refractive index material increases, the cutoff wavelength WS shifts to the short wavelength side. On the other hand, when the refractive index nH of the high refractive index material is lowered, the cutoff wavelength WL is shifted to the short wavelength side in the long pass filter LP, and the cutoff wavelength WS is shifted to the long wavelength side in the short pass filter SP.
また、図11は、高屈折率材料の一種である酸化ニオブ(Nb2O5)における波長と屈折率との関係を示し、図12は、低屈折率材料の一種である酸化シリコン(SiO2)における波長と屈折率との関係を示している。膜を構成する材料には、必ず波長分散があり、波長が短くなるにつれて屈折率が高くなる。このような傾向は、低屈折率材料よりも高屈折率材料で顕著に現れることがわかる。つまり、低屈折率材料の波長分散は、高屈折率材料の波長分散に比べると、無視できるほど小さい。 FIG. 11 shows the relationship between the wavelength and refractive index of niobium oxide (Nb 2 O 5 ), which is a kind of high refractive index material, and FIG. 12 shows silicon oxide (SiO 2), which is a kind of low refractive index material. ) Shows the relationship between the wavelength and the refractive index. The material constituting the film always has chromatic dispersion, and the refractive index increases as the wavelength becomes shorter. It can be seen that such a tendency appears more remarkably in the high refractive index material than in the low refractive index material. That is, the wavelength dispersion of the low refractive index material is negligibly small compared to the wavelength dispersion of the high refractive index material.
図13は、膜厚勾配を有するロングパスフィルタLPおよびショートパスフィルタSPにおける総膜厚の推移を示している。なお、同図では、ロングパスフィルタLPおよびショートパスフィルタSPともに、波長600nmに透過率のピークがある位置(600nmピーク位置)の総膜厚を基準(総膜厚1)とし、その総膜厚に対する他の位置の総膜厚の比を示している。図13のように、膜厚勾配が同じロングパスフィルタLPとショートパスフィルタSP、つまり、一方向に同じ比率で総膜厚を変化させたロングパスフィルタLPとショートパスフィルタSPとを重ね合わせて分光フィルタを構成すると、図14に示すように、ある基準(波長600nm)よりも短波長側の波長域(例えば波長380nm付近)では、上述した高屈折率材料の波長分散の影響によって(屈折率nHの増加によって)、ロングパスフィルタLPの遮断波長WLが長波長側にシフトし、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSが短波長側にシフトする。その結果、波長380nm付近での透過率の半値幅が狭くなる。逆に、ある基準(波長600nm)よりも長波長側の波長域(例えば波長780nm付近)では、高屈折率材料の波長分散の影響によって(屈折率nHの減少によって)、ロングパスフィルタLPの遮断波長WLが短波長側にシフトし、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSが長波長側にシフトする。その結果、波長780nm付近での透過率の半値幅が広くなる。
FIG. 13 shows the transition of the total film thickness in the long pass filter LP and the short pass filter SP having a film thickness gradient. In the figure, for both the long pass filter LP and the short pass filter SP, the total film thickness at the position where the transmittance peak exists at the wavelength of 600 nm (600 nm peak position) is used as the reference (total film thickness 1). The ratio of the total film thickness at other positions is shown. As shown in FIG. 13, a long-pass filter LP and a short-pass filter SP having the same film thickness gradient, that is, a long-pass filter LP and a short-pass filter SP whose total film thickness is changed in the same ratio in one direction are superposed on each other. As shown in FIG. 14, in the wavelength region shorter than a certain reference (
このように、遮断波長のシフトを、600nmピーク位置を基準として考えた場合、図14より、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合(遮断波長のシフト量)は、ショートパスフィルタSPよりもロングパスフィルタLPのほうが小さいと言える(600nmピーク位置からの膜厚の変化に対して、遮断波長WLのほうが遮断波長WSよりもシフト量が小さい)。 Thus, when the shift of the cut-off wavelength is considered based on the 600 nm peak position, the ratio of the cut-off wavelength change to the change in film thickness (the cut-off wavelength shift amount) is longer than that of the short-pass filter SP as shown in FIG. It can be said that the filter LP is smaller (the cutoff wavelength WL has a smaller shift amount than the cutoff wavelength WS with respect to the change in film thickness from the 600 nm peak position).
このことを、膜厚比と遮断波長との関係で示したものが、図15である。なお、図15の横軸の膜厚比は、基準となる位置(例えばロングパスフィルタLPでは遮断波長が350nmとなる位置、バンドパスフィルタBPでは遮断波長が380nmとなる位置、ショートパスフィルタSPでは遮断波長が410nmとなる位置)の膜厚をそれぞれ膜厚比1とし、この基準位置の膜厚に対する各位置の膜厚の比を示している。また、縦軸の遮断波長は、透過率が50%となるときの波長であるが、バンドパスフィルタBPについては、短波長側の遮断波長を示している。なお、図15では、ロングパスフィルタLP、バンドパスフィルタBP、ショートパスフィルタSPの各膜厚勾配は同じであるとする。
FIG. 15 shows this in relation to the film thickness ratio and the cutoff wavelength. Note that the film thickness ratio on the horizontal axis in FIG. 15 is a reference position (for example, a position where the cutoff wavelength is 350 nm for the long pass filter LP, a position where the cutoff wavelength is 380 nm for the band pass filter BP, and a cutoff position for the short pass filter SP. The film thickness at the position where the wavelength is 410 nm is assumed to be a
同図に示すように、膜厚比(膜厚の変化)に対する遮断波長の変化の割合(遮断波長のシフト量)は、図15の直線で示すグラフの傾きにそれぞれ相当する。したがって、ロングパスフィルタLPでは、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合(直線の傾き)が、他のフィルタよりも小さい。なお、図15に示すように、バンドパスフィルタBPについては、膜厚変化に対する遮断波長の変化の仕方がショートパスフィルタSPと類似することがわかっている。このため、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合は、バンドパスフィルタBPおよびショートパスフィルタSPよりもロングパスフィルタLPのほうが小さいとも言える。 As shown in the figure, the ratio of the change in the cut-off wavelength (the shift amount of the cut-off wavelength) relative to the film thickness ratio (change in the film thickness) corresponds to the slope of the graph shown by the straight line in FIG. Therefore, in the long pass filter LP, the ratio of change in the cutoff wavelength with respect to the change in film thickness (straight line) is smaller than in other filters. As shown in FIG. 15, it is known that the bandpass filter BP is similar to the shortpass filter SP in how the cutoff wavelength changes with respect to the change in film thickness. For this reason, it can be said that the ratio of the change in the cutoff wavelength with respect to the change in the film thickness is smaller in the long pass filter LP than in the band pass filter BP and the short pass filter SP.
また、図16は、2種の高屈折率材料A・Bの分散をそれぞれ示している。同図では、高屈折率材料Aのほうが高屈折率材料Bよりも分散が大きい(波長の変化に対する屈折率の変化が大きい)ことを示している。図15で示した、膜厚変化に対する遮断波長の変化が、より分散が大きい高屈折率材料Aを用いた場合の変化であるとした場合、より分散が小さい高屈折率材料Bを用いた場合の、膜厚変化に対する遮断波長の変化は、図17のようになる。つまり、図15および図17のように、高屈折率材料の分散の大きさによっても、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合は変動し、用いる高屈折率材料の分散が大きいほど、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合は小さくなる(図15のほうが図17よりも、各グラフの直線の傾きが小さい)。ただし、より分散の小さい高屈折率材料を用いた場合でも、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合が、バンドパスフィルタBPおよびショートパスフィルタSPよりもロングパスフィルタLPのほうが小さい点は、図15の場合と同様である。 FIG. 16 shows the dispersion of the two types of high refractive index materials A and B, respectively. In the figure, it is shown that the high refractive index material A has a larger dispersion than the high refractive index material B (the change in refractive index with respect to the change in wavelength is large). When the change in the cutoff wavelength with respect to the change in film thickness shown in FIG. 15 is a change in the case of using the high refractive index material A having a larger dispersion, the case of using the high refractive index material B having a smaller dispersion. The change of the cutoff wavelength with respect to the change of the film thickness is as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 15 and FIG. 17, the ratio of the change in the cutoff wavelength with respect to the change in the film thickness varies depending on the dispersion of the high refractive index material. The ratio of the change in the cut-off wavelength with respect to the change is small (in FIG. 15, the slope of the straight line in each graph is smaller than in FIG. 17). However, even when a high refractive index material with smaller dispersion is used, the ratio of the change in the cutoff wavelength to the change in the film thickness is smaller in the long pass filter LP than in the band pass filter BP and the short pass filter SP. It is the same as the case of.
このように、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合が、少なくとも、バンドパスフィルタBPとロングパスフィルタLPとで異なっているため、これらの各フィルタの膜厚勾配をほぼ同じにして各フィルタを重ね合わせると、膜厚が変化する一方向のある位置では、良好な透過性能を確保することができない場合がある。例えば、後述する比較例2では、波長380nmの透過帯(特にバンドパスフィルタBPの透過率ピークが380nmとなる位置)において、膜厚変化に対する波長シフト量が、バンドパスフィルタBPよりもロングパスフィルタLPのほうが少ないために、バンドパスフィルタBPの透過波長域がロングパスフィルタLPの遮断波長WLよりも短波長側にくる(図40参照)。この場合、バンドパスフィルタBPを透過する光は、ロングパスフィルタLPによって透過が阻止されることになり、良好な透過性能を確保することができなくなる。
Thus, since the ratio of the change in the cutoff wavelength with respect to the change in the film thickness is different at least between the band pass filter BP and the long pass filter LP, the filters are overlapped with the film thickness gradients of these filters being substantially the same. When combined, good transmission performance may not be ensured at a position in one direction where the film thickness changes. For example, in Comparative Example 2, which will be described later, in the transmission band of
そこで、本実施形態では、ロングパスフィルタLPの膜厚勾配GLを、バンドパスフィルタBPの膜厚勾配GBよりも大きくしている。このようにすることで、膜厚が変化する一方向の各位置において、遮断波長WB1・WLの基準からのシフト量を互いに近づけることが可能となる。例えば、バンドパスフィルタBPの膜厚比3の位置では、ロングパスフィルタLPの膜厚比が3よりも大きい位置でのシフト量だけ遮断波長WLをシフトさせるようにして、遮断波長WB1・WLのシフト量を互いに近づけることができる。また、バンドパスフィルタBPの膜厚比が3以外の位置でも、上記と同様に考えることができ、ロングパスフィルタLPにおいて、膜厚比がバンドパスフィルタBPの膜厚比よりも大きい位置でのシフト量だけ遮断波長WLをシフトさせるようにして、遮断波長WB1・WLのシフト量を互いに近づけることができる。 Therefore, in the present embodiment, the film thickness gradient GL of the long pass filter LP is made larger than the film thickness gradient GB of the band pass filter BP. In this way, the shift amounts from the reference of the cutoff wavelengths WB 1 and WL can be made closer to each other at each position in one direction where the film thickness changes. For example, at the position where the film thickness ratio of the band pass filter BP is 3, the cutoff wavelength WL is shifted by the shift amount at the position where the film thickness ratio of the long pass filter LP is larger than 3, so that the cutoff wavelengths WB 1 and WL are The shift amounts can be made closer to each other. Further, even when the film thickness ratio of the bandpass filter BP is other than 3, it can be considered in the same manner as described above. In the long pass filter LP, the film thickness ratio is shifted at a position larger than the film thickness ratio of the bandpass filter BP. By shifting the cutoff wavelength WL by an amount, the shift amounts of the cutoff wavelengths WB 1 and WL can be made closer to each other.
したがって、上記一方向のどの位置でも、遮断波長WLを遮断波長WB1とほぼ同じ量だけシフトさせて、遮断波長WLを遮断波長WB1よりも短くする、つまり、遮断波長WLを遮断波長WB1よりも短波長側に位置させることが可能となる。その結果、上記一方向のどの位置でも、遮断波長WLが遮断波長WB1よりも短く、遮断波長WSが遮断波長WB2よりも長いことによって、遮断波長WB1と遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させる構成を実現することが可能となる。つまり、図18に示すように、可視光を透過する上記一方向のどの位置でも、良好な透過性能を確保することが可能となる。なお、分光フィルタにおける上記一方向の長さは任意に設定することができ、例えば6〜20mmの長さとすることができる。 Therefore, at any position of the one direction, the cut-off wavelength WL substantially the same amount to shift the cutoff wavelength WB 1, shorter than the cutoff wavelength WB 1 the cut-off wavelength WL, that is, cut off the cut-off wavelength WL wavelength WB 1 It is possible to position it on the shorter wavelength side. As a result, at any position of the one direction, shorter cutoff wavelength WL than cutoff wavelength WB 1, by longer than the cutoff wavelength WS is cutoff wavelength WB 2, between the cut-off wavelength WB 1 and cutoff wavelength WB 2 It is possible to realize a configuration that transmits light in the wavelength range. That is, as shown in FIG. 18, it is possible to ensure good transmission performance at any position in the one direction that transmits visible light. In addition, the length of the said one direction in a spectral filter can be set arbitrarily, for example, can be 6-20 mm in length.
なお、図15および図17で示したように、ショートパスフィルタSPとバンドパスフィルタBPとで、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合(直線の傾き)はほとんど同じであるため、ショートパスフィルタSPの膜厚勾配GSと、バンドパスフィルタBPの膜厚勾配GBとは同じであってもよいが、各直線の傾きの差に相当する量だけ、膜厚勾配GSと膜厚勾配GBとに差を持たせて、ショートパスフィルタSPおよびバンドパスフィルタBP間でも、膜厚が変化する一方向の各位置において、遮断波長のシフト量を揃えるようにしてもよい。 As shown in FIGS. 15 and 17, the short-pass filter SP and the band-pass filter BP have almost the same ratio of change in cutoff wavelength (straight line) with respect to the change in film thickness. The film thickness gradient GS of the SP and the film thickness gradient GB of the bandpass filter BP may be the same, but the film thickness gradient GS and the film thickness gradient GB are increased by an amount corresponding to the difference in the inclination of each straight line. The cut-off wavelength shift amount may be equalized at each position in one direction where the film thickness changes between the short pass filter SP and the band pass filter BP with a difference.
(遮断波長WB1と遮断波長WLとの波長差の望ましい範囲)
本実施形態の分光フィルタ10において、膜厚が変化する一方向で、可視光(例えば波長380〜780nmの光)が透過する全ての位置において、遮断波長WB1と遮断波長WLとの波長差(以下、ΔWとも記載する)は、13nm以上42nm以下であることが望ましい。
(Preferable range of wavelength difference between cutoff wavelength WB 1 and cutoff wavelength WL)
In the
ΔWが13nm以上であることにより、ロングパスフィルタLPの上記一方向の位置ズレの許容範囲を確実に広げることができる。つまり、図19に示すように、ロングパスフィルタLPの位置ズレにより、ある透過帯の遮断波長WB1に遮断波長WLが重なると、バンドパスフィルタBPの透過波長域(遮断波長WB1と遮断波長WB2との間の波長域)が狭くなり、良好な透過特性を確保することができなくなる。ΔWとして13nm以上を確保することにより、ロングパスフィルタLPの上記一方向の位置ズレの許容範囲が広がるため、多少の位置ズレが生じたとしても、良好な透過性能を確実に確保することが可能となる。 By allowing ΔW to be 13 nm or more, the allowable range of the positional deviation in the one direction of the long pass filter LP can be surely expanded. That is, as shown in FIG. 19, when the cutoff wavelength WL overlaps the cutoff wavelength WB 1 of a certain transmission band due to the positional deviation of the long pass filter LP, the transmission wavelength range (the cutoff wavelength WB 1 and the cutoff wavelength WB of the band pass filter BP). The wavelength range between 2 and 2 becomes narrow, and good transmission characteristics cannot be secured. By ensuring 13 nm or more as ΔW, the allowable range of the positional deviation in the above-mentioned one direction of the long pass filter LP is widened. Therefore, even if some positional deviation occurs, it is possible to reliably ensure good transmission performance. Become.
また、ΔWが42nm以下であることにより、ロングパスフィルタLPの位置ズレに起因する光の透過漏れを確実に低減することができる。つまり、図20に示すように、ロングパスフィルタLPの上記一方向の位置ズレにより、ロングパスフィルタLPの遮断波長WLが、バンドパスフィルタBPの阻止帯(光の透過を阻止する波長域;図20の例では、540〜590nmあたり)よりも短波長側に位置すると、バンドパスフィルタBPの阻止帯よりも短波長側の光がロングパスフィルタLPで遮断されずに透過することになり、光の透過漏れが生ずる。このため、ΔWを42nm以下に設定することにより、上記の透過漏れを確実に低減することができる。 Further, when ΔW is 42 nm or less, light transmission leakage due to the positional deviation of the long pass filter LP can be reliably reduced. That is, as shown in FIG. 20, due to the positional deviation of the long pass filter LP in the one direction, the cutoff wavelength WL of the long pass filter LP becomes the stop band of the band pass filter BP (wavelength range for blocking light transmission; In the example, when positioned on the shorter wavelength side than around 540 to 590 nm, light on the shorter wavelength side than the stopband of the bandpass filter BP is transmitted without being blocked by the longpass filter LP, and light transmission leakage Will occur. For this reason, the transmission leakage can be reliably reduced by setting ΔW to 42 nm or less.
また、バンドパスフィルタBPの阻止帯を広げることで、上記の透過漏れを低減することも可能であるが、阻止帯を広げるような設計は、バンドパスフィルタBPの層数が増大することとなり、設計が困難となりやすい。この点、上記のようにΔWを42nm以下に設定することにより、バンドパスフィルタBPの層数を増大させることなく、上記の透過漏れを無くすことができ、バンドパスフィルタBPの設計も容易となる。 In addition, it is possible to reduce the transmission leakage by widening the stop band of the band pass filter BP. However, the design to widen the stop band increases the number of layers of the band pass filter BP. Design is likely to be difficult. In this regard, by setting ΔW to 42 nm or less as described above, the transmission leakage can be eliminated without increasing the number of layers of the bandpass filter BP, and the design of the bandpass filter BP is facilitated. .
上記の効果をより確実に得る観点から、ΔWの望ましい範囲は、20nm以上30nm以下である。 From the viewpoint of obtaining the above effect more reliably, a desirable range of ΔW is 20 nm or more and 30 nm or less.
(ΔWを所望の範囲に収めるための具体的な条件について)
次に、本実施形態の分光フィルタ10において、上記したΔWの範囲を実現するための具体的な条件について検討する。
(Specific conditions for keeping ΔW within a desired range)
Next, specific conditions for realizing the above-described range of ΔW in the
上述したように、分光フィルタ10のロングパスフィルタLPおよびバンドパスフィルタBPは、第1屈折率材料からなる層と、第1屈折率材料よりも屈折率の高い少なくとも1つの第2屈折率材料からなる層とを積層した多層膜で構成されている。ここで、少なくとも1つの第2屈折率材料の中で、層数および総膜厚の少なくともいずれかが最大となる材料を、主屈折率材料とする。なお、第2屈折率材料が1種類のみである場合、その第2屈折率材料が主屈折率材料となる。また、層数が最大となる第2屈折率材料と、総膜厚が最大となる第2屈折率材料とが異なる場合、いずれの第2屈折率材料についても主屈折率材料とすることができる。
As described above, the long pass filter LP and the band pass filter BP of the
ロングパスフィルタLPにおいて、主屈折率材料の波長380nmにおける屈折率を、nL380とし、主屈折率材料の波長780nmにおける屈折率を、nL780とし、波長780nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dL780(nm)とし、波長380nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dL380(nm)とする。
In the long pass filter LP, the refractive index of the main refractive index material at a wavelength of 380 nm is nL 380 , the refractive index of the main refractive index material at a wavelength of 780 nm is nL 780, and the film thickness of the transmission part that transmits light of
また、バンドパスフィルタBPにおいて、主屈折率材料の波長380nmにおける屈折率を、nB380とし、主屈折率材料の波長780nmにおける屈折率を、nB780とし、波長780nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dB780(nm)とし、波長380nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dB380(nm)とする。 Further, in the band pass filter BP, the refractive index of the main refractive index material at a wavelength of 380 nm is nB 380 , the refractive index of the main refractive index material at a wavelength of 780 nm is nB 780, and a transmission portion that transmits light having a wavelength of 780 nm is used. The film thickness is dB 780 (nm), and the film thickness of the transmission part that transmits light with a wavelength of 380 nm is dB 380 (nm).
分光フィルタ10は、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。すなわち、
0.98<{(dL780/dL380)/(dB780/dB380)}×[(nL780/nL380)/{(nB780/nB380)0.4}]<1.17 ・・・(1)
である。
It is desirable that the
0.98 <{(dL 780 / dL 380 ) / (dB 780 / dB 380 )} × [(nL 780 / nL 380 ) / {(nB 780 / nB 380 ) 0.4 }] <1.17 ( 1)
It is.
なお、条件式(1)において、
(dL780/dL380)/(dB780/dB380)=E
(nL780/nL380)/{(nB780/nB380)0.4}=M
E×M=F
とすると、条件式(1)は、以下の条件式(1’)のように簡略化することもできる。
0.98≦F≦1.17 ・・・(1’)
In conditional expression (1),
(DL 780 / dL 380 ) / (dB 780 / dB 380 ) = E
(NL 780 / nL 380 ) / {(nB 780 / nB 380 ) 0.4 } = M
E × M = F
Then, the conditional expression (1) can be simplified as the following conditional expression (1 ′).
0.98 ≦ F ≦ 1.17 (1 ′)
また、分光フィルタ10は、以下の条件式(2)を満足することがより望ましい。すなわち、
1.03<{(dL780/dL380)/(dB780/dB380)}×[(nL780/nL380)/{(nB780/nB380)0.4}]<1.1 ・・・(2)
である。
Further, it is more desirable for the
1.03 <{(dL 780 / dL 380 ) / (dB 780 / dB 380 )} × [(nL 780 / nL 380 ) / {(nB 780 / nB 380 ) 0.4 }] <1.1 ( 2)
It is.
なお、条件式(2)は、上記した条件式(2’)にならって、以下の条件式(2’)のように簡略化することもできる。
1.03≦F≦1.1 ・・・(2’)
Conditional expression (2) can be simplified as conditional expression (2 ′) below, following conditional expression (2 ′).
1.03 ≦ F ≦ 1.1 (2 ′)
ここで、上記のEは、ロングパスフィルタLPの膜厚勾配GLと、バンドパスフィルタBPの膜厚勾配GBとの比(以下、勾配比とも称する)を示している。dL780/dL380がdB780/dB380よりも大きくなるほど、つまり、膜厚勾配GLが膜厚勾配GBよりも大きくなるほど、Eの値は大きくなる。 Here, E indicates the ratio of the film thickness gradient GL of the long pass filter LP to the film thickness gradient GB of the band pass filter BP (hereinafter also referred to as gradient ratio). The value of E increases as dL 780 / dL 380 becomes larger than dB 780 / dB 380 , that is, as the film thickness gradient GL becomes larger than the film thickness gradient GB.
また、上記のMは、ロングパスフィルタLPに適用された主屈折率材料の分散と、バンドパスフィルタBPに適用された主屈折率材料の分散との比(以下、分散比とも称する)を示している。なお、Mの式において、バンドパスフィルタBPの主屈折率材料の分散(nB780/nB380)を0.4乗しているのは、上記のEを、xy直交座標系での変数yに対応させ、上記のMを変数xに対応させて、座標(M,E)で表される設計値の各点をプロットしたときに、各点が座標平面上でほぼリニアに並ぶようになり、条件式(1)または(2)の上限および下限に相当する定数を求めやすくすることができることによる。なお、Mの式において、累乗の部分は0.4乗以外であってもよいが、この場合は、複数の分光フィルタに対応する各点が曲線状に並ぶため、回帰式の特定がしにくくなる可能性がある。したがって、Mの式の累乗の部分は0.4乗であることが望ましい。 Further, M represents the ratio between the dispersion of the main refractive index material applied to the long pass filter LP and the dispersion of the main refractive index material applied to the band pass filter BP (hereinafter also referred to as dispersion ratio). Yes. In the equation of M, the dispersion (nB 780 / nB 380 ) of the main refractive index material of the bandpass filter BP is raised to the power of 0.4 because the above E is used as the variable y in the xy orthogonal coordinate system. When each point of the design value represented by the coordinates (M, E) is plotted with the above M corresponding to the variable x, each point is arranged almost linearly on the coordinate plane, This is because the constants corresponding to the upper and lower limits of the conditional expression (1) or (2) can be easily obtained. In the equation of M, the power part may be other than 0.4, but in this case, since the points corresponding to the plurality of spectral filters are arranged in a curved line, it is difficult to specify the regression equation. There is a possibility. Therefore, it is desirable that the power of the expression of M is 0.4.
ロングパスフィルタLPの主屈折率材料の分散が小さい場合、ロングパスフィルタLPにおいて、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合は、図17で示したように比較的大きくなる。このため、勾配比(GL/GB)をそれほど大きくしなくても、各透過位置(膜厚位置)での遮断波長の基準からのシフト量を、ロングパスフィルタLPとバンドパスフィルタBPとでほぼ揃えることが可能となる。なお、ロングパスフィルタLPの主屈折率材料の分散が小さい場合、(nL780/nL380)の値としては大きくなるため(分母のnL380が小さくなるため)、上述の分散比は大きくなる傾向になる。したがって、分散比が大きい場合、勾配比を小さくして、膜厚が変化する一方向の各位置において、遮断波長Wb1・WLの差(ΔW)を所定範囲内に収めることができると言える。 When the dispersion of the main refractive index material of the long pass filter LP is small, the ratio of the change in the cutoff wavelength with respect to the change in the film thickness in the long pass filter LP is relatively large as shown in FIG. For this reason, even if the gradient ratio (GL / GB) is not increased so much, the shift amount from the reference of the cutoff wavelength at each transmission position (film thickness position) is substantially equalized between the long pass filter LP and the band pass filter BP. It becomes possible. When the dispersion of the main refractive index material of the long pass filter LP is small, the value of (nL 780 / nL 380 ) is large (because the denominator nL 380 is small), so the above dispersion ratio tends to be large. Become. Therefore, when the dispersion ratio is large, it can be said that the difference (ΔW) between the cutoff wavelengths Wb 1 and WL can be kept within a predetermined range at each position in one direction where the film thickness changes by decreasing the gradient ratio.
逆に、ロングパスフィルタLPの主屈折率材料の分散が大きい場合、ロングパスフィルタLPにおいて、膜厚変化に対する遮断波長の変化の割合は、図15で示したように比較的小さくなる。このため、各透過位置での遮断波長の基準からのシフト量を、ロングパスフィルタLPとバンドパスフィルタBPとで揃えるためには、勾配比(GL/GB)をより大きくする必要がある。なお、ロングパスフィルタLPの主屈折率材料の分散が大きい場合、(nL780/nL380)の値としては小さくなるため(分母のnL380が大きくなるため)、上述の分散比は小さくなる傾向になる。したがって、分散比が小さい場合、膜厚が変化する一方向の各位置で遮断波長Wb1・WLの差(ΔW)を所定範囲内に収めるためには、勾配比を大きくする必要があると言える。 On the contrary, when the dispersion of the main refractive index material of the long pass filter LP is large, the ratio of the change in the cutoff wavelength with respect to the change in the film thickness in the long pass filter LP becomes relatively small as shown in FIG. For this reason, in order to make the long-pass filter LP and the band-pass filter BP have the same shift amount from the cutoff wavelength reference at each transmission position, it is necessary to increase the gradient ratio (GL / GB). When the dispersion of the main refractive index material of the long pass filter LP is large, the value of (nL 780 / nL 380 ) is small (because the denominator nL 380 is large), and thus the above dispersion ratio tends to be small. Become. Therefore, when the dispersion ratio is small, it can be said that the gradient ratio needs to be increased in order to keep the difference (ΔW) between the cutoff wavelengths Wb 1 and WL at each position in one direction where the film thickness changes within a predetermined range. .
以上のことから、膜厚が変化する一方向の各位置でΔWを所定範囲内に収めるためには、勾配比と分散比とがほぼ反比例の関係にあればよいと言える。 From the above, it can be said that in order to keep ΔW within a predetermined range at each position in one direction where the film thickness changes, the gradient ratio and the dispersion ratio need only be in an inversely proportional relationship.
図21は、分散比に相当するMと勾配比に相当するEの実際の設計値を座標平面上にプロットしたものである(設計値を示す各点の座標は(M,E))。図中のA群は、ΔWが、波長380nmの光の透過部(380nm透過帯)で35〜42nm程度と大きく、波長780nmの光の透過部(780nm透過帯)で13〜17nm程度と小さくなるような設計値の集合を示している。また、B群は、ΔWが、380nm透過帯で13〜17nm程度と小さく、780nm透過帯で35〜42nm程度と大きくなるような設計値の集合を示している。A群の設計値、B群の設計値、またはA群とB群との間の設計値を採用すれば、ΔWは13nm以上42nm以下の範囲にあることになり、ロングパスフィルタLPに位置ズレが生じても、上述した透過性能を確保できることになる。 FIG. 21 is a plot of actual design values of M corresponding to the dispersion ratio and E corresponding to the gradient ratio on the coordinate plane (the coordinates of each point indicating the design value are (M, E)). In the group A in the figure, ΔW is as large as about 35 to 42 nm in the light transmission part (380 nm transmission band) with a wavelength of 380 nm, and as small as about 13 to 17 nm in the light transmission part (780 nm transmission band) with a wavelength of 780 nm. A set of such design values is shown. Group B shows a set of design values such that ΔW is as small as about 13 to 17 nm in the 380 nm transmission band and as large as about 35 to 42 nm in the 780 nm transmission band. If the design value of the A group, the design value of the B group, or the design value between the A group and the B group is adopted, ΔW is in the range of 13 nm or more and 42 nm or less, and the long pass filter LP is misaligned. Even if it occurs, the transmission performance described above can be secured.
上述のようにMとEとが反比例の関係にある場合、A群の上限を示す回帰式pおよびB群の下限を示す回帰式sは、それぞれy=a/xで近似することができる。この場合、MとEとの積であるFは、上記回帰式の定数aに相当する。図21より、回帰式pおよび回帰式sを求めたところ、回帰式pとしてy=1.17/xが得られ、回帰式sとしてy=0.98/xが得られた。したがって、MとEとの積であるFの値が0.98よりも大きく1.17よりも小さければ(条件式(1)または(1’)を満足すれば)、膜厚が変化する一方向のどの位置でも、ΔWとして13nm以上42nm以下を実現して、上述の効果を得ることができると言える。 As described above, when M and E are in an inversely proportional relationship, the regression equation p indicating the upper limit of the A group and the regression equation s indicating the lower limit of the B group can be approximated by y = a / x, respectively. In this case, F, which is the product of M and E, corresponds to the constant a of the regression equation. When the regression equation p and the regression equation s were obtained from FIG. 21, y = 1.17 / x was obtained as the regression equation p, and y = 0.98 / x was obtained as the regression equation s. Therefore, if the value of F, which is the product of M and E, is larger than 0.98 and smaller than 1.17 (if conditional expression (1) or (1 ′) is satisfied), the film thickness changes. It can be said that at any position in the direction, the above-mentioned effect can be obtained by realizing ΔW of 13 nm or more and 42 nm or less.
また、図21のC群は、380nm透過帯においても、780nm透過帯においても、ΔWが20〜30nm程度となる設計値の集合である。C群の設計値を採用すれば、ロングパスフィルタLPの位置ズレの許容範囲を確実に広げながら、バンドパスフィルタBPの阻止帯の光をロングパスフィルタLPで確実に遮断することができる。図21より、C群の上限を示す回帰式qおよびC群の下限を示す回帰式rを求めたところ、回帰式qとしてy=1.1/xが得られ、回帰式rとしてy=1.03/xが得られた。したがって、Fの値が1.03よりも大きく1.1よりも小さければ(条件式(2)または(2’)を満足すれば)、膜厚が変化する一方向のどの位置でも、ΔWとして20nm以上30nm以下を実現して、上述の効果を得ることができると言える。 Further, the group C in FIG. 21 is a set of design values in which ΔW is about 20 to 30 nm in both the 380 nm transmission band and the 780 nm transmission band. By adopting the design value of group C, it is possible to reliably block the light in the stopband of the bandpass filter BP with the longpass filter LP while reliably extending the allowable range of positional deviation of the longpass filter LP. From FIG. 21, the regression equation q indicating the upper limit of the C group and the regression equation r indicating the lower limit of the C group were obtained, and y = 1.1 / x was obtained as the regression equation q, and y = 1 as the regression equation r. 0.03 / x was obtained. Therefore, if the value of F is larger than 1.03 and smaller than 1.1 (if conditional expression (2) or (2 ′) is satisfied), ΔW is set as ΔW at any position in one direction where the film thickness changes. It can be said that the above-described effects can be obtained by realizing 20 nm or more and 30 nm or less.
(実施例)
次に、ロングパスフィルタLP、ショートパスフィルタSPおよびバンドパスフィルタBPを用いた3層構成の分光フィルタを複数設計し、各分光フィルタの特性について調べた結果について説明する。なお、設計した複数の分光フィルタのうちで代表的なものを、実施例1〜5および比較例1〜2とする。
(Example)
Next, a description will be given of the results of designing a plurality of three-layered spectral filters using the long-pass filter LP, the short-pass filter SP, and the band-pass filter BP and examining the characteristics of each spectral filter. In addition, let a representative thing be the Examples 1-5 and Comparative Examples 1-2 among the some spectral filter designed.
ここでは、高屈折率材料として、Nb2O5からなる高屈折率材料H1と、高屈折率材料H1の分散を変化させた高屈折率材料H2〜H4とを考える。また、低屈折率材料として、SiO2からなる低屈折率材料L1を考える。表1は、高屈折率材料H1〜H4の分散データ(波長ごとの屈折率)を示し、表2は、低屈折率材料L1の分散データを示している。 Here, the high refractive index material H1 made of Nb 2 O 5 and the high refractive index materials H2 to H4 in which the dispersion of the high refractive index material H1 is changed are considered as the high refractive index materials. Further, a low refractive index material L1 made of SiO 2 is considered as a low refractive index material. Table 1 shows dispersion data (refractive index for each wavelength) of the high refractive index materials H1 to H4, and Table 2 shows dispersion data of the low refractive index material L1.
また、ロングパスフィルタLPとして、LP1〜LP5のいずれかを考え、ショートパスフィルタSPとして、SP1〜SP5のいずれかを考え、バンドパスフィルタBPとして、BP1〜BP5のいずれかを考える。LP1〜LP5は、高屈折率材料H1〜H4から選択される1種以上の層と、低屈折率材料L1からなる層とを積層して構成される。表3〜表7は、LP1〜LP5の、波長380nmの透過位置での基準の層構成をそれぞれ示している。各波長の透過位置での各層の膜厚は、所望の膜厚勾配GLが得られるように、上記基準の層構成をもとに設定される。例えば、LP1の所望の膜厚勾配GLが得られるときの波長380nmの透過位置での総膜厚が1942.5nmである場合、表3で示した各層の総膜厚は1696.78nmであるので、波長380nmの透過位置での各層の膜厚は、表3で示した各膜厚に係数(1942.5/1696.78)を掛け合わせた値に設定される。他の波長の透過位置での各層の膜厚についても、上記と同様の手法で設定される。
Further, any one of LP1 to LP5 is considered as the long pass filter LP, any one of SP1 to SP5 is considered as the short pass filter SP, and any one of BP1 to BP5 is considered as the band pass filter BP. LP1 to LP5 are configured by laminating one or more layers selected from high refractive index materials H1 to H4 and a layer made of low refractive index material L1. Tables 3 to 7 show reference layer configurations of LP1 to LP5 at a transmission position with a wavelength of 380 nm, respectively. The film thickness of each layer at the transmission position of each wavelength is set based on the above reference layer configuration so that a desired film thickness gradient GL is obtained. For example, when the total film thickness at the transmission position of the
また、SP1〜SP5は、高屈折率材料H1〜H4から選択される1種以上の層と、低屈折率材料L1からなる層とを積層して構成される。表8〜表12は、SP1〜SP5の、波長380nmの透過位置での基準の層構成をそれぞれ示している。各波長の透過位置での各層の膜厚は、所望の膜厚勾配GSが得られるように、上記基準の層構成をもとに、LP1〜LP5の場合と同様の手法で設定される。 SP1 to SP5 are configured by laminating one or more layers selected from high refractive index materials H1 to H4 and a layer made of low refractive index material L1. Tables 8 to 12 show the reference layer configurations of SP1 to SP5 at the transmission position with a wavelength of 380 nm, respectively. The film thickness of each layer at the transmission position of each wavelength is set by the same method as in the case of LP1 to LP5 based on the above reference layer configuration so as to obtain a desired film thickness gradient GS.
また、BP1〜BP5は、高屈折率材料H1〜H4から選択される1種以上の層と、低屈折率材料L1からなる層とを積層して構成される。表13〜表17は、BP1〜BP5の、波長380nmの透過位置での基準の層構成をそれぞれ示している。各波長の透過位置での各層の膜厚は、所望の膜厚勾配GBが得られるように、上記基準の層構成をもとに、LP1〜LP5の場合と同様の手法で設定される。 The BP1 to BP5 are configured by laminating one or more layers selected from the high refractive index materials H1 to H4 and a layer made of the low refractive index material L1. Tables 13 to 17 show reference layer configurations of BP1 to BP5 at the transmission position with a wavelength of 380 nm, respectively. The film thickness of each layer at the transmission position of each wavelength is set by the same method as in the case of LP1 to LP5 based on the above reference layer configuration so as to obtain a desired film thickness gradient GB.
なお、下記の表において、層番号は、基板側から順に数えたときの層の番号とし、膜厚は物理膜厚を示す。 In the following table, the layer number is the number of the layer when counted in order from the substrate side, and the film thickness indicates the physical film thickness.
なお、表7で示したLP5の層構成は、表3で示したLP1の2層目のみ、高屈折率材料H1を高屈折率材料H3に置き換えたものである。また、表12で示したSP5の層構成は、表8で示したSP1の1層目のみ、高屈折率材料H1を高屈折率材料H3に置き換えたものである。また、表17で示したBP5の層構成は、表13で示したBP1の1層目のみ、高屈折率材料H1を高屈折率材料H3に置き換えたものである。 The layer configuration of LP5 shown in Table 7 is such that only the second layer of LP1 shown in Table 3 is replaced with the high refractive index material H1 with the high refractive index material H3. The layer structure of SP5 shown in Table 12 is such that the high refractive index material H1 is replaced with the high refractive index material H3 only in the first layer of SP1 shown in Table 8. Further, the layer configuration of BP5 shown in Table 17 is obtained by replacing the high refractive index material H1 with the high refractive index material H3 only in the first layer of BP1 shown in Table 13.
以下、実施例1〜5および比較例1〜2の分光フィルタについて、さらに説明する。なお、以下での説明において、波長1は波長380nmを指し、波長3は波長580nmを指し、波長5は波長780nmを指す。
Hereinafter, the spectral filters of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 2 will be further described. In the following description,
《実施例1》
実施例1では、波長1、波長3、波長5の各透過位置において、バンドパスフィルタBPの短波長側の遮断波長WB1、ロングパスフィルタLPの遮断波長WL、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSが、それぞれ表18に示す値となるように、BP1、LP1、SP1の各層の膜厚勾配を調整して分光フィルタを設計した。実施例1の分光フィルタにおいて、波長1、波長3、波長5の各透過位置での分光特性を図22〜図24に示す。なお、表18では、参考のため、バンドパスフィルタBPの上記各透過位置での長波長側の遮断波長WB2についても併せて示す(以下の表でも同様とする)。
Example 1
In the first embodiment, the cutoff wavelength WB 1 on the short wavelength side of the bandpass filter BP, the cutoff wavelength WL of the long pass filter LP, and the cutoff wavelength WS of the short pass filter SP at the transmission positions of
《実施例2》
実施例2では、波長1、波長3、波長5の各透過位置において、バンドパスフィルタBPの短波長側の遮断波長WB1、ロングパスフィルタLPの遮断波長WL、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSが、それぞれ表19に示す値となるように、BP2、LP2、SP1の各層の膜厚勾配を調整して分光フィルタを設計した。実施例2の分光フィルタにおいて、波長1、波長3、波長5の各透過位置での分光特性を図25〜図27に示す。
Example 2
In the second embodiment, the cutoff wavelength WB 1 on the short wavelength side of the band-pass filter BP, the cutoff wavelength WL of the long-pass filter LP, and the cutoff wavelength WS of the short-pass filter SP at the transmission positions of
《実施例3》
実施例3では、波長1、波長3、波長5の各透過位置において、バンドパスフィルタBPの短波長側の遮断波長WB1、ロングパスフィルタLPの遮断波長WL、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSが、それぞれ表20に示す値となるように、BP2、LP4、SP1の各層の膜厚勾配を調整して分光フィルタを設計した。実施例3の分光フィルタにおいて、波長1、波長3、波長5の各透過位置での分光特性を図28〜図30に示す。
Example 3
In the third embodiment, the cutoff wavelength WB 1 on the short wavelength side of the bandpass filter BP, the cutoff wavelength WL of the long pass filter LP, and the cutoff wavelength WS of the short pass filter SP at the transmission positions of
《実施例4》
実施例4では、波長1、波長3、波長5の各透過位置において、バンドパスフィルタBPの短波長側の遮断波長WB1、ロングパスフィルタLPの遮断波長WL、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSが、それぞれ表21に示す値となるように、BP3、LP2、SP1の各層の膜厚勾配を調整して分光フィルタを設計した。実施例4の分光フィルタにおいて、波長1、波長3、波長5の各透過位置での分光特性を図31〜図33に示す。
Example 4
In the fourth embodiment, the cutoff wavelength WB 1 on the short wavelength side of the bandpass filter BP, the cutoff wavelength WL of the long pass filter LP, and the cutoff wavelength WS of the short pass filter SP at the transmission positions of
《実施例5》
実施例5では、波長1、波長3、波長5の各透過位置において、バンドパスフィルタBPの短波長側の遮断波長WB1、ロングパスフィルタLPの遮断波長WL、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSが、それぞれ表22に示す値となるように、BP5、LP5、SP5の各層の膜厚勾配を調整して分光フィルタを設計した。実施例5の分光フィルタにおいて、波長1、波長3、波長5の各透過位置での分光特性を図34〜図36に示す。なお、実施例5のBP5、LP5、SP5では、複数の高屈折率材料H1・H3のうち、層数および総膜厚がともに大きい高屈折率材料H1が主屈折率材料となる。
Example 5
In the fifth embodiment, the cutoff wavelength WB 1 on the short wavelength side of the band pass filter BP, the cutoff wavelength WL of the long pass filter LP, and the cutoff wavelength WS of the short pass filter SP at the transmission positions of
《比較例1》
比較例1では、波長1、波長3、波長5の各透過位置において、バンドパスフィルタBPの短波長側の遮断波長WB1、ロングパスフィルタLPの遮断波長WL、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSが、それぞれ表23に示す値となるように、BP1、LP1、SP1の各層の膜厚勾配を調整して分光フィルタを設計した。比較例1の分光フィルタにおいて、波長1、波長3、波長5の各透過位置での分光特性を図37〜図39に示す。
<< Comparative Example 1 >>
In Comparative Example 1, the cutoff wavelength WB 1 on the short wavelength side of the band-pass filter BP, the cutoff wavelength WL of the long-pass filter LP, and the cutoff wavelength WS of the short-pass filter SP at the transmission positions of
《比較例2》
比較例2では、波長1、波長3、波長5の各透過位置において、バンドパスフィルタBPの短波長側の遮断波長WB1、ロングパスフィルタLPの遮断波長WL、ショートパスフィルタSPの遮断波長WSが、それぞれ表24に示す値となるように、BP1、LP1、SP1の各層の膜厚勾配を調整して分光フィルタを設計した。比較例2の分光フィルタにおいて、波長1、波長3、波長5の各透過位置での分光特性を図40〜図42に示す。
<< Comparative Example 2 >>
In Comparative Example 2, the cutoff wavelength WB 1 on the short wavelength side of the band pass filter BP, the cutoff wavelength WL of the long pass filter LP, and the cutoff wavelength WS of the short pass filter SP at the transmission positions of
表25は、実施例1〜5および比較例1〜2の分光フィルタにおける各パラメータの値をまとめて示したものである。なお、ショートパスフィルタSPに関しては、主屈折率材料の波長380nmにおける屈折率を、nS380とし、主屈折率材料の波長780nmにおける屈折率を、nS780とし、波長780nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dS780(nm)とし、波長380nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dS380(nm)とした。 Table 25 collectively shows the values of the parameters in the spectral filters of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2. As for the short pass filter SP, the refractive index at a wavelength of 380 nm of the main refractive index material is nS 380 , the refractive index at a wavelength of 780 nm of the main refractive index material is nS 780, and a transmission part that transmits light at a wavelength of 780 nm. The film thickness of the transmission part was dS 780 (nm), and the film thickness of the transmission part that transmits light with a wavelength of 380 nm was dS 380 (nm).
表25より、比較例1では、Eの値が1であり、ロングパスフィルタの膜厚勾配GLがバンドパスフィルタBPの膜厚勾配GBと等しい。この場合、遮断波長WB1・WLの差(ΔW)が、波長5の透過位置で119.2nmと広がりすぎているため、図39で示すように、バンドパスフィルタBPの阻止帯で阻止しきれない光(例えば波長650〜660nmあたりの光)が、ロングパスフィルタLPを透過する特性となっている。 From Table 25, in Comparative Example 1, the value of E is 1, and the film thickness gradient GL of the long pass filter is equal to the film thickness gradient GB of the band pass filter BP. In this case, since the difference (ΔW) between the cutoff wavelengths WB 1 and WL is too wide at 119.2 nm at the transmission position of the wavelength 5, as shown in FIG. 39, it can be completely blocked by the stop band of the bandpass filter BP. No light (for example, light around a wavelength of 650 to 660 nm) is transmitted through the long pass filter LP.
また、比較例2では、Eの値が1よりも小さく、膜厚勾配GLが膜厚勾配GBよりも小さい。この場合、ΔWが−8.8nmとなり、遮断波長Wlが遮断波長WB1よりも長波長側にあるため、図40で示すように、バンドパスフィルタBPを透過する光は、ロングパスフィルタLPで遮断され、波長1(380nm)の透過特性を確保することができない。 In Comparative Example 2, the value of E is smaller than 1, and the film thickness gradient GL is smaller than the film thickness gradient GB. In this case, since ΔW is −8.8 nm and the cutoff wavelength Wl is on the longer wavelength side than the cutoff wavelength WB 1 , the light transmitted through the bandpass filter BP is blocked by the longpass filter LP as shown in FIG. As a result, it is impossible to ensure the transmission characteristics of wavelength 1 (380 nm).
これに対して、実施例1〜5では、Eの値が全て1よりも大きく、膜厚勾配GLが膜厚勾配GBよりも大きい。その結果、波長1、波長3、波長5の各透過位置で、遮断波長WLが遮断波長WB1よりも短く、遮断波長WSが遮断波長WB2よりも長くなっており、上記各透過位置で、遮断波長WB1と遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させる特性となっている。このことから、膜厚が変化する一方向のどの位置でも(どの波長の透過位置でも)、良好な透過性能を確保できることが容易に推測できる。
On the other hand, in Examples 1 to 5, the values of E are all larger than 1, and the film thickness gradient GL is larger than the film thickness gradient GB. As a result, the cutoff wavelength WL is shorter than the cutoff wavelength WB 1 and the cutoff wavelength WS is longer than the cutoff wavelength WB 2 at the transmission positions of the
また、図43は、実施例1〜5、比較例1〜2におけるMおよびEの値を座標平面上にプロットしたものである。実施例1〜5の各点(座標は(M,E))は、いずれも、回帰式p(y=1.17/x)と回帰式s(y=0.98/x)との間に位置しており、ΔWとして、上述した13nm以上42nm以下を確保できる特性が得られることがわかる。特に、実施例1および5は、回帰式q(y=1.1/x)と回帰式r(y=1.03/x)との間に位置しており、ΔWとして、上述した20nm以上30nm以下を確保できる特性が得られることがわかる。なお、比較例1〜2は、回帰式pと回帰式sとの間に位置していないことから、膜厚が変化する一方向のどの位置でも、ΔWとして所望の範囲(13nm以上42nm以下)を確保できないことは明らかである。 FIG. 43 plots the values of M and E in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 on a coordinate plane. Each of the points in Examples 1 to 5 (coordinates are (M, E)) is between the regression equation p (y = 1.17 / x) and the regression equation s (y = 0.98 / x). It can be seen that the characteristic that can secure 13 nm or more and 42 nm or less is obtained as ΔW. In particular, Examples 1 and 5 are located between the regression equation q (y = 1.1 / x) and the regression equation r (y = 1.03 / x), and ΔW is 20 nm or more as described above. It turns out that the characteristic which can ensure 30 nm or less is acquired. Since Comparative Examples 1 and 2 are not located between the regression equation p and the regression equation s, a desired range (13 nm or more and 42 nm or less) is set as ΔW at any position in one direction where the film thickness changes. It is clear that cannot be secured.
本発明は、一方向において透過波長が連続的に変化するLVFや、そのLVFを備えた分光測定装置に利用可能である。 The present invention can be used for an LVF whose transmission wavelength continuously changes in one direction, and a spectroscopic measurement apparatus including the LVF.
1 分光測定装置
10 分光フィルタ
11 基板
12 基板
13 基板
21 受光素子
31 接着剤
32 接着剤
LP ロングパスフィルタ
SP ショートパスフィルタ
BP バンドパスフィルタ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
一方向に向かうにつれて膜厚が単調に増加し、遮断波長WSよりも短い波長域の光を透過させるとともに、前記膜厚が増加するにつれて前記遮断波長WSが単調に長くなるショートパスフィルタと、
一方向に向かうにつれて膜厚が単調に増加し、短波長側の遮断波長WB1と長波長側の遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させるとともに、前記膜厚が増加するにつれて、前記遮断波長WB1および前記遮断波長WB2が単調に長くなるバンドパスフィルタとを備え、
前記ロングパスフィルタと、前記ショートパスフィルタと、前記バンドパスフィルタとは、膜厚が単調に増加する前記一方向が互いに一致するように重ね合わされており、
前記ロングパスフィルタの膜厚勾配は、前記バンドパスフィルタの膜厚勾配よりも大きく、
前記一方向の各位置では、前記遮断波長WLが前記遮断波長WB1よりも短く、前記遮断波長WSが前記遮断波長WB2よりも長いことによって、前記遮断波長WB1と前記遮断波長WB2との間の波長域の光を透過させることを特徴とする分光フィルタ。 A long pass filter in which the film thickness monotonously increases in one direction, transmits light in a wavelength region longer than the cutoff wavelength WL, and the cutoff wavelength WL monotonously increases as the film thickness increases;
A short pass filter in which the film thickness monotonously increases in one direction, transmits light in a wavelength region shorter than the cut-off wavelength WS, and the cut-off wavelength WS monotonously increases as the film thickness increases;
The film thickness monotonously increases in one direction, transmits light in the wavelength region between the short wavelength side cutoff wavelength WB 1 and the long wavelength side cutoff wavelength WB 2, and as the film thickness increases. A band pass filter in which the cut-off wavelength WB 1 and the cut-off wavelength WB 2 are monotonously increased,
The long pass filter, the short pass filter, and the band pass filter are overlapped so that the one direction in which the film thickness monotonously increases coincides with each other,
The film thickness gradient of the long pass filter is larger than the film thickness gradient of the band pass filter,
At each position in the one direction, the cutoff wavelength WL is shorter than the cutoff wavelength WB 1 , and the cutoff wavelength WS is longer than the cutoff wavelength WB 2 , whereby the cutoff wavelength WB 1 and the cutoff wavelength WB 2 are A spectral filter characterized by transmitting light in the wavelength region between.
前記少なくとも1つの第2屈折率材料の中で、層数および総膜厚の少なくともいずれかが最大となる材料を、主屈折率材料とすると、
前記ロングパスフィルタにおいて、
前記主屈折率材料の波長380nmにおける屈折率を、nL380とし、
前記主屈折率材料の波長780nmにおける屈折率を、nL780とし、
波長780nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dL780とし、
波長380nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dL380とし、
前記バンドパスフィルタにおいて、
前記主屈折率材料の波長380nmにおける屈折率を、nB380とし、
前記主屈折率材料の波長780nmにおける屈折率を、nB780とし、
波長780nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dB780とし、
波長380nmの光を透過させる透過部の膜厚を、dB380としたとき、
以下の条件式を満足することを特徴とする請求項2に記載の分光フィルタ;
0.98<{(dL780/dL380)/(dB780/dB380)}×[(nL780/nL380)/{(nB780/nB380)0.4}]<1.17
である。 The long pass filter and the band pass filter are multilayer films in which a layer made of a first refractive index material and at least one layer made of at least one second refractive index material having a higher refractive index than the first refractive index material are laminated. Configured,
Among the at least one second refractive index material, when the material having at least one of the number of layers and the total film thickness is the main refractive index material,
In the long pass filter,
The refractive index at a wavelength of 380 nm of the main refractive index material is nL 380 ,
The refractive index at a wavelength of 780 nm of the main refractive index material is nL 780 ,
The film thickness of the transmissive portion for transmitting the wavelength 780nm light, and dL 780,
The film thickness of the transmission part that transmits light with a wavelength of 380 nm is dL 380 ,
In the bandpass filter,
The refractive index at a wavelength of 380 nm of the main refractive index material is nB 380 ,
The refractive index at a wavelength of 780 nm of the main refractive index material is nB 780 ,
The thickness of the transmission part that transmits light having a wavelength of 780 nm is dB 780 ,
When the thickness of the transmission part that transmits light with a wavelength of 380 nm is dB 380 ,
The spectral filter according to claim 2, wherein the following conditional expression is satisfied:
0.98 <{(dL 780 / dL 380 ) / (dB 780 / dB 380 )} × [(nL 780 / nL 380 ) / {(nB 780 / nB 380 ) 0.4 }] <1.17
It is.
前記ロングパスフィルタは、別の基板に成膜されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の分光フィルタ。 The band pass filter and the short pass filter are respectively formed on the front and back of the same substrate,
The spectral filter according to claim 1, wherein the long pass filter is formed on another substrate.
前記分光フィルタを透過した光を受光する受光素子とを備え、
前記受光素子は、前記分光フィルタの前記一方向に沿って並べて配置されていることを特徴とする分光測定装置。 The spectral filter according to any one of claims 1 to 6,
A light receiving element for receiving the light transmitted through the spectral filter,
The spectroscopic measurement apparatus, wherein the light receiving elements are arranged side by side along the one direction of the spectral filter.
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