JP2018185388A - Optical filter and optical device using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】単純な多層膜干渉を利用した入出力光の角度制限素子は、角度に対する敏感度が低く、入射角度増大につれて単調に短波長シフトするため、角度制限の効果は高くない。【解決手段】構造幅の異なる2つの一次元多層膜構造をある深さ方向のずれ幅を持って隣接するように配置形成させた単位構造を配列形成させることにより、単純な多層膜では実現できない光学フィルタの角度特性を実現させる。【選択図】 図1An angle limiting element for input / output light using simple multilayer interference has low sensitivity to an angle and monotonously shifts a short wavelength as the incident angle increases, so that the effect of angle limiting is not high. A simple multilayer film cannot be realized by arranging unit structures in which two one-dimensional multilayer structures having different structure widths are arranged so as to be adjacent to each other with a certain deviation in the depth direction. The angle characteristic of the optical filter is realized. [Selection] Figure 1
Description
本発明は光学フィルタに関するものであり、特に色選択性と角度選択性とを有する光学フィルタに関するものである。 The present invention relates to an optical filter, and more particularly to an optical filter having color selectivity and angle selectivity.
入射光束のうちの所望の波長帯域の光のみを選択する目的で、色選択性フィルタが用いられる。その中でも一般的なものとして、誘電体多層膜の干渉を利用した分光フィルタが知られている。多層膜干渉を利用した分光フィルタは、所望の波長帯域に合わせて屈折率や層厚を調整した積層構造を形成させることにより得られる。吸収を利用した分光フィルタとは異なり、多層膜干渉型フィルタへの光線入射角度が変化した場合、媒質内部における光路長が変化するため、反射波長が変化する。この入射角度特性を利用することにより、入射角度の異なる同一波長の光を分離する角度制限フィルタを得ることができる。 A color selective filter is used for the purpose of selecting only light in a desired wavelength band of the incident light flux. Among them, a spectral filter using interference of a dielectric multilayer film is known as a general one. A spectral filter using multilayer film interference can be obtained by forming a laminated structure in which the refractive index and the layer thickness are adjusted in accordance with a desired wavelength band. Unlike a spectral filter using absorption, when the light incident angle to the multilayer interference filter changes, the optical path length in the medium changes, and the reflected wavelength changes. By utilizing this incident angle characteristic, it is possible to obtain an angle limiting filter that separates light of the same wavelength with different incident angles.
特許文献1は、バーコードリーダーにおける取得画像の鮮明化のために、誘電体多層膜による特定のLED波長に対してのみ動作する角度制限フィルタを提案している。また近年、蛍光体、LEDなどからの蛍光を利用した画像表示が提案されているが、蛍光の取り込み効率が高くないことが課題視されている。これは、発光源から発せられる蛍光がランバート拡散し広角度に分布することにより、特定のFnoの光学系による集光では取り込み損失が発生するためである。 Patent Document 1 proposes an angle limiting filter that operates only for a specific LED wavelength by a dielectric multilayer film in order to sharpen an acquired image in a barcode reader. In recent years, image display using fluorescence from phosphors, LEDs, and the like has been proposed, but the problem is that the efficiency of capturing fluorescence is not high. This is because the fluorescence emitted from the light emitting source is Lambert diffused and distributed at a wide angle, so that a capture loss occurs in light collection by a specific Fno optical system.
特許文献2は、発光源の上に出射角度を制限する光学フィルタを設置し、発光源裏面に反射構造を設けた波長変換装置を提案している。特定の角度以上の蛍光は出射させず、裏面反射において角度変化させることにより、光学系では取り込みができない高角度出射の光を低角度に変換することができる。 Patent Document 2 proposes a wavelength conversion device in which an optical filter for limiting an emission angle is provided on a light source and a reflection structure is provided on the back surface of the light source. By changing the angle in the backside reflection without emitting fluorescent light with a specific angle or more, it is possible to convert light emitted at a high angle that cannot be captured by the optical system to a low angle.
しかし一般的な誘電体多層膜フィルタよる角度制限フィルタは、垂直入射付近の角度に対する分光波長の敏感度は高くなく、所望の波長帯域に対して角度制限を設けようとした場合、透過波長帯域のバンド幅と角度に対する敏感度が小さくなってしまうなどの課題が挙げられる。特許文献1では、透過バンド幅25 nm程度と、極めて狭帯域に対してのみ機能する特性となっている。青色帯域(400-500 nm)や緑色帯域(500-600 nm)や赤色帯域(600-700 nm)の広いバンド幅を有し、入射角度に対し敏感な角度制限フィルタを、従来どおりの誘電体多層膜構造で実現させることは原理的に難しい。特許文献2では、具体的に実現可能なフィルタの形態については提案されていない。そこで本発明の目的は、広い波長帯域に対して角度制限フィルタとして機能する光学フィルタを提供することである。 However, an angle limiting filter using a general dielectric multilayer filter is not sensitive to spectral wavelength with respect to an angle near normal incidence. When an angle limitation is set for a desired wavelength band, the transmission wavelength band is limited. There are problems such as a decrease in sensitivity to bandwidth and angle. In Patent Document 1, the transmission bandwidth is about 25 nm, which is a characteristic that functions only in a very narrow band. Wide range of blue band (400-500 nm), green band (500-600 nm), red band (600-700 nm) In principle, it is difficult to realize a multilayer structure. Patent Document 2 does not propose a filter form that can be specifically realized. Therefore, an object of the present invention is to provide an optical filter that functions as an angle limiting filter for a wide wavelength band.
本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、透光性を持つ基板上に誘電体による積層構造が形成された光学フィルタであり、
上記基板に対して低角度で入射した場合は2つの波長帯域を反射、その中間波長帯域を透過させ、入射角度が増大した場合には反射波長帯域が変化し、低角度入射時に透過させていた前記中間波長帯域の光を反射することにより、特定の波長帯域の光に対し入出射角度を制限する機能を有しており、
前記光学フィルタの積層面内で直交する方向をX、Y方向、積層表面から基板に向かう方向を正とした深さ方向をZ方向とし、表層から基板に向けた方向を正とした場合に、少なくとも2種類の材質の光学層により構成され、
最も高い屈折率nHを有する物理層厚dHの第1の光学層と、
最も低い屈折率nLを有する物理層厚dLの第2の光学層が交互に積層されてなる異なる幅W1,W2の多層膜構造のうち、W1の幅を持つ多層膜構造をZ方向にずれ幅Dだけずらして隣接して配置形成させた形状の単位構造が該基板上に少なくとも一次元方向に格子をなすように配列形成された構造を有しており、W1、W2、dH、dL、Dが以下の関係式を満足する。
The present invention has been made in view of the above problems, and is an optical filter in which a laminated structure of a dielectric is formed on a light-transmitting substrate.
When incident on the substrate at a low angle, it reflects two wavelength bands and transmits the intermediate wavelength band. When the incident angle increases, the reflected wavelength band changes and transmits when the incident angle is low. By reflecting the light in the intermediate wavelength band, it has a function to limit the incident and output angles for light in a specific wavelength band,
When the direction perpendicular to the lamination plane of the optical filter is the X, Y direction, the depth direction with the direction from the lamination surface toward the substrate as the Z direction, and the direction from the surface layer toward the substrate as the positive direction, Consists of at least two types of optical layers,
A first optical layer having a physical layer thickness dH having the highest refractive index nH;
Of the multilayer film structures with different widths W1 and W2 formed by alternately laminating the second optical layers having the physical layer thickness dL having the lowest refractive index nL, the multilayer film structure having the width W1 is shifted in the Z direction. The unit structure of the shape that is arranged adjacently while being shifted by D has a structure in which the unit structure is formed on the substrate so as to form a lattice in at least a one-dimensional direction, W1, W2, dH, dL, D Satisfies the following relational expression.
0.3 < W2/W1 < 0.6
0.35 < |D|/(dH+dL) < 0.65
本発明の一側面としての光学装置は、前記光学フィルタを有する。
0.3 <W2 / W1 <0.6
0.35 <| D | / (dH + dL) <0.65
An optical device according to one aspect of the present invention includes the optical filter.
本発明によれば、構造幅の異なる2つの一次元多層膜構造をある深さ方向のずれ幅を持って隣接するように配置形成させた単位構造を配列形成させることにより、単純な多層膜では実現できない光学フィルタの角度特性を持った角度制限フィルタを得ることができる。 According to the present invention, a simple multilayer film is formed by arranging unit structures in which two one-dimensional multilayer structures having different structure widths are arranged so as to be adjacent to each other with a deviation width in a depth direction. An angle limiting filter having an angle characteristic of an optical filter that cannot be realized can be obtained.
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図1(A)は本発明の光学フィルタ100の構成概略図である。光学フィルタ100は、屈折率nsの可視透光性を持つ基板101上に光学層を積層することにより得られる。積層面内で直交する方向をX,Y方向、深さ方向をZ方向とする。Z方向の符号は基板から表層方向を正とする。光学フィルタ100は、少なくとも2種類の材質による光学交互層がm回繰り返して積層されることにより構成される。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1A is a schematic configuration diagram of an optical filter 100 of the present invention. The optical filter 100 is obtained by laminating an optical layer on a substrate 101 having a refractive index ns and a visible light transmitting property. The directions orthogonal to each other in the lamination plane are the X and Y directions, and the depth direction is the Z direction. The sign of the Z direction is positive in the surface layer direction from the substrate. The optical filter 100 is configured by repeatedly stacking optical alternating layers of at least two kinds of materials m times.
またリップル抑制のために3種類以上の光学層により構成されていても良い。材質は主に誘電体を想定している。ただし上記繰り返し構造における、最も高い屈折率nHを有する物理層厚dHの層を第1の光学層102、最も低い屈折率nLを有する物理層厚dLの層を第2の光学層103とする。光学フィルタ100は第1の光学層102と第2の光学層103が交互にm回繰り返して積層されてなる、幅W1、W2の2つの多層膜構造のうちW1の幅の多層膜構造をZ方向にずれ幅Dだけ表層側にずらして配置形成させた互い違い形状の単位構造104を有する。 Further, it may be composed of three or more types of optical layers in order to suppress ripples. The material is mainly assumed to be a dielectric. However, in the above repetitive structure, the layer having the highest refractive index nH and the physical layer thickness dH is defined as the first optical layer 102, and the layer having the lowest refractive index nL and the physical layer thickness dL is defined as the second optical layer 103. The optical filter 100 includes a multilayer film structure having a width W1 of two multilayer film structures having widths W1 and W2, in which a first optical layer 102 and a second optical layer 103 are alternately stacked m times. A unit structure 104 having a staggered shape is formed by being shifted to the surface layer side by a shift width D in the direction.
本発明が提案する実施形態は、W1とW2を等しくせず、不等幅の単位構造を有している。このような不等幅の単位構造を基板上に配列形成させることにより、後述する通り二つの波長を中心とする反射バンドを持ち、その中間の波長帯域を透過させるようなバンドパス特性を実現させることができる。単位構造104は、例えば図1(A)に示すように凹凸の溝パターニングが施された基板101上に第1の光学層102、第2の光学層103を繰り返し積層することにより得られるが、必ずしも基板に対し溝パターニングする必要はなく、第1の光学層や第2の光学層への溝パターニングによる製法であっても構わない。 The embodiment proposed by the present invention does not equalize W1 and W2, and has a unit structure of unequal width. By forming such unit structures of unequal width on the substrate, a band pass characteristic is realized that has a reflection band centered on two wavelengths and transmits an intermediate wavelength band as described later. be able to. The unit structure 104 can be obtained, for example, by repeatedly laminating the first optical layer 102 and the second optical layer 103 on a substrate 101 that has been subjected to concave and convex groove patterning as shown in FIG. It is not always necessary to pattern the groove on the substrate, and a manufacturing method by groove patterning on the first optical layer or the second optical layer may be used.
図1(B)は単位構造内で定義される構造の傾斜角であり、Dが0.5(dL+dH)より小さい場合はφ=tan-1(|D|/(0.5(W1+W2)))の式により定義され、Dが0.5(dL+dH)より大きい場合はφ=tan-1(((dL+dH) -|D|)/(0.5(W1+W2)))の式により定義されるとする。 Fig. 1 (B) shows the inclination angle of the structure defined in the unit structure. When D is smaller than 0.5 (dL + dH), φ = tan -1 (| D | / (0.5 (W1 + W2)) ), And when D is greater than 0.5 (dL + dH), it is defined by the formula φ = tan -1 (((dL + dH)-| D |) / (0.5 (W1 + W2))) Suppose that
光学フィルタ100は、上記単位構造104が基板101上に配列形成されていることを特徴とする。このとき、上記単位構造104が下記条件式を満たすことにより、広い波長帯域に対して角度制限フィルタとして機能する光学フィルタが実現される。 The optical filter 100 is characterized in that the unit structures 104 are arranged on a substrate 101. At this time, when the unit structure 104 satisfies the following conditional expression, an optical filter that functions as an angle limiting filter for a wide wavelength band is realized.
0.3 < W2/W1 < 0.6 …(1)
0.35 < |D|/(dH+dL) < 0.65 …(2)
条件式の説明の前に、まず面内微細形状を持たない単純多層膜と、構造幅W1=W2の互い違いの多層膜構造の中心反射波長の入射角度依存性について結果を例示して簡単に説明を行う。説明における比較に際して、表1に示す構造パラメータを有する面内微細形状を持たない単純多層膜、および互い違いの多層膜の透過率スペクトルの入射角度依存性を計算で求めている。
0.3 <W2 / W1 <0.6… (1)
0.35 <| D | / (dH + dL) <0.65… (2)
Prior to the explanation of the conditional expression, first, a simple explanation will be given on the incident angle dependence of the central reflection wavelength of a simple multilayer film having no in-plane fine shape and a staggered multilayer film structure having a structure width W1 = W2. I do. For comparison in the description, the incidence angle dependency of the transmittance spectrum of the simple multilayer film having the in-plane fine shape having the structural parameters shown in Table 1 and the alternate multilayer film is obtained by calculation.
ここでの互い違いの多層膜の構造は、Y方向に対し一様、X方向に単位構造が一次元格子をなすように配列形成された形状としており、基板の影響のため、基板屈折率ns=1として計算を行った。以降の全てのスペクトル計算はFinite Difference Time Domain(FDTD)法、またはRigorous Coupled Wave Analysis(RCWA)法により行われた。FDTD法は入力した誘電率分布を微小なメッシュ空間に区切り、隣接するメッシュ間に対してMaxwell方程式を解くことにより電場・磁場の時間発展を計算する手法である。RCWA法は入力した階段格子各層の誘電率分布をフーリエ級数展開し、Maxwell 方程式により与えられる各層の境界条件から得られる反射回折成分・透過回折成分を求め、逐次計算することにより構造全体の反射・透過回折効率を求める計算手法である。 The structure of the staggered multilayer film here is a shape that is uniform in the Y direction and arranged so that the unit structures form a one-dimensional lattice in the X direction, and due to the influence of the substrate, the substrate refractive index ns = The calculation was performed as 1. All subsequent spectrum calculations were performed by Finite Difference Time Domain (FDTD) method or Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) method. The FDTD method is a method of calculating the time evolution of the electric and magnetic fields by dividing the input permittivity distribution into minute mesh spaces and solving the Maxwell equation between adjacent meshes. In the RCWA method, the dielectric constant distribution of each layer of the input staircase lattice is expanded in the Fourier series, the reflection diffraction component and transmission diffraction component obtained from the boundary conditions of each layer given by the Maxwell equation are obtained, and the reflection / This is a calculation method for obtaining transmission diffraction efficiency.
図2(A)は、表1で構造パラメータを示した単純多層膜の分光反射率の入射角度依存性を示す。横軸は波長とし、縦軸は反射率としている。分光波長シフト量の入射角度依存性の議論のため、図2(A)に示す通り、中心反射波長λrefの定義は反射率50%の短波長側の裾の波長と反射率50%の長波長側の裾の波長の中点の波長と定義する。入射角度θ=0, 30, 60 deg.の結果を示しており、入射光はP偏光とした。単純多層膜においては、入射角度増大に対して単調に短波長シフトする振る舞いが得られる。 FIG. 2A shows the incident angle dependence of the spectral reflectance of the simple multilayer film whose structural parameters are shown in Table 1. The horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents reflectance. In order to discuss the dependence of the spectral wavelength shift on the incident angle, as shown in Fig. 2 (A), the definition of the central reflection wavelength λref is the bottom wavelength on the short wavelength side with a reflectance of 50% and the long wavelength with a reflectance of 50%. It is defined as the wavelength of the midpoint of the side skirt wavelength. The results for incident angles θ = 0, 30, 60 deg. Are shown, and the incident light is P-polarized light. In a simple multilayer film, the behavior of a short wavelength shift monotonously with increasing incident angle can be obtained.
次にW1とW2が等しい場合の均一幅互い違い多層膜の入射角度依存性について説明を行う。図2(B)は、表1で構造パラメータを示した均一幅互い違い多層膜の分光反射率の入射角度依存性を示す。入射角度θ=0, 30, 60 deg.の結果を示しており、入射平面は格子に垂直なXZ平面、P偏光(TM偏光)の入射とした。図2(B)の均一幅互い違い多層膜の中心反射波長λrefは入射角度増大につれて単調増加しており、図2(A)に示された単純多層膜における入射角度依存性とは逆方向の波長シフトとなっている。 Next, the incidence angle dependency of the uniform width staggered multilayer film when W1 and W2 are equal will be described. FIG. 2B shows the incident angle dependency of the spectral reflectance of the uniform-width staggered multilayer film whose structural parameters are shown in Table 1. The results for incident angles θ = 0, 30, 60 deg. Are shown. The incident plane is an XZ plane perpendicular to the grating, and P-polarized (TM-polarized) incident light. The central reflection wavelength λ ref of the uniform width staggered multilayer film in FIG. 2 (B) monotonically increases as the incident angle increases, and the wavelength in the direction opposite to the incident angle dependence in the simple multilayer film shown in FIG. 2 (A). It has become a shift.
図3(A)は表1で構造パラメータを示した単純多層膜の中心反射波長λrefの入射角度依存性、図3(B)は表1で構造パラメータを示した均一幅互い違い多層膜の中心反射波長λrefの入射角度依存性の結果をプロットしている。図中横軸は入射角度θ、縦軸は中心反射波長λrefを示している。図3(A)の単純多層膜における中心反射波長の入射角度依存性は、点線301により示されているスネルの法則により導出される、計算モデル結果によって良く説明される。 3A shows the incident angle dependence of the central reflection wavelength λref of the simple multilayer film whose structural parameters are shown in Table 1, and FIG. 3B shows the central reflection of the uniform-width staggered multilayer films whose structural parameters are shown in Table 1. The result of the incident angle dependence of the wavelength λref is plotted. In the figure, the horizontal axis represents the incident angle θ, and the vertical axis represents the center reflection wavelength λref. The incident angle dependence of the central reflection wavelength in the simple multilayer film of FIG. 3A is well explained by the calculation model result derived by Snell's law indicated by the dotted line 301.
一方、図3(B)の均一幅互い違い多層膜における中心反射波長の入射角度依存性は、入射角度増大につれて中心反射波長λrefは長波長シフトするため、単純多層膜と同様のスネルの法則による計算モデルでは説明できない。本実施形態の構造は、面内X方向周期が波長とほぼ同程度であり、深さZ方向の周期に対して十分大きい異方的な構造であることを鑑みて、図3(C)に示す傾斜した多層膜としてみなし、中心反射波長の近似的な計算を行った。近似計算は、簡単のため媒質内での平均進行角度<θ’>を用いることにより行った。 On the other hand, the incident angle dependence of the central reflection wavelength in the uniform-width staggered multilayer film in FIG. 3B is calculated by Snell's law similar to the simple multilayer film because the center reflection wavelength λref shifts longer as the incident angle increases. It cannot be explained by the model. In view of the fact that the structure of this embodiment is an anisotropic structure in which the in-plane X-direction period is substantially the same as the wavelength and sufficiently large with respect to the period in the depth Z direction, FIG. Approximate calculation of the central reflection wavelength was performed with the inclined multilayer film shown. The approximate calculation was performed by using the average traveling angle <θ ′> in the medium for simplicity.
平均進行角度<θ’>は格子の配列方向に平行な偏光(TM偏光、紙面内偏光)の光が垂直入射したときの有効屈折率neff ={2/(1/nH2+1/nL2)}1/2を用いることにより、スネルの法則から<θ’>=sin-1(sinθ/neff)と求めている。neffの計算においては、屈折率nHの媒質と屈折率nLの媒質が1:1に充填された一次元格子構造を想定した。以上の<θ’>を用いると、傾斜した多層膜における中心反射波長λrefの入射角度θ依存性はλref (θ)=λref’ cos(<θ’>-φ)に従うという結果が得られた。 The average advancing angle <θ '> is the effective refractive index neff = {2 / (1 / nH 2 + 1 / nL 2 ) when vertically polarized light (TM polarized light, in-paper polarized light) parallel to the grating arrangement direction is incident. )} By using 1/2, we obtain <θ '> = sin -1 (sinθ / neff) from Snell's law. In the calculation of neff, a one-dimensional lattice structure in which a medium having a refractive index nH and a medium having a refractive index nL are filled 1: 1 is assumed. When the above <θ ′> was used, the result that the dependence of the central reflection wavelength λref on the incident angle θ in the inclined multilayer film follows λref (θ) = λref ′ cos (<θ ′> − φ) was obtained.
ここでλref’はλref’=2(nHdH+nLdL)cosφにより定まる構成膜の光学的距離ndにより定まる反射波長である。λref'’の式中のcosφは傾斜した多層膜としてみなしたことによる、実質的な光学層厚減少に起因する項である。傾斜した多層膜としてみなした際の中心反射波長λrefの入射角度依存性の計算モデル結果を図3(B)中の点線302で示す。計算モデル結果の点線302は、0 deg.からsin-1(neff sinφ)なる入射角度の範囲までよく再現していることが判る。 Here, λref ′ is a reflection wavelength determined by the optical distance nd of the constituent film determined by λref ′ = 2 (nHdH + nLdL) cosφ. In the equation of λref ″, cos φ is a term due to a substantial reduction in the optical layer thickness due to the fact that it is regarded as a tilted multilayer film. The calculation model result of the incident angle dependence of the central reflection wavelength λref when regarded as an inclined multilayer film is indicated by a dotted line 302 in FIG. It can be seen that the dotted line 302 of the calculation model result is well reproduced from 0 deg. To an incident angle range of sin −1 (neff sinφ).
ここで角度sin-1(neff sinφ)は、媒質中の平均進行角度<θ’>がφとなる、空気中における入射角度に相当する値である。λref (θ)の関係式から、媒質中における光の平均進行角度<θ’>が傾斜角φとのずれが大きくなるにつれて実効層厚変化が大きくなり、角度変化に対して波長シフト量が大きくなることが示唆される。以上から、互い違い多層膜構造の入射角度増大に対して単調に長波長シフトの振る舞いは、単純多層膜におけるスネルの法則を用いた入射角度依存性によっては説明されず、傾斜した多層膜にみなした近似計算により説明されることが示された。 Here, the angle sin −1 (neff sinφ) is a value corresponding to an incident angle in air in which the average traveling angle <θ ′> in the medium is φ. From the relational expression of λref (θ), the effective layer thickness change increases as the deviation of the average traveling angle <θ '> of light in the medium from the inclination angle φ increases, and the wavelength shift amount increases with respect to the angle change. It is suggested that From the above, the behavior of the long wavelength shift monotonously with increasing the incident angle of the staggered multilayer structure is not explained by the incident angle dependence using Snell's law in the simple multilayer film, but is regarded as an inclined multilayer film. It was shown to be explained by approximate calculation.
続いて、図1(A)に示すような本発明の実施形態となるW1とW2が異なる値の不等幅互い違い多層膜の中心反射波長の入射角度依存性について、計算結果を例示して説明を行う。図4は、表1の不等幅互い違い多層膜の構造パラメータを有する、不等幅の単位構造を有する互い違い多層膜の透過率スペクトルの入射角度依存性を示している。W1=200 nm、W2=100 nmとし、W2/W1=0.5とした。入射角度θ=0, 30, 60 deg.の結果を示しており、入射光はP偏光(TM偏光)とした。θ=0 deg.の場合、475 nmを中心波長とする長波長側反射バンド401と390 nmを中心波長とする短波長側反射バンド402を形成していることが分かる。 Next, the incident angle dependence of the central reflection wavelength of the unequal width staggered multilayer film having different values of W1 and W2 in the embodiment of the present invention as shown in FIG. I do. FIG. 4 shows the incident angle dependence of the transmittance spectrum of the staggered multilayer film having the unit structure of unequal width having the structural parameters of the unequal width staggered multilayer film shown in Table 1. W1 = 200 nm, W2 = 100 nm, and W2 / W1 = 0.5. The results for incident angles θ = 0, 30, 60 deg. Are shown, and the incident light was P-polarized light (TM-polarized light). In the case of θ = 0 deg., it can be seen that a long wavelength side reflection band 401 having a central wavelength of 475 nm and a short wavelength side reflection band 402 having a central wavelength of 390 nm are formed.
これら二つの中心波長は、図2(A)と(B)で示した単純多層膜と均一幅互い違い多層膜の中心波長とほぼ一致しており、この特性は不等幅互い違い多層膜において一般的に成り立つ。つまり長波長側反射バンド401の中心波長はλ1=2(nHdH+nLdL)、短波長側反射バンド402の反射波長はλ2=2(nHdH+nLdL) cos2φの式により概算される。この反射波長式の説明は後述する。またλ1とλ2の中点の透過波長をλ0と定義する。長波長側反射バンド401と短波長側反射バンド402の入射角度増大に対する波長シフトの方向はいずれも逆方向でλ0に向かう方向であり、θ=60 deg.ではλ0付近とした波長に反射バンドを形成する。 These two center wavelengths are almost the same as the center wavelengths of the simple multilayer film and the uniform-width staggered multilayer film shown in FIGS. 2A and 2B, and this characteristic is common in unequal-width staggered multilayer films. It holds. That is, the center wavelength of the long wavelength side reflection band 401 is approximated by the equation of λ1 = 2 (nHdH + nLdL), and the reflection wavelength of the short wavelength side reflection band 402 is estimated by the equation of λ2 = 2 (nHdH + nLdL) cos 2 φ. This reflection wavelength type will be described later. The transmission wavelength at the midpoint between λ1 and λ2 is defined as λ0. The direction of the wavelength shift with respect to the increase in the incident angle of both the long wavelength side reflection band 401 and the short wavelength side reflection band 402 is the direction toward λ0 in the reverse direction, and at θ = 60 deg. Form.
つまりλ0を中心とした波長帯域に対し、低角度入射光は透過、高角度入射光は反射する特性を有し、角度制限フィルタとして機能することとなる。図3(A)で示した通り、単純多層膜は入射角度増大につれて反射波長は単調に短波長シフトするため、単純多層膜では高入射角度での光に対して角度制限フィルタとして機能しなくなる。また図3(B)で示したW1=W2の均一幅互い違い多層膜では、高入射角度において反射波長は一定となるものの、長波長側に反射バンドが存在しないため波長選択性が低く、入射角度に対する敏感度も低い。以上から、本発明は角度制限フィルタに適した実施形態であることが説明される。 That is, with respect to the wavelength band centered on λ 0, low angle incident light is transmitted and high angle incident light is reflected, and functions as an angle limiting filter. As shown in FIG. 3A, the reflection wavelength of the simple multilayer film monotonously shifts short as the incident angle increases. Therefore, the simple multilayer film does not function as an angle limiting filter for light at a high incident angle. In addition, the uniform multi-layer film of W1 = W2 shown in FIG. 3B has a constant reflection wavelength at a high incident angle, but has a low wavelength selectivity because there is no reflection band on the long wavelength side, and the incident angle. The sensitivity to is low. From the above, it is explained that the present invention is an embodiment suitable for an angle limiting filter.
続いて不等幅互い違い多層膜において垂直入射時に二つの反射バンドを形成し、その中間の波長帯域を透過させるようなバンドパス特性を実現させるための条件について考える。図5(A)はW1とW2以外は表1の不等幅互い違い多層膜のパラメータを有し、W1+W2=300 nmは一定の元で、W2/W1を変化させた場合の透過率スペクトルのW2/W1依存性を示す。W2/W1=0の場合、単純多層膜干渉条件により決定される中心反射波長λ1の長波長側反射バンド501のみ形成させるのに対し、W2/W1を増加させるにつれて傾斜多層膜により決定される中心反射波長λ2の短波長側反射バンド502が形成される。W2/W1=1まで増加すると中心反射波長λ1の長波長側反射バンド501は消失する。 Next, conditions for realizing a band-pass characteristic that forms two reflection bands in a multilayer film with unequal widths at the time of vertical incidence and transmits an intermediate wavelength band will be considered. Fig. 5 (A) shows the parameters of non-uniformly staggered multilayer films in Table 1 except for W1 and W2, and the transmittance spectrum when W2 / W1 is changed while W1 + W2 = 300 nm is constant. Shows W2 / W1 dependence. In the case of W2 / W1 = 0, only the long wavelength side reflection band 501 of the center reflection wavelength λ1 determined by the simple multilayer film interference condition is formed, whereas the center determined by the inclined multilayer film as W2 / W1 is increased. A short wavelength side reflection band 502 having a reflection wavelength λ 2 is formed. When increasing to W2 / W1 = 1, the long wavelength side reflection band 501 of the center reflection wavelength λ1 disappears.
図5(B)は長波長側反射バンド501と短波長側反射バンド502の反射率比をR1/R2のW2/W1依存性を示す。W2/W1が0.3から0.6までの比率では2つの反射バンドの反射率はほぼ等しいことから、バンドパス性能を実現しやすく、入射角度を制限する素子として機能させやすいことが説明されている。 FIG. 5B shows the W2 / W1 dependence of R1 / R2 on the reflectance ratio of the long wavelength side reflection band 501 and the short wavelength side reflection band 502. It is explained that when the ratio of W2 / W1 is from 0.3 to 0.6, the reflectance of the two reflection bands is almost equal, so that it is easy to realize bandpass performance and to function as an element that limits the incident angle.
またずれ幅Dが半周期 0.5(dL+dH)程度の値を持った場合が2つの反射バンドを最も形成しやすく、Dの値は条件式(2)の範囲が望ましいことが計算結果から得られている。以上から、角度制限の性能を持った互い違い構造形成のために必要な条件は、条件式(1)による構造幅の比率、および条件式(2)による半周期程度のずれ幅Dの2条件であることが示された。 In addition, when the deviation width D has a value of about half cycle 0.5 (dL + dH), it is easy to form two reflection bands, and the calculation result shows that the range of conditional expression (2) is desirable for D value. It has been. From the above, the conditions necessary for forming the staggered structure with the angle limiting performance are the two conditions of the ratio of the structure width by the conditional expression (1) and the deviation width D of about a half cycle by the conditional expression (2). It was shown that there is.
続いて、所望の波長λ0を中心とした帯域を透過するバンドパス性能を持たせるためには二つの反射バンドの中心反射波長を制御する必要があり、次の式を満たす必要がある。 Subsequently, in order to provide bandpass performance that transmits a band centered on the desired wavelength λ0, it is necessary to control the center reflection wavelengths of the two reflection bands, and the following equation must be satisfied.
0.35 < (nHdH+nLdL)/λ1 <0.65 …(3)
0.35 < (nHdH+nLdL) cos2φ/λ2 <0.65 …(4)
ここでφは図1(B)に示した単位構造によって決定される傾斜角であり、|D|<=0.5(dL+dH)の場合は、
φ=tan-1(|D|/(0.5(W1+W2))) …(5a)
|D|>0.5(dL+dH)の場合は、
φ=tan-1(((dL+dH) -|D|)/(0.5(W1+W2))) …(5b)
により定義されるとする。以降、式(5a)、式(5b)を合わせて式(5)と呼ぶこととする。
0.35 <(nHdH + nLdL) / λ1 <0.65… (3)
0.35 <(nHdH + nLdL) cos 2 φ / λ2 <0.65… (4)
Here, φ is an inclination angle determined by the unit structure shown in FIG. 1B, and in the case of | D | <= 0.5 (dL + dH),
φ = tan -1 (| D | / (0.5 (W1 + W2)))… (5a)
If | D |> 0.5 (dL + dH),
φ = tan -1 (((dL + dH)-| D |) / (0.5 (W1 + W2)))… (5b)
Is defined by Hereinafter, the expressions (5a) and (5b) are collectively referred to as expressions (5).
条件式(4)におけるcos2φの項は、傾斜した多層膜としてみなした実効的な膜厚減少の効果、および傾斜多層膜に斜入射する効果にそれぞれ起因している。100 nm程度の広い帯域全体に対して角度を制限するような機能を光学フィルタに持たせる際には、垂直入射時の透過帯域を広く設ける必要があるため、cosφの値を大きくする必要がある。一方、狭帯域の光に対して角度制限の機能を光学フィルタに持たせる場合にはcosφの値は小さくて十分であり、cosφの値が小さいほど平行度の高い光のみを透過させることができる。条件式(3), (4)の範囲から外れると所望の波長を中心とした反射帯域を形成させることができないため望ましくない。 The term cos 2 φ in conditional expression (4) is attributed to the effect of effective film thickness reduction regarded as an inclined multilayer film and the effect of oblique incidence on the inclined multilayer film. When the optical filter has a function of limiting the angle with respect to the entire wide band of about 100 nm, it is necessary to provide a wide transmission band at the time of normal incidence, so it is necessary to increase the value of cosφ. . On the other hand, when the optical filter is provided with an angle limiting function for narrow-band light, the value of cosφ is small and sufficient, and the smaller the value of cosφ, the more parallel light can be transmitted. . If it falls outside the range of conditional expressions (3) and (4), it is not desirable because a reflection band centered on a desired wavelength cannot be formed.
また条件式(3),(4)で定まる反射帯域が重なりを持たず、垂直入射時に透過帯域を形成するためには次の条件式を満たすことが望ましい。 In addition, the reflection bands determined by the conditional expressions (3) and (4) do not overlap, and it is desirable to satisfy the following conditional expression in order to form a transmission band at the time of vertical incidence.
25 deg. < φ < 45 deg. …(6)
左辺の値は、中心反射波長λ1の反射バンドと中心反射波長λ2の反射バンドの半値全幅が50 nmと仮定した際の透過帯域形成に必要な下限値であり、右辺の値は2つの反射バンドのバンド幅確保のために必要な条件となっている。条件式(6)の範囲から外れるとバンドパス特性が実現できない、または反射率の低下が生じるなどの性能低下が生じるため望ましくない。
25 deg. <Φ <45 deg.… (6)
The value on the left-hand side is the lower limit required to form the transmission band when the full width at half maximum of the reflection band with the central reflection wavelength λ1 and the reflection band with the central reflection wavelength λ2 is 50 nm, and the value on the right-hand side is the two reflection bands It is a necessary condition for securing the bandwidth. Outside the range of conditional expression (6), it is not desirable because bandpass characteristics cannot be realized, or performance degradation such as a reduction in reflectance occurs.
さらに入射角度に対する敏感度を高めるためには低屈折率層の構成比率が大きいことが望ましい。そのため次の条件式を満たすことが望ましい。 Further, in order to increase the sensitivity to the incident angle, it is desirable that the composition ratio of the low refractive index layer is large. Therefore, it is desirable to satisfy the following conditional expression.
0.5 < (nHdH/nLdL) < 1.1 …(7)
反射率、およびバンド幅最大化のための一般的な多層膜設計条件となるdH/dL=nL/nHを包含するように右辺の最大値を定めている。また反射率、およびバンド幅確保のために左辺の最小値を設定している。条件式(7)の範囲から外れると反射率、およびバンド幅確保のために層数を増やす必要があり、望ましくない。
0.5 <(nHdH / nLdL) <1.1… (7)
The maximum value on the right side is determined so as to include dH / dL = nL / nH, which is a general multilayer film design condition for maximizing the reflectance and bandwidth. Also, the minimum value on the left side is set to ensure reflectivity and bandwidth. Outside the range of conditional expression (7), it is necessary to increase the number of layers in order to ensure reflectivity and bandwidth, which is not desirable.
ここまで一次元周期性の構造の例示を行ってきたが、面内XY方向でそれぞれ格子をなすように配列形成された二次元周期性を持つ互い違い多層膜構造も、XZ平面およびYZ平面における入射角度依存性が抑制された光学フィルタとして働くため望ましい構造である。二次元周期性を持つ多層膜構造をZ方向から俯瞰すると、図6(A)に示す通りの凹凸形状を持つ平面図となる。 Up to this point, we have illustrated examples of one-dimensional periodic structures. However, staggered multilayered film structures with two-dimensional periodicity that are arranged so as to form a lattice in the in-plane XY direction are also incident on the XZ plane and YZ plane. This is a desirable structure because it works as an optical filter with suppressed angular dependence. When a multilayer film structure having a two-dimensional periodicity is looked down on from the Z direction, a plan view having an uneven shape as shown in FIG.
図6(A)内の601が凸部領域、602が凹部領域に相当する。二次元周期性を持つ互い違い多層膜構造の単位構造は、X方向と同様にY方向も単位構造内のずれ幅Dによる互い違いの構造を持つこととなる。それぞれX方向幅をWx1、Wx2、Y方向幅をWy1、Wy2と定義する。このときの単位構造605は図6(D)に概略を示す通り、4つの多層膜構造がそれぞれX方向、Y方向の構造幅Wx1、Wx2、Wy1、Wy2を有し、互いにZ方向にDだけずれて凹凸をなすように配置形成され、Z方向から俯瞰した際の平面図が矩形をなす形状となる。 In FIG. 6A, 601 corresponds to a convex region, and 602 corresponds to a concave region. The unit structure of the staggered multilayer film structure having two-dimensional periodicity has a staggered structure in the Y direction due to the shift width D in the unit structure as well as the X direction. The X-direction width is defined as Wx1 and Wx2, and the Y-direction width is defined as Wy1 and Wy2, respectively. The unit structure 605 at this time has a structure width Wx1, Wx2, Wy1, Wy2 in the X direction and the Y direction, respectively, as shown schematically in FIG. A plan view when viewed from the Z direction is a rectangular shape.
YZ平面、XZ平面で切り出した断面形状は、図6(B), (C)の603、604で示されるような形状となる。このときWx1、Wx2、Wy1、Wy2によりφX、φYはφと同様に、|D|と0.5(dL+dH)の大小関係に応じて次式(5a’), (5b’), (5a’’), (5b’’)により定義される。
φX=tan-1(|D|/(0.5(Wx1+Wx2))) …(5a’)
φX=tan-1(((dL+dH) -|D|)/(0.5(W1+W2))) …(5b’)
φY=tan-1(|D|/(0.5(Wy1+Wy2))) …(5a’’)
φY=tan-1(((dL+dH) -|D|)/(0.5(W1+W2))) …(5b’’)
また入射角度依存性抑制の実現のためには、X,Y方向それぞれに対し定義されるφX、φYが次の式(6’), (6’’)を満たすことが望ましい。
25 deg. < φX < 45 deg. …(6’)
25 deg. < φY < 45 deg. …(6’’)
以上の構造は、XZ平面内、YZ平面内における入射角度依存性がそれぞれ抑制されるため望ましいと言える。
The cross-sectional shapes cut out in the YZ plane and the XZ plane are shapes as indicated by reference numerals 603 and 604 in FIGS. 6B and 6C. At this time, as in φ, φX and φY are based on Wx1, Wx2, Wy1, and Wy2, depending on the magnitude relationship between | D | and 0.5 (dL + dH), and the following equations (5a '), (5b'), (5a ''), Defined by (5b'').
φX = tan -1 (| D | / (0.5 (Wx1 + Wx2)))… (5a ')
φX = tan -1 (((dL + dH)-| D |) / (0.5 (W1 + W2)))… (5b ')
φY = tan -1 (| D | / (0.5 (Wy1 + Wy2)))… (5a '')
φY = tan -1 (((dL + dH)-| D |) / (0.5 (W1 + W2))) ... (5b '')
Further, in order to realize the incidence angle dependency suppression, it is desirable that φX and φY defined for the X and Y directions satisfy the following equations (6 ′) and (6 ″).
25 deg. <ΦX <45 deg.… (6 ')
25 deg. <ΦY <45 deg.… (6 '')
The above structure can be said to be desirable because the incidence angle dependency in the XZ plane and the YZ plane is suppressed.
本発明の光学フィルタを構成する微細素子構造は、例えば微細加工を施した基板上に積層を行うことにより作製される。微細加工の方法などは、一般的なエッチング技術、ナノインプリント技術などが挙げられる。積層成膜方法としては一般的な蒸着法やスパッタリング法が挙げられる。また断面形状は矩形とは異なるが、積層とエッチングを繰り返すことにより、ジグザグ形状回折格子を多重に積層させるオートクローニング技術を用いてもよい。上記の作製方法に限らず、本発明に適した微細な凹凸形状加工の方法や積層成膜の方法を利用して作製すればよい。 The fine element structure constituting the optical filter of the present invention is produced, for example, by stacking on a finely processed substrate. Examples of the fine processing method include general etching technology and nanoimprint technology. As a laminated film forming method, a general vapor deposition method or a sputtering method can be given. Although the cross-sectional shape is different from the rectangular shape, an auto-cloning technique in which zigzag diffraction gratings are stacked in multiple layers by repeating stacking and etching may be used. The manufacturing method is not limited to the above-described manufacturing method, and a fine uneven shape processing method or a multilayer film forming method suitable for the present invention may be used.
また積層成膜方法によっては、横堆積などにより表層に近づくにつれ矩形の形状から崩れてしまうことが想定されるが、φの定義は常に最下層における構造幅W1とW2、最下層におけるZ軸方向のずれ幅Dを用いて、式(5)から定義されるとする。 Also, depending on the layer deposition method, it is assumed that the rectangular shape collapses as it approaches the surface layer due to lateral deposition, etc., but the definition of φ is always the structural width W1 and W2 in the bottom layer, the Z-axis direction in the bottom layer It is assumed that it is defined from the equation (5) using the deviation width D.
[実施例1]
本発明の第1の実施例の光学フィルタについて説明する。実施例1Gの光学フィルタは、低角度入射時に緑色帯域を透過、高角度入射時には緑色帯域を反射する角度制限性能を有するように設計されている。
[Example 1]
The optical filter according to the first embodiment of the present invention will be described. The optical filter of Example 1G is designed to have an angle limiting capability of transmitting the green band when incident at a low angle and reflecting the green band when incident at a high angle.
第1の実施例1Gの光学フィルタの概略図は図1(A)に示す通りであるため、詳細は略する。屈折率ns=1.47の合成石英の基板101上に、屈折率nH=2.36のTiO2による第1の光学層102、屈折率nL=1.47のSiO2による第2の光学層103が交互に繰り返し積層された構造を有する。第1の光学層102の物理層厚dHは50 nm、第2の光学層103の物理層厚dLは130 nmとなっている。光学フィルタ100は第1の光学層102と第2の光学層103が交互に14 回繰り返し積層されてなるW1=230 nm, W2=110 nmの多層膜構造のうち、幅W1の多層膜構造がZ方向のずれ幅D=90 nmだけずれてX方向に配置形成させた形状の単位構造104を有する。 The schematic diagram of the optical filter of the first embodiment 1G is as shown in FIG. A first optical layer 102 made of TiO2 having a refractive index nH = 2.36 and a second optical layer 103 made of SiO2 having a refractive index nL = 1.47 were alternately and repeatedly laminated on a synthetic quartz substrate 101 having a refractive index ns = 1.47. It has a structure. The physical layer thickness dH of the first optical layer 102 is 50 nm, and the physical layer thickness dL of the second optical layer 103 is 130 nm. The optical filter 100 has a multilayer film structure with a width W1 in a multilayer film structure with W1 = 230 nm and W2 = 110 nm in which the first optical layer 102 and the second optical layer 103 are alternately laminated 14 times. The unit structure 104 has a shape that is shifted in the Z direction by D = 90 nm and arranged in the X direction.
上記単位構造104のY方向の形状は一様としている。光学フィルタ100は、上記単位構造104が基板101上にX方向に一次元格子をなすように配列形成された構造となっている。図1(A)は、矩形の一次元格子のパターニングが施された基板101上に第1の光学層102、第2の光学層103が積層された形状を示しているが、必ずしも基板に対してパターニングを施す必要はない。実施例1Gの構造パラメータは表2に示されている。単位構造104のW2/W1は0.48となるため条件式(1)を満たし、|D|/(dH+dL)は0.50から条件式(2)を満たしている。またφ=27.9 deg.から条件式(6)、nHdH/nLdL=0.62から条件式(7)を満足している。 The unit structure 104 has a uniform shape in the Y direction. The optical filter 100 has a structure in which the unit structures 104 are arranged on the substrate 101 so as to form a one-dimensional lattice in the X direction. FIG. 1A shows a shape in which a first optical layer 102 and a second optical layer 103 are stacked on a substrate 101 that has been patterned with a rectangular one-dimensional lattice. There is no need for patterning. The structural parameters of Example 1G are shown in Table 2. Since W2 / W1 of the unit structure 104 is 0.48, the conditional expression (1) is satisfied, and | D | / (dH + dL) satisfies the conditional expression (2) from 0.50. Conditional expression (6) is satisfied from φ = 27.9 deg., And conditional expression (7) is satisfied from nHdH / nLdL = 0.62.
次に実施例1Gの緑色帯域角度制限フィルタの低入射角度時(θ≦30 deg.)の透過率および反射率スペクトルを図7に示す。図7(A)は全次数積算の透過率スペクトル、(B)は回折次数0次の透過率スペクトル、(C)は回折次数1次以上積算の透過率スペクトル、(D)は全次数積算の反射率スペクトル、(E)は回折次数0次の反射率スペクトル、(F)は回折次数1次以上積算の反射率スペクトルを示す。入射平面はXZ平面、偏光はP偏光(TM偏光)としている。 Next, the transmittance and reflectance spectrum of the green band angle limiting filter of Example 1G at a low incident angle (θ ≦ 30 deg.) Are shown in FIG. Fig. 7 (A) is the transmission spectrum of all order integration, (B) is the transmission spectrum of 0th diffraction order, (C) is the transmission spectrum of 1st diffraction order or higher, and (D) is the total order integration. The reflectance spectrum, (E) shows the reflectance spectrum of the diffraction order 0th order, and (F) shows the reflectance spectrum integrated with the diffraction order 1st order or more. The incident plane is the XZ plane, and the polarization is P polarization (TM polarization).
入射角度θ=0deg.においては、透過中心波長λ0はλ0=540 nm、中心反射波長λ1はλ1=620 nm、中心反射波長λ2はλ2=475 nmとなっている。この結果から、表2に示す通り、条件式(3)、条件式(4)を満たすことが示された。図7(D)の反射率スペクトルに示されるように、入射角度θが増大するにつれて、λ0を中心とした帯域の反射率はほぼ100%となった。続いて緑色帯域角度制限フィルタの高入射角度時(θ>30 deg.)の透過率および反射率スペクトルを図8に示す。 At the incident angle θ = 0 deg., The transmission center wavelength λ0 is λ0 = 540 nm, the center reflection wavelength λ1 is λ1 = 620 nm, and the center reflection wavelength λ2 is λ2 = 475 nm. From this result, as shown in Table 2, it was shown that conditional expression (3) and conditional expression (4) were satisfied. As shown in the reflectance spectrum of FIG. 7D, as the incident angle θ increases, the reflectance of the band centering on λ 0 becomes almost 100%. Subsequently, the transmittance and reflectance spectrum of the green band angle limiting filter at a high incident angle (θ> 30 deg.) Are shown in FIG.
図8(A)は全次数積算の透過率スペクトル、(B)は回折次数0次の透過率スペクトル、(C)は回折次数1次以上積算の透過率スペクトル、(D)は全次数積算の反射率スペクトル、(E)は回折次数0次の反射率スペクトル、(F)は回折次数1次以上積算の反射率スペクトルを示す。図8(D)の反射率スペクトルに示されるように、45≦θ≦85 deg.の範囲では500-550 nmの帯域は90 %以上の反射率、560-600nmの帯域でも平均50 %以上の反射率を有することが示された。以上より85 deg.という高角度入射時にも、λ0を中心とした波長帯域において高い反射率を有することから、緑色帯域に対する角度制限フィルタとして機能することが示された。 Fig. 8 (A) is the transmission spectrum of all order integration, (B) is the transmission spectrum of 0th diffraction order, (C) is the transmission spectrum of 1st diffraction order or more, and (D) is the total order integration. The reflectance spectrum, (E) shows the reflectance spectrum of the diffraction order 0th order, and (F) shows the reflectance spectrum integrated with the diffraction order 1st order or more. As shown in the reflectance spectrum of FIG. 8 (D), in the range of 45 ≦ θ ≦ 85 deg., The band of 500-550 nm has a reflectance of 90% or more, and the average of 50% or more in the band of 560-600 nm. It was shown to have reflectivity. From the above, even when the incident angle is as high as 85 deg., It has a high reflectance in the wavelength band centered on λ 0, indicating that it functions as an angle limiting filter for the green band.
実施例1Gの構造パラメータのうちdH,dL,W2/W1,Dをほぼ定数倍にすることにより、青色帯域角度制限フィルタや赤色帯域角度制限フィルタの設計も可能である。 A blue band angle limiting filter and a red band angle limiting filter can be designed by substantially multiplying dH, dL, W2 / W1, and D among the structural parameters of Example 1G.
表2に構造パラメータを示す実施例1Bの青色帯域角度制限フィルタの低入射角度時(θ≦30 deg.)の透過率および反射率スペクトルを図9に、高入射角度時(θ>30 deg.)の透過率および反射率スペクトルを図10に示す。図9と図10 の(A)から(F)の透過率および反射率の次数の関係は、図7と図8で示した(A)から(F)の関係と同様であるため説明は省略する。入射平面はXZ平面、偏光はP偏光(TM偏光)としている。図9および図10の結果から、実施例1Bは条件式(1)から(4)、および(6),(7)を満足していることが表2に示されている。 The transmittance and reflectance spectrum at low incident angles (θ ≦ 30 deg.) Of the blue band angle limiting filter of Example 1B whose structural parameters are shown in Table 2 are shown in FIG. 9, and at high incident angles (θ> 30 deg. FIG. 10 shows the transmittance and reflectance spectrum of). The relationship between the order of transmittance and reflectance in FIGS. 9A to 10F is the same as the relationship from FIGS. 7A to 8F and will not be described. To do. The incident plane is the XZ plane, and the polarization is P polarization (TM polarization). From the results of FIGS. 9 and 10, it is shown in Table 2 that Example 1B satisfies the conditional expressions (1) to (4), and (6) and (7).
以上から、実施例1Bは低角度入射時に青色帯域を透過、高角度入射時に青色帯域を反射する角度制限フィルタとして振舞うことが示された。 From the above, it was shown that Example 1B behaves as an angle limiting filter that transmits the blue band when incident at a low angle and reflects the blue band when incident at a high angle.
続いて表2に構造パラメータを示す実施例1Rの赤色帯域角度制限フィルタの低入射角度時(θ≦30 deg.)の透過率および反射率スペクトルを図11に、高入射角度時(θ>30 deg.)の透過率および反射率スペクトルを図12に示す。図11と図12の (A)から(F)の透過率および反射率の次数の関係は、図7と図8で示した(A)から(F)の関係と同様であるため説明は省略する。入射平面はXZ平面、偏光はP偏光(TM偏光)としている。図11および図12の結果から、実施例1Rは条件式(1)から(4)、および(6),(7)を満足していることが表2に示されている。 Subsequently, the transmittance and reflectance spectrum at the low incident angle (θ ≦ 30 deg.) Of the red band angle limiting filter of Example 1R whose structural parameters are shown in Table 2 are shown in FIG. 11, and at the high incident angle (θ> 30). deg.) transmittance and reflectance spectrum are shown in FIG. The relationship between the order of transmittance and reflectance in FIGS. 11 and 12 (A) to (F) is the same as the relationship from (A) to (F) shown in FIGS. To do. The incident plane is the XZ plane, and the polarization is P polarization (TM polarization). From the results of FIGS. 11 and 12, it is shown in Table 2 that Example 1R satisfies the conditional expressions (1) to (4), and (6), (7).
以上から、実施例1Rは低角度入射時に赤色帯域を透過、高角度入射時に赤色帯域を反射する角度制限フィルタとして振舞うことが示された。 From the above, it was shown that Example 1R behaves as an angle limiting filter that transmits the red band when incident at a low angle and reflects the red band when incident at a high angle.
実施例1は表2に示したパラメータに限定されず、構造パラメータのうちdH,dL,W1,W2,Dをほぼ定数倍にすることにより、他の波長帯域に対して角度制限フィルタとして振舞う光学フィルタの設計も可能である。 The first embodiment is not limited to the parameters shown in Table 2, but by making dH, dL, W1, W2, D out of the structural parameters almost constant multiples, the optical which acts as an angle limiting filter for other wavelength bands A filter design is also possible.
[実施例2]
本発明の第2の実施例の光学フィルタについて説明する。実施例2の光学フィルタは、緑色帯域に対して働く角度制限フィルタであるが、第1の実施例1Gと比較して、緑色帯域が透過する角度範囲を広くなるよう設計を行っている。
[Example 2]
An optical filter according to a second embodiment of the present invention will be described. The optical filter of the second embodiment is an angle limiting filter that works for the green band, but is designed so as to widen the angle range through which the green band transmits compared to the first embodiment 1G.
実施例2の光学フィルタの概略図は図1(A)に示す通りであるため、詳細は略する。屈折率ns=1.47の合成石英の基板101上に、屈折率nH=2.36のTiO2による第1の光学層102、屈折率nL=1.47のSiO2による第2の光学層103が交互に繰り返し積層された構造を有する。第1の光学層102の物理層厚dHは65 nm、第2の光学層103の物理層厚dLは105 nmとなっている。光学フィルタ100は第1の光学層102と第2の光学層103が交互に18 回繰り返し積層されてなるW1=180 nm, W2=110 nmの多層膜構造のうち、幅W1の多層膜構造がZ方向のずれ幅D=85 nmだけずれてX方向に配置形成させた形状の単位構造104を有する。 Since the schematic diagram of the optical filter of Example 2 is as shown in FIG. 1 (A), the details are omitted. A first optical layer 102 made of TiO2 having a refractive index nH = 2.36 and a second optical layer 103 made of SiO2 having a refractive index nL = 1.47 were alternately and repeatedly laminated on a synthetic quartz substrate 101 having a refractive index ns = 1.47. It has a structure. The physical layer thickness dH of the first optical layer 102 is 65 nm, and the physical layer thickness dL of the second optical layer 103 is 105 nm. The optical filter 100 has a multilayer film structure with a width W1 among the multilayer film structures with W1 = 180 nm and W2 = 110 nm, in which the first optical layer 102 and the second optical layer 103 are alternately laminated 18 times. The unit structure 104 has a shape that is shifted in the Z direction by D = 85 nm and arranged in the X direction.
上記単位構造104のY方向の形状は一様としている。光学フィルタ100は、上記単位構造104が基板101上にX方向に一次元格子をなすように配列形成された構造となっている。図1(A)は、矩形の一次元格子のパターニングが施された基板101上に第1の光学層102、第2の光学層103が積層された形状を示しているが、必ずしも基板に対してパターニングを施す必要はない。実施例2の構造パラメータは表3に示されている。単位構造104のW2/W1は0.61となるため条件式(1)を満たし、|D|/(dH+dL)は0.50から条件式(2)を満たしている。またφ=31.8 deg.から条件式(6)、nHdH/nLdL=0.99から条件式(7)を満足している。 The unit structure 104 has a uniform shape in the Y direction. The optical filter 100 has a structure in which the unit structures 104 are arranged on the substrate 101 so as to form a one-dimensional lattice in the X direction. FIG. 1A shows a shape in which a first optical layer 102 and a second optical layer 103 are stacked on a substrate 101 that has been patterned with a rectangular one-dimensional lattice. There is no need for patterning. The structural parameters of Example 2 are shown in Table 3. Since W2 / W1 of the unit structure 104 is 0.61, Conditional Expression (1) is satisfied, and | D | / (dH + dL) satisfies Conditional Expression (2) from 0.50. Conditional expression (6) is satisfied from φ = 31.8 deg., And conditional expression (7) is satisfied from nHdH / nLdL = 0.99.
次に実施例2の緑色帯域角度制限フィルタの低入射角度時(θ≦30 deg.)の透過率および反射率スペクトルを図13に示す。図13(A)は全次数積算の透過率スペクトル、(B)は回折次数0次の透過率スペクトル、(C)は回折次数1次以上積算の透過率スペクトル、(D)は全次数積算の反射率スペクトル、(E)は回折次数0次の反射率スペクトル、(F)は回折次数1次以上積算の反射率スペクトルを示す。入射平面はXZ平面、偏光はP偏光(TM偏光)としている。入射角度θ=0deg.においては、透過中心波長λ0はλ0=530 nm、中心反射波長λ1はλ1=615 nm、中心反射波長λ2はλ2=450 nmとなっている。 Next, the transmittance and reflectance spectrum of the green band angle limiting filter of Example 2 at a low incident angle (θ ≦ 30 deg.) Are shown in FIG. FIG. 13 (A) is a transmission spectrum of all order integration, (B) is a transmission spectrum of diffraction order 0, (C) is a transmission spectrum of integration of diffraction orders 1 and higher, and (D) is all order integration. The reflectance spectrum, (E) shows the reflectance spectrum of the diffraction order 0th order, and (F) shows the reflectance spectrum integrated with the diffraction order 1st order or more. The incident plane is the XZ plane, and the polarization is P polarization (TM polarization). At the incident angle θ = 0 deg., The transmission center wavelength λ0 is λ0 = 530 nm, the center reflection wavelength λ1 is λ1 = 615 nm, and the center reflection wavelength λ2 is λ2 = 450 nm.
この結果から、表2に示す通り、条件式(3)、条件式(4)を満たすことが示された。波長500 nm付近の急峻な反射は繰り返し数mに依存する膜厚由来の成分であるため、中心波長定義の上で考慮していない。実施例2ではθ=30 deg.においても波長550 nmの光は90%程度透過しており、実施例1Gと比較すると緑色帯域が透過する角度範囲が広くなった性能であることが示されている。 From this result, as shown in Table 2, it was shown that conditional expression (3) and conditional expression (4) were satisfied. The steep reflection near the wavelength of 500 nm is a component derived from the film thickness that depends on the number of repetitions m, and thus is not considered in the definition of the center wavelength. In Example 2, about 90% of light having a wavelength of 550 nm is transmitted even at θ = 30 deg., Indicating that the angle range through which the green band is transmitted is wider than that of Example 1G. Yes.
続いて実施例2の高入射角度時(θ>30 deg.)の透過率および反射率スペクトルを図14に示す。図14(A)は全次数積算の透過率スペクトル、(B)は回折次数0次の透過率スペクトル、(C)は回折次数1次以上積算の透過率スペクトル、(D)は全次数積算の反射率スペクトル、(E)は回折次数0次の反射率スペクトル、(F)は回折次数1次以上積算の反射率スペクトルを示す。図14(D)の反射率スペクトルに示されるように、45≦θ≦85 deg.の範囲では500-550 nmの帯域は90 %以上の反射率を有することが示された。 Next, FIG. 14 shows the transmittance and reflectance spectrum of Example 2 at a high incident angle (θ> 30 deg.). FIG. 14 (A) is a transmission spectrum of all order integration, (B) is a transmission spectrum of diffraction order 0, (C) is a transmission spectrum of integration of diffraction orders 1 and higher, and (D) is all order integration. The reflectance spectrum, (E) shows the reflectance spectrum of the diffraction order 0th order, and (F) shows the reflectance spectrum integrated with the diffraction order 1st order or more. As shown in the reflectance spectrum of FIG. 14D, the band of 500 to 550 nm has a reflectance of 90% or more in the range of 45 ≦ θ ≦ 85 deg.
実施例2の構造パラメータのうちdH,dL,W2/W1,Dをほぼ定数倍にすることにより、青色帯域角度制限フィルタや赤色帯域角度制限フィルタの設計も可能である。 A blue band angle limiting filter and a red band angle limiting filter can be designed by substantially multiplying dH, dL, W2 / W1, and D among the structural parameters of the second embodiment.
[実施例3]
次に本発明の第3の実施例である波長変換装置としての光学装置について説明する。本発明の波長変換装置1500の構成概略図の一例を図13に示す。波長変換装置1500は、反射構造1501、蛍光体層1502、本発明の角度制限フィルタ1503を有する。反射構造1501は拡散や回帰反射などにより入射角と反射角の絶対値を一致させない特徴を有する。特に反射構造1501は集光型の回帰反射の利用により、入射角より反射角を低減させる効果を持つことが望ましい。また角度制限フィルタ1503は特定の波長帯域に対して、角度を制限する特徴を有する。波長変換装置1500において角度制限する波長帯域は、蛍光体から発せられる蛍光スペクトルにおいて最大強度の波長を中心とする波長帯域とする。
[Example 3]
Next, an optical apparatus as a wavelength conversion apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described. An example of a schematic configuration diagram of the wavelength conversion device 1500 of the present invention is shown in FIG. The wavelength conversion device 1500 includes a reflection structure 1501, a phosphor layer 1502, and the angle limiting filter 1503 of the present invention. The reflection structure 1501 has a characteristic that the incident angle and the absolute value of the reflection angle do not coincide with each other due to diffusion or regressive reflection. In particular, it is desirable that the reflection structure 1501 has an effect of reducing the reflection angle from the incident angle by using condensing type retroreflection. The angle limiting filter 1503 has a feature that limits the angle with respect to a specific wavelength band. The wavelength band that limits the angle in the wavelength converter 1500 is a wavelength band centered on the wavelength of the maximum intensity in the fluorescence spectrum emitted from the phosphor.
外部励起光1504が角度制限フィルタ1503を透過し蛍光体層1502に照射される。蛍光体層1502は外部励起光1504の吸収により、外部励起光1504よりも波長の長い、広い角度分布を持った蛍光1505aを発する。広い角度分布を持った蛍光1505aは角度制限フィルタ1503へ入射し、角度制限フィルタ1503の角度制限性により平行度の高い蛍光1506aは透過して装置外へ出射、平行度の低い蛍光1507aは反射され蛍光体層1502内に戻ることとなる。平行度の低い反射された蛍光1507aは反射構造1501により、拡散ないしは回帰反射により広い角度分布を持った蛍光1505bに変換される。 External excitation light 1504 passes through the angle limiting filter 1503 and irradiates the phosphor layer 1502. The phosphor layer 1502 emits fluorescence 1505 a having a longer angular distribution and a longer wavelength than the external excitation light 1504 by absorption of the external excitation light 1504. The fluorescent light 1505a having a wide angular distribution enters the angle limiting filter 1503. Due to the angle limiting property of the angle limiting filter 1503, the fluorescent light 1506a having high parallelism is transmitted and emitted outside the apparatus, and the fluorescent light 1507a having low parallelism is reflected. It returns to the phosphor layer 1502. The reflected fluorescence 1507a having a low parallelism is converted into a fluorescence 1505b having a wide angular distribution by diffusion or regressive reflection by the reflection structure 1501.
広い角度分布を持った蛍光1505bは、反射構造1501と角度制限フィルタ1503の間で、広い角度分布を持った蛍光1505aと同様の反射ないしは透過を繰り返す。その結果、角度制限フィルタ1503において平行度の高い蛍光1506a、1506b、1506cと平行度の低い蛍光1507a、1507b、1507cとの分離、および反射構造1501において広い角度分布を持った蛍光1505a、1505b、1505cの反射による角度変換が行われ続ける。図15では、簡単のため3回の蛍光取り出しのみが図示しているが、実際には無限回の角度依存の分離と角度変換が行われる。 The fluorescence 1505b having a wide angular distribution is repeatedly reflected or transmitted between the reflecting structure 1501 and the angle limiting filter 1503 in the same manner as the fluorescence 1505a having a wide angular distribution. As a result, the fluorescent light 1506a, 1506b, 1506c having high parallelism in the angle limiting filter 1503 is separated from the fluorescent light 1507a, 1507b, 1507c having low parallelism, and the fluorescent light 1505a, 1505b, 1505c having a wide angular distribution in the reflection structure 1501. The angle conversion by the reflection is continued. In FIG. 15, only three fluorescence extractions are shown for simplicity, but in practice, angle-dependent separation and angle conversion are performed infinitely.
波長変換装置1500における角度制限フィルタ1503が存在しない場合は、ランバート拡散された平行度の低い蛍光が出射されるため、光学系では取り込めない蛍光が発生し、損失となってしまう。例えばFno=0.95の光学系でランバート拡散する蛍光を取り込もうとすると35%程度の損失が発生する。角度制限フィルタ1503に本発明の実施例1Gの光学フィルタを用いることにより、バンド幅と入射角度に対する敏感度を両立しながら、出射平行度が制御された蛍光を発する波長変換装置を得ることができる。 When the angle limiting filter 1503 in the wavelength conversion device 1500 is not present, Lambert-diffused fluorescence with low parallelism is emitted, and fluorescence that cannot be captured by the optical system is generated, resulting in loss. For example, when an attempt is made to capture Lambertian diffused fluorescence with an optical system of Fno = 0.95, a loss of about 35% occurs. By using the optical filter of Example 1G of the present invention as the angle limiting filter 1503, it is possible to obtain a wavelength converter that emits fluorescence with controlled emission parallelism while achieving both bandwidth and sensitivity to the incident angle. .
ここで蛍光スペクトルにおける強度最大波長は550 nmとしている。また蛍光体の外部励起光として角度制限フィルタ1503が450 nmの光を透過する角度で斜入射させる。ただし図15では、図の簡単のため垂直入射の外部励起光を描写している。 Here, the maximum intensity wavelength in the fluorescence spectrum is 550 nm. In addition, the angle limiting filter 1503 is obliquely incident at an angle at which 450 nm light is transmitted as external excitation light of the phosphor. However, in FIG. 15, normal incident external excitation light is depicted for the sake of simplicity.
これによりFno由来の取り込み損失を抑制でき、最終的な蛍光の取り込み効率向上が見込まれる。ただし波長変換装置1500における反射構造1501は可視域でほぼ一定の反射率を有するアルミや銀などにより構成されていると、一定の反射損失が発生する。反射構造1501における反射損失が発生すると考えた場合、反射構造1501における反射を少なくすることが最終的な取り出し効率の向上につながることとなる。そのため角度制限フィルタ1503は、Fno=0.95で取り込み可能な30 deg.程度の角度までは制限性能を持たず、30 deg以上の高角度での入射光は反射する性能を有することが望ましい。以上から実施例1Gと実施例2の比較では、実施例2はより好ましい実施例であると言える。 As a result, the loss of Fno-derived uptake can be suppressed, and the final fluorescence uptake efficiency can be improved. However, if the reflection structure 1501 in the wavelength conversion device 1500 is made of aluminum, silver, or the like having a substantially constant reflectance in the visible range, a certain reflection loss occurs. When it is considered that a reflection loss occurs in the reflection structure 1501, reducing the reflection in the reflection structure 1501 leads to an improvement in the final extraction efficiency. Therefore, it is desirable that the angle limiting filter 1503 does not have a limiting performance up to an angle of about 30 deg. Which can be captured at Fno = 0.95, and has a performance of reflecting incident light at a high angle of 30 deg or more. From the above, in the comparison between Example 1G and Example 2, it can be said that Example 2 is a more preferable example.
続いて角度制限フィルタ1503による角度依存の分離と、反射構造1501における角度変換と光量損失が10回発生すると仮定して、取り込み効率の概算を行った。角度制限フィルタ1503における透過許容角度を-30 deg.から30 deg.、反射構造1501における反射損失を15%とした場合、角度制限フィルタを使用しない場合に比べ10%程度の取り込み効率向上が見込まれるという結果が得られた。以上から角度制限フィルタ1503に実施例2を用いることにより、取り出し効率が向上した波長変換装置が得られる。 Subsequently, the capture efficiency was roughly estimated on the assumption that the angle-dependent separation by the angle limiting filter 1503, the angle conversion in the reflection structure 1501, and the light amount loss occurred 10 times. When the permissible transmission angle in the angle limiting filter 1503 is set to -30 deg. To 30 deg. And the reflection loss in the reflecting structure 1501 is set to 15%, the capturing efficiency is improved by about 10% compared to the case where the angle limiting filter is not used. The result was obtained. From the above, by using the second embodiment for the angle limiting filter 1503, a wavelength conversion device with improved extraction efficiency can be obtained.
[実施例4]
次に本発明の第4の実施例である投射画像装置としての光学装置について説明する。本発明の投射画像装置1600の構成概略図の一例を図14に示す。投射画像装置1600は光源1601、偏光子1603、レンズ1604、ダイクロイックフィルタ1605、偏光分離素子1607、位相補償板1608、画像表示素子1609、本発明の角度制限フィルタ1611、偏光板1612、色選択性位相板1613により、画像光が生成される構成となっている。
[Example 4]
Next, an optical apparatus as a projection image apparatus according to the fourth embodiment of the present invention will be described. An example of a schematic configuration diagram of the projection image apparatus 1600 of the present invention is shown in FIG. The projection image device 1600 includes a light source 1601, a polarizer 1603, a lens 1604, a dichroic filter 1605, a polarization separation element 1607, a phase compensation plate 1608, an image display element 1609, an angle limiting filter 1611 of the present invention, a polarizing plate 1612, and a color selective phase. The plate 1613 is configured to generate image light.
ここでは各波長帯域を示すr,g,bの添字は省略している。さらに投射画像装置1600における合成プリズム1614、ダイクロイック膜1615、投射光学系1616により各帯域の画像光を合成、および投射が行われる。光源1601から発せられた照明光束1602は偏光子1603に入射し、P偏光(紙面内偏光)の照明光束1602pとなる。 Here, subscripts r, g, and b indicating each wavelength band are omitted. Further, the image light of each band is synthesized and projected by the synthesis prism 1614, the dichroic film 1615, and the projection optical system 1616 in the projection image apparatus 1600. The illumination light beam 1602 emitted from the light source 1601 enters the polarizer 1603, and becomes an illumination light beam 1602p of P-polarized light (in-paper-polarized light).
次に光束をレンズ1604により集光した後にダイクロイックフィルタ1605(緑色帯域反射)に入射させる。ダイクロイックフィルタ1605(緑色帯域反射)への入射光束は集光により、角度θの半開角を持って入射する。青色帯域光束1606bp、赤色帯域光束1606rpはダイクロイックフィルタ1605を透過し、緑色帯域光束1606gpはダイクロイックフィルタ1605により反射され、偏光分離素子1607gに入射する。偏光分離素子1607gは偏光分離面1607g1に入射する偏光のうち、P偏光を透過しS偏光を反射させるため偏光分離素子1607gを透過する。 Next, the light beam is condensed by the lens 1604 and then incident on the dichroic filter 1605 (green band reflection). The incident light beam to the dichroic filter 1605 (green band reflection) is incident with a half-open angle of the angle θ by condensing. The blue band light beam 1606 bp and the red band light beam 1606 rp are transmitted through the dichroic filter 1605, and the green band light beam 1606 gp is reflected by the dichroic filter 1605 and enters the polarization separation element 1607 g. Of the polarized light incident on the polarization separation surface 1607g1, the polarization separation element 1607g transmits the P-polarized light and reflects the S-polarized light, and transmits the polarization separation element 1607g.
さらに緑色帯域光束1606gpは位相補償板1608gおよび画像表示素子1609gへの照射により画像情報を持った分布に変換され、S偏光となった緑色帯域の画像光1610gとなったのち偏光分離素子1607gに再入射して、偏光分離面1607g1において反射され、入射とは異なる光路に出射されて角度制限フィルタ1611に入射する。角度制限フィルタ1611により角度制限を受けた後に透過した画像光1610gは、その後合成プリズム1614方向へと進行する。 Further, the green band light beam 1606gp is converted into a distribution having image information by irradiating the phase compensator 1608g and the image display element 1609g, and the green band image light 1610g having become S-polarized light is re-applied to the polarization separation element 1607g. The incident light is reflected by the polarization separation surface 1607g1, is emitted to an optical path different from the incident light, and enters the angle limiting filter 1611. The image light 1610g that has been transmitted after being subjected to the angle restriction by the angle restriction filter 1611 then proceeds toward the synthesis prism 1614.
青色帯域光束1606bp、赤色帯域光束1606rpは偏光板1612を透過することにより偏光度が向上され、その後色選択性位相板1613に入射する。色選択性位相板1613は青色帯域光束のみ偏光方向を90°変換させる特性を有しており、これにより赤色帯域光束の偏光状態は維持したまま、青色帯域光束は90 deg. 偏光方向が回転した青色帯域光束1606bsとなり偏光分離素子1607brに入射する。偏光分離素子1607brは偏光分離面1607r1に入射する偏光のうち、P偏光を透過しS偏光を反射する素子である。 The blue band light beam 1606 bp and the red band light beam 1606 rp are transmitted through the polarizing plate 1612 to improve the degree of polarization, and then enter the color selective phase plate 1613. The color-selective phase plate 1613 has a characteristic that the polarization direction of only the blue-band light beam is converted by 90 °, so that the polarization state of the blue-band light beam is rotated by 90 ° while the polarization state of the red-band light beam is maintained. A blue band light beam 1606bs is incident on the polarization separation element 1607br. The polarization separation element 1607br is an element that transmits P-polarized light and reflects S-polarized light out of the polarized light incident on the polarization separation surface 1607r1.
このような作用を有する素子は、例えば屈折率の異なる薄膜を偏光分離面1607br1に積層したものなどがある。偏光分離素子1607brの偏光分離面1607br1により青色帯域光束は反射、赤色帯域光束は透過し、色分離され、位相補償板1608b、1608rを透過して各色に対応する画像表示素子1609b、1609rに照射され画像情報を持った分布に変換される。 As an element having such an action, for example, there is an element in which thin films having different refractive indexes are stacked on a polarization separation surface 1607br1. The polarization separation surface 1607br1 of the polarization separation element 1607br reflects the blue band light beam, transmits the red band light beam, separates the color, passes through the phase compensation plates 1608b and 1608r, and irradiates the image display elements 1609b and 1609r corresponding to the respective colors. It is converted into a distribution with image information.
これらの画像光は再び位相補償板1608b、1608rを透過した後に偏光分離素子1607brに再入射する。ここで青色帯域の画像光1610bは偏光分離素面1607br1を透過し、赤色帯域の画像光1610rは偏光分離面1607br1で反射される。画像光1610b、1610rが合成され、さらに合成プリズム1614に入射する。合成プリズム1614内のダイクロイック膜1615により、緑色帯域の画像光1610gは反射され、青色帯域の画像光1610b、赤色帯域の画像光1610rは透過することで青色、緑色、赤色の帯域の光が合成されて出射される。色合成された画像光は投射光学系1616により投影、結像される。 These image lights again pass through the phase compensation plates 1608b and 1608r, and then reenter the polarization separation element 1607br. Here, the image light 1610b in the blue band is transmitted through the polarization separation element surface 1607br1, and the image light 1610r in the red band is reflected by the polarization separation surface 1607br1. The image lights 1610b and 1610r are combined and further incident on the combining prism 1614. The green band image light 1610g is reflected by the dichroic film 1615 in the combining prism 1614, and the blue band image light 1610b and the red band image light 1610r are transmitted, whereby the blue, green, and red band lights are combined. Are emitted. The color-combined image light is projected and imaged by the projection optical system 1616.
投射画像装置1600において画像表示素子1609gが液晶パネルとするとピッチ由来の反射回折光1610goが発生する。角度制限フィルタ1611が存在しない、または角度制限性能が高くないときには、反射回折光1610goは最終的に投射光学系に入射して画質劣化を招く場合がある。角度制限フィルタ1611に本発明の実施例1Gの光学フィルタを用いた場合、従来多層膜以上のバンド幅と入射角度に対する敏感度を両立した角度制限性能により、反射回折光1610goの投射光学系への入射を抑制することができ、画像劣化を低減できる。 In the projection image apparatus 1600, when the image display element 1609g is a liquid crystal panel, reflected diffraction light 1610go derived from the pitch is generated. When the angle limiting filter 1611 is not present or the angle limiting performance is not high, the reflected diffracted light 1610go may finally enter the projection optical system and cause image quality degradation. When the optical filter of Example 1G of the present invention is used as the angle limiting filter 1611, the reflected diffracted light 1610go is applied to the projection optical system by the angle limiting performance that achieves both the bandwidth and the sensitivity to the incident angle that are larger than the conventional multilayer film. Incidence can be suppressed and image degradation can be reduced.
[実施例5]
次に本発明の第5の実施例である撮像装置としての光学装置について説明する。本発明の撮像装置1700の構成概略図の一例を図15に示す。撮像装置1700は、光電変換層1701b,1701g,1701r、本発明の角度制限フィルタ1702b,1702g,1702r、吸収型カラーフィルタ1703b,1703g,1703r、マイクロレンズ1704b,1704g,1704rを有する構成である。添え字のb,g,rはそれぞれ青色帯域、緑色帯域、赤色帯域に対する素子であることを示し、基本的な構成は変わらない。
[Example 5]
Next, an optical apparatus as an image pickup apparatus according to the fifth embodiment of the present invention will be described. An example of a schematic configuration diagram of the imaging apparatus 1700 of the present invention is shown in FIG. The imaging device 1700 includes photoelectric conversion layers 1701b, 1701g, and 1701r, angle limiting filters 1702b, 1702g, and 1702r of the present invention, absorption color filters 1703b, 1703g, and 1703r, and microlenses 1704b, 1704g, and 1704r. The subscripts b, g, and r indicate elements for the blue band, the green band, and the red band, respectively, and the basic configuration remains unchanged.
角度制限フィルタ1702b,1702g,1702rはそれぞれ青色帯域、緑色帯域、赤色帯域に対して角度を制限する特徴を有する。ここでは代表して緑色帯域の撮像装置に対して説明を行う。撮像装置1700へ垂直入射する画像光1705gと斜入射する緑色帯域の迷光1706gは、マイクロレンズ1704gにより集光された後、吸収型カラーフィルタ1703gにより緑色帯域の光以外は吸収され、角度制限フィルタ1702gに入射する。 The angle limiting filters 1702b, 1702g, and 1702r have characteristics that limit the angle with respect to the blue band, the green band, and the red band, respectively. Here, a description will be given of the image pickup apparatus in the green band as a representative. The image light 1705g perpendicularly incident on the imaging device 1700 and the stray light 1706g in the green band obliquely incident are collected by the microlens 1704g and then absorbed by the absorption color filter 1703g except for the light in the green band, and the angle limiting filter 1702g. Is incident on.
一方、入射角度の大きい緑色帯域の迷光1706gは角度制限フィルタ1702gにおいて反射される。角度制限フィルタ1702gを透過した光は光電変換層1701gで吸収され、キャリアに変換される。青色帯域の撮像装置、および赤色帯域の撮像装置についての説明は略するが、同様の機能を有するとする。 On the other hand, the green band stray light 1706g having a large incident angle is reflected by the angle limiting filter 1702g. The light transmitted through the angle limiting filter 1702g is absorbed by the photoelectric conversion layer 1701g and converted into carriers. The description of the imaging device for the blue band and the imaging device for the red band is omitted, but it has the same function.
角度制限フィルタ1702b,1702g,1702rに本発明の実施例1B,1G,1Rの光学フィルタを用いることにより、バンド幅と入射角度に対する敏感度を両立しながら、低入射角度の画像光のみを光電変換する撮像装置を得ることができる。斜入射する迷光1706gは角度制限フィルタ1702gにより反射され、反射された迷光1707gとなり、撮像装置外に出射されるため、迷光による画質劣化を抑制することができる。本撮像装置は高角度で入射するフレアやゴーストなどの迷光抑制に有効であるほか、高角度入射光に起因するクロストーク抑制にも有効である。 By using the optical filters of Embodiments 1B, 1G, and 1R of the present invention for the angle limiting filters 1702b, 1702g, and 1702r, only the image light at a low incident angle is photoelectrically converted while achieving both bandwidth and sensitivity to the incident angle. An imaging device can be obtained. The obliquely incident stray light 1706g is reflected by the angle limiting filter 1702g, becomes reflected stray light 1707g, and is emitted to the outside of the imaging device. Therefore, image quality deterioration due to stray light can be suppressed. This imaging apparatus is effective for suppressing stray light such as flare and ghost incident at a high angle, and also effective for suppressing crosstalk caused by high-angle incident light.
100.光学フィルタ
101.基板
102.第1の光学層
103.第2の光学層
104.単位構造
301.計算モデル結果
302.計算モデル結果
401.長波長側反射バンド
402.短波長側反射バンド
501.長波長側反射バンド
502.短波長側反射バンド
601.凸部領域
602.凹部領域
603.YZ平面で切り出した断面形状
604.XZ平面で切り出した断面形状
605.単位構造
1500.波長変換装置
1501.反射構造
1502.蛍光体層
1503.角度制限フィルタ
1504.外部励起光
1505a, 1505b, 1505c.広い角度分布を持った蛍光
1506a, 1506b, 1506c.平行度の高い蛍光
1507a, 1507b, 1507c.平行度の低い蛍光
1600.投射画像装置
1601.光源
1602、照明光束
1602p.P偏光(紙面内偏光)の照明光束
1603.偏光子
1604.レンズ
1605.ダイクロイックフィルタ
1606gp.緑色帯域光束
1606bp、1606bs.青色帯域光束
1606rp.赤色帯域光束
1607g、1607br.偏光分離素子
1607g1、1607br1.偏光分離面
1608b、1608g、1608r.位相補償板
1609b、1609g、1609r.画像表示素子
1610b、1610g、1610r.画像光
1610go.反射回折光
1611.角度制限フィルタ
1612.偏光板
1613.色選択性位相板
1614.合成プリズム
1615.ダイクロイック膜
1616.投射光学系
1700.撮像装置
1701b.1701g.1701r.光電変換層
1702b.1702g.1702r.角度制限フィルタ
1703b.1703g.1703r.吸収型カラーフィルタ
1704b.1704g.1704r.マイクロレンズ
1705g.垂直入射する画像光
1706g.迷光
1707g.反射された迷光
100. Optical filter 101. Substrate 102. First optical layer 103. Second optical layer 104. Unit structure 301. Calculation model result 302. Calculation model result 401. Long wavelength side reflection band 402. Short wavelength side reflection band 501. Long wavelength side reflection band 502. Short wavelength side reflection band 601. Convex region 602. Recessed region 603. Cross-sectional shape cut out in the YZ plane 604. Cross-sectional shape cut out in XZ plane 605. Unit structure 1500. Wavelength converter 1501. Reflective structure 1502. Phosphor layer 1503. Angle limiting filter 1504. External excitation light 1505a, 1505b, 1505c. Fluorescence with wide angular distribution 1506a, 1506b, 1506c. Highly parallel fluorescence 1507a, 1507b, 1507c. Fluorescence with low parallelism 1600. Projection image device 1601. Light source 1602, illumination beam 1602p. Illuminated light beam 1603 of P-polarized light (in-plane polarized light) 1603. Polarizer 1604. Lens 1605. Dichroic filter
1606 gp. Green band luminous flux
1606bp, 1606bs. Blue band luminous flux
1606 rp. Red band luminous flux
1607g, 1607br. Polarization separating elements 1607g1, 1607br1. Polarization separation surfaces 1608b, 1608g, 1608r. Phase compensation plate
1609b, 1609g, 1609r. Image display elements 1610b, 1610g, 1610r. Image light 1610go. Reflected diffracted light 1611. Angle limiting filter 1612. Polarizing plate 1613. Color selective phase plate 1614. Synthetic prism 1615. Dichroic film 1616. Projection optical system
1700. Imaging device 1701b. 1701 g. 1701r. Photoelectric conversion layer 1702b. 1702 g. 1702r. Angle limiting filter 1703b. 1703 g. 1703r. Absorption type color filter 1704b. 1704 g. 1704r. Microlens 1705 g. Normal incident image light 1706 g. Stray light 1707 g. Reflected stray light
Claims (8)
上記基板に対して低角度で入射した場合は2つの波長帯域を反射、その中間波長帯域を透過させ、入射角度が増大した場合には反射波長帯域が変化し、低角度入射時に透過させていた前記中間波長帯域の光を反射することにより、特定の波長帯域の光に対し入出射角度を制限する機能を有しており、
前記光学フィルタの積層面内で直交する方向をX、Y方向、積層表面から基板に向かう方向を正とした深さ方向をZ方向とし、表層から基板に向けた方向を正とした場合に、少なくとも2種類の材質の光学層により構成され、
最も高い屈折率nHを有する物理層厚dHの第1の光学層と、
最も低い屈折率nLを有する物理層厚dLの第2の光学層が交互に積層されてなる異なる幅W1,W2の多層膜構造のうち、W1の幅を持つ多層膜構造をZ方向にずれ幅Dだけずらして隣接して配置形成させた形状の単位構造が該基板上に少なくとも一次元方向に格子をなすように配列形成された構造を有している
W1、W2、dH、dL、Dが以下の関係式を満足することを特徴とする光学フィルタ。
0.3 < W2/W1 < 0.6
0.35 < |D|/(dH+dL) < 0.65 An optical filter having a laminated structure formed of a dielectric on a light-transmitting substrate,
When incident on the substrate at a low angle, it reflects two wavelength bands and transmits the intermediate wavelength band. When the incident angle increases, the reflected wavelength band changes and transmits when the incident angle is low. By reflecting the light in the intermediate wavelength band, it has a function to limit the incident and output angles for light in a specific wavelength band,
When the direction perpendicular to the lamination plane of the optical filter is the X, Y direction, the depth direction with the direction from the lamination surface toward the substrate as the Z direction, and the direction from the surface layer toward the substrate as the positive direction, Consists of at least two types of optical layers,
A first optical layer having a physical layer thickness dH having the highest refractive index nH;
Of the multilayer film structures with different widths W1 and W2 formed by alternately laminating the second optical layers having the physical layer thickness dL having the lowest refractive index nL, the multilayer film structure having the width W1 is shifted in the Z direction. Unit structures having shapes arranged adjacent to each other with a shift of D have a structure in which an array is formed on the substrate so as to form a lattice in at least a one-dimensional direction.
An optical filter characterized in that W1, W2, dH, dL, and D satisfy the following relational expression.
0.3 <W2 / W1 <0.6
0.35 <| D | / (dH + dL) <0.65
0.35 < (nHdH+nLdL)/λ1 <0.65
0.35 < (nHdH+nLdL) cos2φ/λ2 <0.65
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の光学フィルタ。
ここでφはφ=tan-1(|D|/(W1+W2))により定義される構造パラメータ由来の角度とする。 また中心反射波長は反射バンドの反射率50%の短波長側の裾の波長と、長波長側の裾の波長の中点の波長として定義し、λ1とλ2はλ1>λ2の関係にあるとする。 In the optical filter, when the incident angle of the light beam is 0 deg, the central reflection wavelengths λ1, λ2 with respect to the polarized light parallel to the direction arranged in a lattice, and dH, dL, nH, nL in any unit structure , ψ is the following relational expression
0.35 <(nHdH + nLdL) / λ1 <0.65
0.35 <(nHdH + nLdL) cos 2 φ / λ2 <0.65
2. The optical filter according to claim 1, wherein:
Here, φ is an angle derived from a structural parameter defined by φ = tan −1 (| D | / (W1 + W2)). The central reflection wavelength is defined as the wavelength of the short wavelength side of the reflection band with a reflectance of 50% and the middle wavelength of the long wavelength side of the bottom wavelength, and λ1 and λ2 have a relationship of λ1> λ2. To do.
25 deg. < φ < 45 deg.
を満たすことを特徴とする請求項2に記載の光学フィルタ。 The φ in the unit structure of the optical filter is any of the following relational expressions
25 deg. <Φ <45 deg.
The optical filter according to claim 2, wherein:
0.5 < (nHdH/nLdL) < 1.1
を満たすことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の光学フィルタ。 DH, dL, nH, dL in the unit structure of the optical filter are all the following relational expressions
0.5 <(nHdH / nLdL) <1.1
The optical filter according to any one of claims 1 to 3, wherein:
外部励起光によって該蛍光層から発せられた蛍光のうち、
発光スペクトルにおいて最大強度を持つ波長の蛍光が該光学フィルタに対して入射する場合、
低角度で入射時には前記波長の蛍光を透過、高角度で入射時には前記波長の蛍光を反射することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光学フィルタを備えた波長変換装置としての光学装置。 It has a structure in which a phosphor layer and the optical filter are formed on a reflecting structure having a function of diffusing or recurring reflection,
Of the fluorescence emitted from the fluorescent layer by external excitation light,
When fluorescence having the maximum intensity in the emission spectrum is incident on the optical filter,
6. The wavelength conversion device with an optical filter according to claim 1, wherein when the light is incident at a low angle, the light having the wavelength is transmitted, and when the light is incident at a high angle, the light having the wavelength is reflected. As an optical device.
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|---|---|---|---|---|
| US11860523B2 (en) | 2021-03-25 | 2024-01-02 | Seiko Epson Corporation | Wavelength conversion apparatus, light source apparatus, and projector |
| WO2024218373A1 (en) * | 2023-04-19 | 2024-10-24 | Nil Technology Aps | Camera array with reduced cross-talk |
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2017
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