JP2018185388A - 光学フィルタおよびそれを用いた光学装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

特開2009-290414号公報 特開2011-118187号公報

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。

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。

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。

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。

(A)光学フィルタの構成図 (B)不等幅構造における傾斜角φの定義 光学フィルタの分光反射率の入射角度依存性 (A)単純多層膜 (B)互い違いの多層膜 (A)単純多層膜の中心反射波長の入射角度依存性 (B)互い違いの多層膜の中心反射波長の入射角度依存性 (C)傾斜多層膜とみなした構造を示す図 光学フィルタの分光反射率の入射角度依存性 (A) 光学フィルタの分光反射率のW1/W2依存性 (B)反射率比R1/R2のW1/W2依存性 面内二次元周期性を持った光学フィルタの構成図 本発明の実施例１Gの分光透過率および反射率の入射角度依存性(θ≦30 deg.) 本発明の実施例１Gの分光透過率および反射率の入射角度依存性(θ>30 deg.) 本発明の実施例１Bの分光透過率および反射率の入射角度依存性(θ≦30 deg.) 本発明の実施例１Bの分光透過率および反射率の入射角度依存性(θ>30 deg.) 本発明の実施例１R の分光透過率および反射率の入射角度依存性(θ≦30 deg.) 本発明の実施例１Rの分光透過率および反射率の入射角度依存性(θ>30 deg.) 本発明の実施例２ の分光透過率および反射率の入射角度依存性(θ≦30 deg.) 本発明の実施例２の分光透過率および反射率の入射角度依存性(θ>30 deg.) 本発明の実施例３の波長変換装置の構成概略図 本発明の実施例４の投射画像装置の構成概略図 本発明の実施例５の撮像装置の構成概略図

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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

Claims (8)

1. 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
2. 前記光学フィルタにおいて、光線の入射角度0 degとした場合、格子をなすように配列させてた方向に平行な偏光に対する中心反射波長λ1, λ2と、いずれの単位構造におけるdH, dL, nH, nL,ψは以下の関係式
   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。
3. 前記光学フィルタの前記単位構造におけるφはいずれも以下の関係式
   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。
4. 前記光学フィルタの前記単位構造におけるdH, dL, nH, dLはいずれも以下の関係式
   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。
5. 二次元格子を形成するように、X,Y方向に単位構造内のずれ幅Dを有する前記単位構造をX,Y方向に対しそれぞれ周期配列形成させたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
6. 拡散ないしは回帰反射する機能を有する反射構造の上に、蛍光体層、前記光学フィルタが形成された構造を有しており、
   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。
7. 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ることにより、投射光学系に高角度で入射する不要な回折光や迷光を抑制する機能を有することを特徴とする投射画像装置としての光学装置。
8. 前記光学フィルタの下に、光電変換層の上に前記光電変換層への入射角度を制限する請求項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ことを特徴とする撮像装置としての光学装置。